水利水電工程深基坑的變形特性分析及穩(wěn)定性研究

肖宏山

(本溪滿族自治縣水務(wù)和移民事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 本溪 117100)

0 引 言

為滿足水利工程的建設(shè)需求基坑的開挖深度逐漸增大，施工技術(shù)及其復(fù)雜性問題也日趨突出。復(fù)雜的周邊環(huán)境不僅大幅提高了深基坑的危險性，而且在很大程度上提升了基坑支護(hù)和開挖的難度[1]。采取保護(hù)、加固、支擋等安全防護(hù)措施確保地下室及基坑周邊環(huán)境安全為支護(hù)結(jié)構(gòu)的主要目標(biāo)，而在完成地下施工、土方回填后支護(hù)體系也就完成了其使命[2]。所以，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)在工程實踐中的設(shè)計使用年限通常為1a。然而，在項目建設(shè)時往往因合同糾紛、資金不足及設(shè)計調(diào)整等原因，經(jīng)常出現(xiàn)深基坑長時間擱置的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致支護(hù)體系處于超期服役的狀態(tài)，這對水利工程的建設(shè)質(zhì)量和安全施工構(gòu)成了潛在的威脅。因此，全面掌握超期服役深基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律，合理評估其安全穩(wěn)定性能并降低風(fēng)險隱患，采取一系列有效措施合理延長設(shè)計使用年限，已成為當(dāng)前研究的熱點問題之一[3-8]。文章以遼寧省某水電工程超期服役的深基坑為例，對基坑擱置前后的支護(hù)樁變形規(guī)律結(jié)合現(xiàn)場長期監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，然后借助于結(jié)構(gòu)設(shè)計分析軟件和抽樣檢測數(shù)據(jù)，對比分析錨索安全系數(shù)、樁體位移等重要參數(shù)，科學(xué)評估了深基坑在不同階段下的安全穩(wěn)定性，以期為水利工程基坑支護(hù)方案的優(yōu)化設(shè)計和穩(wěn)定性評價提供一定決策依據(jù)[9-11]。

1 工程概況

1.1 工程簡介

松樹臺二號電站主體結(jié)構(gòu)的基坑支護(hù)周長約138m、基底開挖面積884m2，開挖深度在14.0-15.5m?；又苓叴嬖谳^為復(fù)雜的環(huán)境，埋設(shè)有給排水、電信、電纜等管道設(shè)施。

支護(hù)體系的安全等級為1級，設(shè)計使用年限為1年，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用的是北部全部放坡而其他各坡面為預(yù)應(yīng)力錨索+排樁形式，支護(hù)體系的某一截面的剖面。支護(hù)體系的典型剖面形式，見圖1。

灌注樁的水平間距為1500mm，入土深度和樁長分別為5m、18m，樁徑為800mm，混凝土強(qiáng)度等級為C30。采用噴射厚100mm的C20混凝土+掛鋼筋網(wǎng)的方式處理樁間面層、放坡面護(hù)壁，沿樁長方向鋪設(shè)與水平夾角為30°的三道預(yù)應(yīng)力錨索，間距為4m。

圖1 支護(hù)體系的典型剖面形式

1.2 基坑狀況

該水電工程土方開挖作業(yè)時間為2012年6月，當(dāng)開挖至設(shè)計坑底標(biāo)高時由于建設(shè)方原因建設(shè)暫停，停工時間為2013年1月。而工程項目在達(dá)到支護(hù)體系設(shè)計使用年限后仍未復(fù)工，直至2016年底具備復(fù)工條件開始建設(shè)施工。為了對基坑存在的安全隱患進(jìn)行全面排查，建設(shè)方對基坑穩(wěn)定性狀態(tài)委托評估單位進(jìn)行評價。

2 基坑變形特性分析

2.1 監(jiān)測方案

監(jiān)測數(shù)據(jù)為基坑維護(hù)的重要依據(jù)，由于已經(jīng)處于超期服役狀態(tài)，所以對該深基坑的監(jiān)測更加重要。為確?；拥闹苓叚h(huán)境及其安全運行，有必要分析、處理實時監(jiān)測相關(guān)數(shù)據(jù)并做出準(zhǔn)確的判斷。綜合考慮周邊環(huán)境的復(fù)雜性和水利工程的重要性等因素，確定錨索軸力、地下水位、周邊建筑物沉降、坑頂沉降、樁體側(cè)斜及樁頂水平位移等為基坑監(jiān)測的主要項目。設(shè)定速率、位移預(yù)警值為5mm/s、30mm，選擇設(shè)計值作為錨索軸力預(yù)警值，以每隔5d 1次的頻率開展監(jiān)測[12]。

2.2 樁體側(cè)斜監(jiān)測

為了解沿深度方向支護(hù)樁的水平位移在不同階段的變化情況必須對其側(cè)斜狀態(tài)監(jiān)測，從而保證周邊環(huán)境及支護(hù)體系的安全性能。根據(jù)不同時段的側(cè)斜孔BY1的監(jiān)測數(shù)據(jù)，繪制其變化曲線，基于側(cè)斜孔監(jiān)測數(shù)據(jù)的側(cè)斜曲線，見圖2。

圖2 基于側(cè)斜孔監(jiān)測數(shù)據(jù)的側(cè)斜曲線

根據(jù)圖2可知，樁體的側(cè)斜曲線在不同時間點下的變化規(guī)律基本保持一致，即呈線性變化的特征，隨著樁體深度的增加側(cè)斜位移呈不斷變小的變化趨勢，這種變形模式和“懸臂梁”基本類似，即樁根的側(cè)斜位移趨近于0而樁頂達(dá)到峰值，可見預(yù)應(yīng)力錨桿在樁頂以下的約束作用比較明顯?？傮w而言，不同深度處的樁體側(cè)斜位移隨著基坑擱置時間的延長而增大，且向支坑內(nèi)不斷傾斜。樁體的最大側(cè)斜位移在2017年1月復(fù)工前為24.5mm，且未達(dá)到30mm的預(yù)警值，因此可認(rèn)為截止復(fù)工前支護(hù)樁處于穩(wěn)定、安全狀態(tài)[13]。

2.3 樁頂水平位移監(jiān)測

為進(jìn)一步研究支護(hù)樁位移在不同時間點下的變形規(guī)律和發(fā)展趨勢，根據(jù)不同時段下側(cè)斜孔BY1的水位平移監(jiān)測數(shù)據(jù)，繪制成時程變化曲線，不同時段下樁頂水平位移時程曲線。見圖3。

圖3 不同時段下樁頂水平位移時程曲線

根據(jù)圖3可知，位移時程曲線的曲率在2012年7月-2013年1月土方開挖期間較大，而在超期服役和正常設(shè)計使用期的曲率較小，由此表明水利工程的土方開挖屬于荷載快速釋放過程，短期內(nèi)支護(hù)樁的水平位移增長較快這是由支護(hù)樁與土體的相互作用所引起的。土體內(nèi)的應(yīng)力在土方開挖完成后逐漸釋放完畢，變形也逐漸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。從時程曲線的整體變化趨勢來看，樁頂水平位移隨著基坑擱置時間的推移而增長緩慢，最終達(dá)到基本穩(wěn)定水平。

樁頂水平位移在基坑擱置前、擱置后的增量統(tǒng)計值，監(jiān)測點BY1-BY5的樁頂水平位移，見表1。從表1可以看出，短邊方向上的BY1、BY5監(jiān)測點，其樁頂水平位移增量在基坑擱置前遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于擱置后，所對應(yīng)的水平位移分別為3.5、5.7mm和20.7、19.6mm，增長了約5.9、3.4倍；在長邊方向上的BY2-BY4監(jiān)測點，其樁頂水平位移增量在基坑擱置前后的基本相同，短邊方向的樁體變形受基坑長期擱置的影響更大。

表1 監(jiān)測點BY1-BY5的樁頂水平位移

結(jié)合表1和圖3分析結(jié)果，雖然樁頂水平位移增長在基坑擱置后的增長較為緩慢，但是其累計位移量較大，因此應(yīng)加強(qiáng)此期間的樁體變形監(jiān)測并重視由于基坑擱置而引起的時空效應(yīng)。

3 基坑穩(wěn)定性評估

根據(jù)服役時期的不同將基坑穩(wěn)定性評估分為2個階段：①階段1：對現(xiàn)階段的基坑穩(wěn)定性進(jìn)行判斷，從而明確應(yīng)急措施的制定原則和基坑繼續(xù)超期服役的期限；②階段2：評估主體施工階段的穩(wěn)定性，從而判斷是否應(yīng)采取加固措施和該階段的穩(wěn)定性狀態(tài)[14-15]。

3.1 構(gòu)建評估模型

實踐表明，在長寬比L/B>2.0的條件下，基坑空間效應(yīng)隨著L/B值的增大逐漸減弱，在實際工程中對基坑施工方案仍選用考慮空間效應(yīng)的計算方法通常無法取得較好的經(jīng)濟(jì)效益，在該條件下對基坑的計算分析可按二維平面問題進(jìn)行處理。由于該深基坑的L/B值為4.1，為提高運算效率并簡化計算，考慮按二維平面問題建立基坑分析模型。結(jié)合基坑現(xiàn)狀和抽樣檢測數(shù)據(jù)，采用相結(jié)構(gòu)設(shè)計分析軟件建立深基坑支護(hù)二維模型，對深基坑在兩個階段的穩(wěn)定性采用模型進(jìn)行科學(xué)評估。根據(jù)如下原則選取二維模型的主要參數(shù)，具體如下：

1)支護(hù)結(jié)構(gòu)。根據(jù)檢測報告確定噴錨混凝土厚度、支護(hù)樁混凝土強(qiáng)度及樁身完整性，部分錨索極限承載力采用錨索抗拔試驗確定。在基坑穩(wěn)定性評估時綜合考慮現(xiàn)場條件、試驗數(shù)據(jù)等因素，取0.8倍的原極限承載力作為錨索抗壓極限力。

2)工程地質(zhì)條件。根據(jù)周邊地質(zhì)補充勘察的相關(guān)資料和工程地質(zhì)詳細(xì)的勘察結(jié)果，確定基坑周邊土層在現(xiàn)階段的各參數(shù)物理性能?；又苓呁翆拥牧W(xué)參數(shù)，見表2。

3)荷載工況。①階段1：確定已開挖完畢基坑的計算工況，頂部荷載結(jié)合現(xiàn)場情況取5.2kPa；②階段2：確定頂部荷載為20kPa為計算工況，對后續(xù)主體施工初期的支護(hù)受力、變形等受重載設(shè)備經(jīng)過、頂部材料堆載等施工荷載的影響進(jìn)行模擬分析。

3.2 評估結(jié)果分析

由于受文章篇幅顯示，文章僅評估分析了預(yù)應(yīng)力錨索軸力、樁體水平位移等支護(hù)結(jié)構(gòu)坡面重要參數(shù)的數(shù)值模擬結(jié)果。

1)樁體位移評估。對比分析監(jiān)測點BY1在階段一內(nèi)的水平位移數(shù)值和支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面1處的模擬結(jié)果，將其繪制成側(cè)斜曲線。樁體位移模擬結(jié)果，見圖4。

圖4 樁體位移模擬結(jié)果

根據(jù)圖4可知，在數(shù)值上階段一的監(jiān)測結(jié)果和模擬結(jié)果存在一定差異，且模擬的最大水平位移的點相對于監(jiān)測結(jié)果下移約樁長的0.2-0.3倍距離，其原因為在模擬過程中未考慮周邊環(huán)境、天氣及地下水等因素的變化，從而導(dǎo)致二者存在一定的偏差。另外，由于支護(hù)內(nèi)力和位移影響因素較為復(fù)雜，實際情況和假定的條件不可避免的會存在一定偏差，由此進(jìn)一步加大了監(jiān)測結(jié)果和模擬值的偏差?？傮w而言，監(jiān)測值基本可被模擬值所包絡(luò)且二者的變化趨勢保持相同，可見所設(shè)定的模型參數(shù)和構(gòu)建的計算模型具有科學(xué)性和合理性，在評估分析基坑穩(wěn)定性時存在一定的適用性。

根據(jù)評估分析結(jié)果，樁體水平位移在各階段下均處于預(yù)警值30mm以內(nèi)，由此表明支護(hù)樁變形在各個階段下均處于有效范圍之內(nèi)。以某一剖面為例，在階段1時樁體的最大水平位移為25.6mm，而在階段2時逐漸提升至28.3mm并趨近于預(yù)警值。因此，相對于前期水平位移階段2有所提升，表明支護(hù)樁變形在后續(xù)主體施工階段會受到一定的影響作用。

2)錨索軸力評估。樁錨支護(hù)體系包括預(yù)應(yīng)力錨索和支護(hù)樁，主要用于控制支護(hù)樁變形，錨索在失效后不能保證被加固對象的安全穩(wěn)定性。基于不同剖面的錨索軸力模擬值，見圖5。反映了不同剖面處的錨索軸力監(jiān)測值、模擬值。

圖5 基于不同剖面的錨索軸力模擬值

根據(jù)圖5可知，錨索軸力監(jiān)測值和模擬值在階段一下具有較高的吻合度，且監(jiān)測的各剖面錨索軸力模擬值均在預(yù)警值可控范圍以內(nèi)，由此進(jìn)一步表明在深基坑受力分析時該模型的可靠性和有效性。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，一級樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的錨桿抗拔安全系數(shù)Kt≥1.8，提取各錨索軸力數(shù)值作為模擬值，并對其抗拔安全系數(shù)在不同階段下的的變化值進(jìn)行計算。各剖面的錨索安全系數(shù)計算值，見表3。

表3 各剖面的錨索安全系數(shù)計算值

根據(jù)表3可以看出，處剖面3、5外的錨索安全系數(shù)在階段一下均≥1.8，具有一定的安全裕度并滿足一級基坑的安全要求，可見在該階段深基坑仍處于較穩(wěn)定狀態(tài)；各剖面錨索安全系數(shù)在階段二下處于1.5-2.0，只有少數(shù)的幾個錨索在1.8以上。以剖面3的二、三道錨索為例進(jìn)行分析，在一階段、二階段的安全系數(shù)法分別為1.9、1.6，相對于前期的安全系數(shù)明顯的降低且已無法滿足一級基坑安全系數(shù)要求。

綜上分析，相對于階段一的錨索安全系數(shù)階段二存在一定的下降趨勢，且已無法滿足設(shè)計規(guī)范的安全要求，深基坑的整體穩(wěn)定性在階段二下有所下降，從而使得基坑存在安全隱患。因此，在后續(xù)主體施工階段應(yīng)加強(qiáng)對基坑的監(jiān)測，嚴(yán)格控制周邊施工荷載并做好相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案。

4 結(jié) 論

1)樁體位移和樁體的埋深之間存在負(fù)相關(guān)性，即埋深越大則位移變化越小，樁體的側(cè)斜模式在不同階段下與“懸臂梁”類似。另外，樁體位移增長速率在基坑土方開挖期較大，隨著擱置時間的推移而逐漸放緩并趨于穩(wěn)定。

2)短邊方向上監(jiān)測點的樁頂水平位移增量在基坑擱置前遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于擱置后，所對應(yīng)的水平位移分別為3.5、5.7mm和20.7、19.6mm，增長了約5.9、3.4倍；在長邊方向上監(jiān)測點的樁頂水平位移增量在基坑擱置前后的基本相同，短邊方向的樁體變形受基坑長期擱置的影響更大。

3)根據(jù)穩(wěn)定性評估結(jié)果，基坑在安全維護(hù)階段處于穩(wěn)定狀態(tài)，而樁頂水平位移在后續(xù)主體施工階段趨近于報警值，該階段的整體穩(wěn)定性明顯下降且大部分錨索的安全系數(shù)已無法滿足規(guī)范要要求，在后續(xù)主體施工階段應(yīng)加強(qiáng)對基坑的監(jiān)測，嚴(yán)格控制周邊施工荷載并做好相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案。