圍護(hù)樁嵌固深度與基坑穩(wěn)定性研究

張軍賢，張軍華，甘堅強(qiáng)，胡忠經(jīng)，白 云，王清標(biāo)

(1.臺州職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院，浙江 臺州 318000；2.臺州技師學(xué)院(籌)，浙江 臺州 318000；3.山東科技大學(xué)煤礦充填開采國家工程實驗室-礦山災(zāi)害預(yù)防控制重點實驗室，山東 青島 266590；4.山東正元地質(zhì)資源勘查有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250000)

0 引言

隨著城市的進(jìn)一步發(fā)展，地下空間在我國受到青睞，深基坑工程隨之產(chǎn)生，圍護(hù)樁支護(hù)體系因其施工方便、安全可靠等優(yōu)勢廣泛應(yīng)用到深基坑工程中。但由于我國幅員遼闊，各地區(qū)地層差異明顯，因深基坑圍護(hù)樁嵌固深度不滿足要求導(dǎo)致的基坑失穩(wěn)事故屢屢發(fā)生，眾多專家、學(xué)者對圍護(hù)樁嵌固深度開展了大量的研究工作。

高新南[1]等依托地鐵車站深基坑工程，研究了圍護(hù)樁嵌固深度與樁頂位移、支撐內(nèi)力等之間的內(nèi)在聯(lián)系，得到隨著圍護(hù)樁嵌固深度的增加，樁頂水平位移量并不是呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)的特點，當(dāng)嵌固深度達(dá)到一定數(shù)值后，樁頂水平位移量與嵌固深度幾乎無關(guān)。徐中華[2]采用現(xiàn)場監(jiān)測、數(shù)值模擬等方法，研究了圍護(hù)樁嵌固深度與內(nèi)支撐位置、道數(shù)以及排列等影響因素之間的關(guān)系；徐中華等[3]以旋挖樁為研究對象，研究了樁頂水平位移與基坑開挖卸荷之間的關(guān)系，得到樁頂水平位移與基坑深度之間的關(guān)系近似為(0.1%～1.0%)hw；陳雪峰[4]以武漢天河機(jī)場為工程背景，研究了基坑安全系數(shù)、水平位移及地表沉降與圍護(hù)樁嵌固深度之間的關(guān)系，優(yōu)化了圍護(hù)樁的嵌固深度；王新[5]等采用數(shù)值模擬的方法，研究了圍護(hù)樁應(yīng)力變化、樁頂水平位移與嵌固深度之間的關(guān)系；劉吉波[6]等基于某地鐵隧道深基坑工程，采用數(shù)值模擬的方法，研究了圍護(hù)樁樁身應(yīng)力、不同位置處的側(cè)移量與嵌固深度之間的關(guān)系，得到當(dāng)嵌固深度在一定的范圍內(nèi)，隨著圍護(hù)樁嵌固深度的增加，樁頂水平位移量逐漸減小，同時樁頂?shù)乃轿灰浦赶蚧觾?nèi)側(cè)，樁底的水平位移指向基坑外側(cè)；高謳[7]采用ABAQUS模擬軟件，研究了微型樁與基坑開挖卸荷之間的關(guān)系，得到正彎矩與基坑開挖深度呈正相關(guān)，負(fù)彎矩在一定開挖范圍內(nèi)呈正相關(guān)，之后呈負(fù)相關(guān)；王偉[8]基于杭州地鐵砂質(zhì)地層深基坑工程項目，研究了深基坑開挖之后的土壓力分布規(guī)律，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)得到由于基坑外降水措施使粉砂土體具有一定的自穩(wěn)定，導(dǎo)致實測土壓力趨近于零。張軍賢，王清標(biāo)[9]采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場檢測等方法，得到深基坑開挖之后的地表最大沉降位置、最大沉降量、圍護(hù)樁受力反彎點位置及支護(hù)結(jié)構(gòu)最大變形位置。

綜上，國內(nèi)外專家、學(xué)者采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測的方式，研究了深基坑圍護(hù)樁的內(nèi)力、樁頂側(cè)向位移與圍護(hù)樁嵌固深度之間的關(guān)系。但是，由于我國幅員遼闊，各地地層水文地質(zhì)條件千差萬別，針對不同的深基坑開挖工況，可以得到不同的變化規(guī)律。因此，基于武漢天河機(jī)場黏土夾碎石層地段開展深基坑圍護(hù)樁嵌固深度與基坑穩(wěn)定性研究是有必要的。

1 工程概況

本工程位于河北省武漢市，擬建地下通道1240 m，是武漢天河機(jī)場的重要組成部位，圍護(hù)方案初步設(shè)計為鉆孔灌注樁+放坡的形式進(jìn)行支護(hù)，內(nèi)撐設(shè)置道數(shù)為1～3，隧道安全等級見表1。

表1 隧道安全等級

1.1 工程地質(zhì)條件

本工程地貌為沖積平原隴崗及崗間坳谷地；地形特點為坡度緩，無滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害；無活動性斷裂帶，未發(fā)現(xiàn)強(qiáng)震構(gòu)造；所選基坑開挖研究段由上至下土層主要為雜填土、素填土、粉質(zhì)黏土、黏土、黏土夾碎石、泥質(zhì)砂巖等，局部存在淤泥質(zhì)黏土，主要分布于溝塘底部?；娱_挖應(yīng)注意淤泥質(zhì)黏土層位可能引起局部坍塌。黏土和黏土夾碎石土層工程性能較好，可作為基礎(chǔ)持力層使用，但有可能出現(xiàn)不均勻的弱膨脹，施工中應(yīng)做好防水保濕。泥質(zhì)砂巖層分布幾乎全場可見，壓縮性較低，可作為圍護(hù)樁的主要受力層。

根據(jù)室內(nèi)試驗成果及相關(guān)工程案例，根據(jù)工程勘查報告得到設(shè)計參數(shù)取值(表2)。

表2 設(shè)計參數(shù)取值

1.2 水文地質(zhì)條件

地表水：基坑開挖場地分布有地溝和塘，主要補(bǔ)給來源為降水、徑流和人為因素，水深為0.2～2 m，水深及水流量主要受到自然降水和施工等人為因素的影響，在大開挖過程中，應(yīng)將在場地范圍內(nèi)采用降水措施。

地下水：基坑開挖段地下水主要有素填土中的滯水、孔隙水，查看勘查報告得知地下水高程為22.13～33.03 m，主要來源為降水及人為排水，抗浮設(shè)防水位建議高程32.5 m。

2 圍護(hù)樁嵌固深度分析

2.1 圍護(hù)樁及內(nèi)支撐設(shè)計

根據(jù)勘查報告可知，N1DK3+98.6～N1DK3+120段廣泛分布有黏土夾碎石土層，且深度在10～18 m之間，本工程基坑深度為9～11 m，圍護(hù)樁嵌固段正好落在此土層，因此選用此段作為研究對象。

采用FRWS模擬軟件對不同嵌固深度的圍護(hù)樁進(jìn)行內(nèi)力分析，整體穩(wěn)定性、抗傾覆、墻底抗隆起、地表沉降等情況進(jìn)行計算。研究段基坑開挖深度為h=10.04 m，依據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程(JGJ120-2012)》，當(dāng)基坑圍護(hù)采用單支點時，嵌固深度應(yīng)滿足構(gòu)造要求：h′≥0.30h，即嵌固深度構(gòu)造長度為h′≥3.3 m。根據(jù)類似工程，圍護(hù)樁嵌固段長度初步采用5.0 m、8.0 m、10.0 m三種情況進(jìn)行初算，計算模型見圖1。

圖1 嵌固深度計算模型

2.2 計算結(jié)果及分析

2.2.1 內(nèi)力及位移分析

根據(jù)計算結(jié)果，將嵌固深度為5 m、8 m及10 m時圍護(hù)樁的內(nèi)力值用柱狀圖(圖2)表示。

由圖2可知：① 當(dāng)圍護(hù)樁嵌固深度為8 m時，抗力值最大，抗力最大值與嵌固深度先表現(xiàn)出正相關(guān)的特點，隨著嵌固深度的進(jìn)一步增加，又表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)的特點(圖2a)；② 最大位移值與嵌固深度呈負(fù)相關(guān)，出現(xiàn)最大位移值的位置變化較小(圖2b)；③ 隨著圍護(hù)樁嵌固深度的增加，圍護(hù)樁的彎矩最大值與嵌固深度呈負(fù)相關(guān)，且嵌固深度從5 m變化到8 m時，圍護(hù)樁彎矩最大值變化較大，而嵌固深度從8 m變化到10 m時，圍護(hù)樁彎矩最大值變化較緩(圖2c)；④ 隨著圍護(hù)樁嵌固深度的增加，圍護(hù)樁所受剪力的最大值也逐漸增大(圖2d)。

圖2 圍護(hù)樁內(nèi)力示意圖

2.2.2 整體穩(wěn)定性分析

分析模擬結(jié)果可知，基坑整體穩(wěn)定性安全系數(shù)見表3。由表3可知，隨著嵌固深度的不斷增大，基坑整體穩(wěn)定性安全系數(shù)也逐漸增大，表現(xiàn)出非線性正相關(guān)的特點，嵌固深度都滿足規(guī)范要求。

表3 基坑整體穩(wěn)定性系數(shù)

2.2.2.1 坑底抗隆起分析

分析模擬結(jié)果可知，坑底抗隆起安全系數(shù)見表4。由表4可知，當(dāng)嵌固深度為5.0 m時，安全系數(shù)計算結(jié)果為1.71，小于規(guī)范1.9的要求，嵌固深度為8.0 m和10.0 m時，安全系數(shù)計算結(jié)果分別為1.94和2.09，滿足規(guī)范要求，考慮經(jīng)濟(jì)效益，嵌固深度選取8.0 m。

表4 坑底抗隆起安全系數(shù)

2.2.2.2 墻底抗隆起分析

分析模擬結(jié)果可知，墻底抗隆起安全系數(shù)見表5。由表5可知，嵌固深度為5.0 m、8.0 m和10.0 m時，墻底抗隆起安全系數(shù)分別為2.73、2.87和2.94，隨著嵌固深度的不斷增大，墻底抗隆起安全系數(shù)也逐漸增大，表現(xiàn)出非線性正相關(guān)的特點，均滿足規(guī)范要求。

表5 墻底抗隆起安全系數(shù)

2.2.2.3 抗傾覆分析

圍護(hù)樁抗傾覆計算簡圖見圖3，假想圍護(hù)樁發(fā)生轉(zhuǎn)動時的轉(zhuǎn)動點為A(樁體前趾)，受力分析之后得到：

圖3 圍護(hù)樁抗傾覆計算簡圖

(1)

式中：MSk為坑外側(cè)土壓力、水壓力以及墻后地面荷載所產(chǎn)生的側(cè)壓力對墻底前趾的傾覆力矩標(biāo)準(zhǔn)值(kN·m)。

MSk=FaZa+FwZw

(2)

式中：MRk為水泥圍護(hù)樁自重即坑內(nèi)墻前被動側(cè)壓力對墻底前趾的穩(wěn)定力矩標(biāo)準(zhǔn)值(KN·m/m)。

MRk=FpZp+GkB/2

(3)

式中：Gk為水泥圍護(hù)樁的自重標(biāo)準(zhǔn)值(kN)。

分析模擬結(jié)果可知，抗傾覆安全系數(shù)見表6。由表6可知，計算所得的嵌固深度為5.0 m、8.0 m、和10.0 m時，抗傾覆安全系數(shù)分別為1.31、1.43和1.51，都滿足規(guī)范要求。

表6 抗傾覆安全系數(shù)

2.2.2.4 地表沉降分析

分析模擬結(jié)果，地表沉降見圖4。由圖4可知，嵌固深度5.0 m、8.0 m、10.0 m對應(yīng)的最大沉降值分別是18.8 mm、15.6 mm、13.7 mm，即最大沉降值與嵌固深度之間表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)的特點。

圖4 地表沉降計算結(jié)果

依據(jù)上述內(nèi)力、位移、整體穩(wěn)定性、坑底抗隆起、墻底抗隆起、抗傾覆以及地表沉降分析等可知，嵌固深度為5 m時，坑底抗隆起安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求，因此設(shè)計時不可取。嵌固深度采用8.0 m和10.0 m時都可以滿足規(guī)范要求，設(shè)計時都可以選用，考慮到技術(shù)可行與經(jīng)濟(jì)效益，該斷面圍護(hù)樁嵌固深度選取8 m。此外，在基坑開挖卸荷過程中，要根據(jù)規(guī)范要求，及時正確安裝內(nèi)撐，對基坑實施降水措施，盡快開挖，減少暴露時間。

3 現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果與計算結(jié)果對比分析

3.1 圍護(hù)樁樁頂水平位移分析

根據(jù)規(guī)范要求和現(xiàn)場開挖情況，在圍護(hù)樁冠梁上每隔15 m設(shè)置1個位移監(jiān)測點，監(jiān)測頻率為1次/天，數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果見圖5。

圖5 樁頂水平位移示意圖

對比分析圖5所示的樁頂水平位移監(jiān)測值和數(shù)值模擬計算值可知，監(jiān)測值和計算值擬合程度較好，圍護(hù)樁頂?shù)淖畲笏轿灰票O(jiān)測值為8.77 m，計算值為8.51 mm，平均誤差為3.05%。主要誤差來源：① 施工過程中的外荷載稍微大于模擬計算的假設(shè)值；② 施工過程中，基坑周圍存在動荷載。故在進(jìn)行進(jìn)坑開挖卸載過程中，需要嚴(yán)格控制周圍施工機(jī)械、運(yùn)輸車輛的荷載值，嚴(yán)禁超載、不按照施工道路行駛等現(xiàn)象的發(fā)生，確保施工過程符合規(guī)范和設(shè)計要求，控制基坑水平側(cè)位移，保障基坑開挖的安全。

3.2 圍護(hù)樁深層水平位移分析

根據(jù)規(guī)范要求和現(xiàn)場開挖情況，合理設(shè)置監(jiān)測孔，監(jiān)測頻率為1次/天，監(jiān)測采用的儀器為：CX-3C系列測斜儀，數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果見圖6。

對比分析圖6所示的深層水平位移監(jiān)測值和數(shù)值模擬計算值可知，監(jiān)測值和計算值擬合程度較好，圍護(hù)樁深層最大水平位移監(jiān)測值為15.86 m，計算值為15.29 mm，平均誤差為2.51%。誤差來源主要是在開挖卸載過程中，圍護(hù)樁保護(hù)層受到了不同程度的破壞，故在施工過程中，應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范和設(shè)計要求， 控制好機(jī)械施工與基坑側(cè)壁之間的距離，保證圍護(hù)樁在開挖時不受或盡量少受到破壞，確?；拥拈_挖安全。

圖6 深層水平位移示意圖

4 結(jié)論

1)在黏土夾碎石層，基坑整體穩(wěn)定性、坑底抗隆起、墻底抗隆起、抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)以及最大沉降量隨著圍護(hù)樁嵌固深度的增加呈非線性增大的趨勢。

2)圍護(hù)樁嵌固深度為8 m和10 m時，基坑整體穩(wěn)定性、坑底抗隆起、墻底抗隆起、抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)以及最大沉降量都滿足規(guī)范要求，綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益，本工程圍護(hù)樁嵌固深度選取長度為8 m。

3)對比分析現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬計算結(jié)果可知，圍護(hù)樁樁頂水平位移和深層水平位移監(jiān)測值與數(shù)值模擬計算值擬合較好，平均誤差較小，可為相關(guān)工程提供借鑒。