膨脹土深基坑變形及支護(hù)方案設(shè)計

苑寧寧

(中鐵十八局集團(tuán) 第五工程有限公司,天津 300222)

0 引 言

隨著國家城市建設(shè)發(fā)展速度日趨加快,對城市商業(yè)建筑用地的需求量持續(xù)增長[1],但在現(xiàn)有土地資源總量有限的情況下,建筑逐漸向高層發(fā)展,出現(xiàn)了大量的深基坑施工[2-4]．基坑深度的增加,一方面增加支護(hù)難度,基坑深度越大,發(fā)生基坑垮塌的可能性就越大[5-6];另一方面,對復(fù)雜工程地質(zhì)條件下,如賦存有膨脹土或軟土等強(qiáng)度較小的土體,更加大了施工難度[7-8]．對于膨脹土基坑穩(wěn)定性研究,文獻(xiàn)[9]考慮不同含水率條件下膨脹土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)變化關(guān)系,建立基于膨脹土體抗剪強(qiáng)度劣化特性的膨脹土深基坑支護(hù)設(shè)計方案;文獻(xiàn)[10]對于多種不同膨脹土深基坑支護(hù)方案,基于層次分析法與模糊綜合評價法相結(jié)合的方式,對基坑支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)選;文獻(xiàn)[11]利用ANSYS有限元軟件建立膨脹土深基坑模型,分析設(shè)計支護(hù)手段的有效性,從而根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果制定深基坑安全措施;文獻(xiàn)[12]研究降雨或地下水浸入引起膨脹土體含水率變化引起的土體附加應(yīng)力場,對膨脹土深基坑土體壓力的影響規(guī)律;文獻(xiàn)[13]針對膨脹土卸荷與含水率的變化引起的土體性質(zhì)變化,對多種形式的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)受力變形特點展開研究,得到基坑膨脹土范圍對基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響;文獻(xiàn)[14]采用數(shù)值模擬方法,對排樁支護(hù)、排樁+斜撐等多種聯(lián)合支護(hù)方式的適用性進(jìn)行研究;文獻(xiàn)[15]采用深基坑邊坡穩(wěn)定性極限平衡法,研究膨脹土體參數(shù)、內(nèi)部裂隙影響以及支護(hù)方式等指標(biāo),優(yōu)選安全、經(jīng)濟(jì)基坑支護(hù)方式;文獻(xiàn)[16]基于支持向量機(jī)理論,研究膨脹土深基坑水平位移的變化規(guī)律,并對未來一定時期內(nèi)位移變化進(jìn)行預(yù)測;文獻(xiàn)[17]根據(jù)成都東郊某膨脹土深基坑,對采用微型樁復(fù)合土釘墻進(jìn)行支護(hù)效果進(jìn)行評價;文獻(xiàn)[18]對膨脹土深基坑采用放坡+樁錨支護(hù)方式的可行性進(jìn)行研究;文獻(xiàn)[19]采用SMW工法樁與單軸旋噴攪拌斜樁錨桿聯(lián)合支護(hù)技術(shù),并對方案的數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測進(jìn)行對比分析;文獻(xiàn)[20]利用有限差分軟件FLAC對膨脹土抗剪強(qiáng)度值進(jìn)行衰減,并對膨脹土深基坑開挖對鄰近建構(gòu)筑物的沉降影響進(jìn)行分析．

膨脹土對深基坑變形具有不利影響,通過對深基坑現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析,研究膨脹土深基坑的變形規(guī)律,并設(shè)計多種深基坑支護(hù)方案,對比分析支護(hù)前、后深基坑變形規(guī)律,對支護(hù)方案的效果進(jìn)行評價,為鄰近區(qū)域膨脹土深基坑支護(hù)提供參考．

1 膨脹土深基坑變形

為了研究膨脹土深基坑變形及支護(hù)方案,需要到實際建設(shè)工地中,以真實建筑物為對象,通過實驗測試的方式進(jìn)行研究,這種方式能夠有效確保研究的準(zhǔn)確性、真實性和有效性．

擬建場地位于四川成都某建筑小區(qū),該建設(shè)項目主要包括6幢22層高的高層住宅小區(qū),并且部分高層建筑附近有3層商品裙房,建筑結(jié)構(gòu)均為框剪結(jié)構(gòu)．地下室基坑開挖深度為16～20 m,深基坑周圍南北兩側(cè)為道路,距離為8～10 m,東西兩側(cè)為商場或?qū)懽謽牵虼?對深基坑開挖引起的周圍建筑物沉降具有較高要求,且深基坑存在部分膨脹土,因此需要制定合理的支護(hù)方案．

施工場地工程地質(zhì)條件較為復(fù)雜,且賦存有膨脹土等軟弱土層,地下水位位于地表以下4.5～6.2 m,主要為第四系孔隙水及地下基巖滲透水．施工場地揭露土層自上而下為:上部為素填土,主要為含植物根系及建筑垃圾等結(jié)構(gòu)松散土層.土層為黃褐色黏土,為具有中等以上膨脹特性的膨脹土,分布范圍較廣泛,土層平均厚度為2.30 m;灰褐色粉質(zhì)黏土,具有弱膨脹特性,土層平均厚度為0.55 m;含灰?guī)r礫石的黏土,為具有弱膨脹特性的膨脹土層,土層平均厚度為4.00 m;膨脹土體,土層平均厚度為0.85 m;強(qiáng)風(fēng)化泥灰?guī)r,泥質(zhì)結(jié)構(gòu),具有弱膨脹特性,分布于整個施工場地,土層平均厚度為5.20 m；中等風(fēng)化泥灰?guī)r,泥質(zhì)結(jié)構(gòu),具有弱膨脹特性,分布于整個施工場地,土層平均厚度為16.10 m．基坑開挖揭露各土層力學(xué)性質(zhì)如表1所示.

表 1 土層物理力學(xué)性質(zhì)Table 1 Physical and mechanical properties of soil layers

基坑開挖內(nèi)側(cè)為臨空面,基坑土體內(nèi)側(cè)無約束,土體產(chǎn)生水平位移．基坑開挖后對周圍土體變形進(jìn)行監(jiān)測,土體變形規(guī)律如圖1所示．從圖1可知，因為膨脹土體的存在,基坑最大水平位移出現(xiàn)在基坑坑底附近,基坑最大變形約為75 mm,當(dāng)基坑開挖至具有膨脹土體的土層范圍時,深基坑水平位移增大明顯,當(dāng)開挖范圍為無膨脹性土層時,基坑水平位移增量較?。?/p>

2 膨脹土深基坑支護(hù)設(shè)計

本工程基坑面積約為14 500 m2,開挖深度為12 m,基坑保護(hù)等級為一級,針對基坑開挖范圍內(nèi)存在的膨脹土,擬采用雙排樁、排樁+錨索、土釘墻支護(hù)等3種支護(hù)方式．根據(jù)設(shè)計坑實際尺寸及土體力學(xué)參數(shù)建立分析模型,采用三角形單元劃分網(wǎng)格,排樁、錨索、土釘墻的實現(xiàn)采用軟件中生死單元命令實現(xiàn),土體本構(gòu)模型采用摩爾-庫倫模型,支護(hù)結(jié)構(gòu)采用線彈性模型．方案1采用懸臂雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu),排樁半徑0.5 m,樁長15.50,樁間距為2.5 m;方案2設(shè)置3排錨索,垂直方向間隔2.5 m,水平方向間距2 m,角度為15°～30°,排樁尺寸為半徑0.5 m,樁長15.50 m;方案3設(shè)置5道土釘,土釘間距為1.5 m或2.0 m,兩道預(yù)應(yīng)力錨索,并噴射混凝土,形成土釘與錨索的復(fù)合土釘墻支護(hù)．不同支護(hù)方案水平位移如圖2所示.

圖 1 基坑水平位移監(jiān)測值 圖 2 不同支護(hù)方案水平位移 Fig.1 Foundation pit horizontal displacement Fig.2 Horizontal displacement of different monitoring value support schemes

對比分析3種支護(hù)方案水平位移值,方案1采用懸臂雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu),水平最大位移為15.50 mm,方案2排樁+錨索支護(hù)方案水平最大位移為31.30 mm,方案3土釘墻支護(hù)方案水平最大位移為16.10 mm,雙排樁、土釘墻支護(hù)方案支護(hù)效果較好,兩者之間差值在5%以內(nèi),排樁+錨索支護(hù)方案得到的水平位移相比于雙排樁、土釘墻支護(hù)方案較大,說明對膨脹土深基坑變形的控制能力較弱．因此,根據(jù)以上分析結(jié)果,對膨脹土深基坑支護(hù)可以選擇雙排樁、土釘墻支護(hù),綜合考慮經(jīng)濟(jì)成本、環(huán)境因素等外部條件,選擇深基坑支護(hù)方式．

3 結(jié) 論

根據(jù)具體的膨脹土深基坑施工實例,對深基坑水平位移變形規(guī)律進(jìn)行監(jiān)測分析,并設(shè)計多種支護(hù)方案,利用ABAQUS軟件對不同支護(hù)方案位移進(jìn)行分析,主要得到以下結(jié)論:

(1) 基坑膨脹土體對基坑水平位移增量具有明顯影響,基坑開挖至具有膨脹土體的土層范圍內(nèi)時,深基坑水平位移增大明顯,無膨脹土范圍,開挖水平位移增量較小,基坑最大水平位移出現(xiàn)在基坑坑底附近,無支護(hù)狀態(tài)基坑最大變形約為75 mm;

(2) 設(shè)計雙排樁、排樁+錨索、土釘墻支護(hù)等3種支護(hù)方案,建立不同支護(hù)設(shè)計的有限元模型,對比得到的支護(hù)后水平位移值,雙排樁、土釘墻支護(hù)等2種方案支護(hù)效果較好,排樁+錨索支護(hù)效果次之．

雖然該研究能夠有效控制基坑變形,且設(shè)計的支護(hù)方案效果較好,但還不夠完善．在選取支護(hù)參數(shù)的過程中,無法確保選取參數(shù)的準(zhǔn)確性,只能利用多次選取的平均值,這就對膨脹土深基坑變形規(guī)律的分析結(jié)果產(chǎn)生了直接影響,從而影響支護(hù)方案設(shè)計的有效性．未來將針對支護(hù)參數(shù)選取的準(zhǔn)確性進(jìn)行深入研究,以確保對膨脹土深基坑變形規(guī)律分析結(jié)果的準(zhǔn)確性,使得設(shè)計的支護(hù)方案最佳,為膨脹土深基坑支護(hù)方案設(shè)計提供依據(jù)與參考．