復(fù)雜環(huán)境軟土基坑支護(hù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

鄭 穩(wěn)

(福建省建設(shè)工程質(zhì)量安全總站 福建福州 350000)

0 引言

隨著城市快速發(fā)展和城市土地資源的日益緊張，越來越多的“老破小”建筑物被拆除，在原址上新建高層建筑，致使大量基坑孕育而生[1-3]。與傳統(tǒng)基坑相比，現(xiàn)有基坑地處市中心，周邊已經(jīng)存在大量建筑，施工場(chǎng)地受限。同時(shí)，在拆除建筑原址施工基坑，受原建筑工程地質(zhì)、遺留管樁等的影響，無疑給基坑的施工增加了難度和風(fēng)險(xiǎn)。為此，尋求一種適應(yīng)現(xiàn)有復(fù)雜環(huán)境軟土下基坑開挖的支護(hù)技術(shù)，對(duì)城市未來建筑的健康良性發(fā)展具有突出意義。

本文以福州某基坑為研究背景。首先，通過對(duì)比分析現(xiàn)有基坑開挖支護(hù)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，確定適合本工程背景的最優(yōu)支護(hù)方法，進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)；其次，利用有限元，對(duì)所設(shè)計(jì)的支護(hù)方案進(jìn)行可行性分析；最后，結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)所提基坑開挖支護(hù)方式的可行性和適用性進(jìn)行論證分析，為后續(xù)同類型基坑的開挖提供借鑒與參考。

1 工程背景

福州某地塊位于福州市鼓樓區(qū)工業(yè)路東側(cè)，與西禪寺隔路相望。本工程±0.00為羅零8.10 m，現(xiàn)有地面標(biāo)高約處羅零6.90 m，設(shè)有三層地下室，開挖深度約12.5 m。場(chǎng)地東側(cè)為在建的融信瀾郡小區(qū)，北側(cè)和南側(cè)均為規(guī)劃路。場(chǎng)地土自上而下依次為：雜填土→粉質(zhì)粘土→淤泥→粉(砂)質(zhì)粘土→淤泥質(zhì)土→粉質(zhì)粘土→殘積砂質(zhì)粘性土→全風(fēng)化巖→砂土狀強(qiáng)風(fēng)化巖→碎裂狀強(qiáng)風(fēng)化巖→中風(fēng)化巖，軟基特性明顯且復(fù)雜。同時(shí)，場(chǎng)地基坑開挖范圍內(nèi)存在地下水，水位變幅1 m～1.5 m，東側(cè)為福州市內(nèi)河。這些都將使基坑內(nèi)部土體的物理特性發(fā)生改變，增大安全風(fēng)險(xiǎn)。

該場(chǎng)地周邊建筑物眾多，極大壓縮了基坑開挖的作業(yè)空間?；娱_挖過程中，支護(hù)的好壞，將直接影響周邊建筑的使用安全。同時(shí)，場(chǎng)地為“老破小”小區(qū)拆遷所得，雖然上部結(jié)構(gòu)已經(jīng)拆除，但下部結(jié)構(gòu)尚未進(jìn)行相關(guān)處置，因而場(chǎng)地內(nèi)分布大量原建筑的樁基礎(chǔ)。通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和查閱相關(guān)圖紙可知，原建筑散布樁基礎(chǔ)的深度，大約與本工程基坑開挖深度基本相同，進(jìn)一步增大了基坑施工的難度，影響著新建筑樁基、支護(hù)結(jié)構(gòu)樁基的施工進(jìn)程。

2 支護(hù)結(jié)構(gòu)方案比選及設(shè)計(jì)

2.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)比選

鑒于本工程場(chǎng)地工程地質(zhì)和施工作業(yè)環(huán)境的特殊性，以及施工工期的相關(guān)要求，該基坑開挖過程需要滿足以下條件：

(1)需在場(chǎng)地有限空間范圍內(nèi)，盡可能提供較大的基坑開挖和后期樁基礎(chǔ)施工作業(yè)面，確保按照業(yè)主的施工進(jìn)度要求，保證主樓的施工進(jìn)度不受基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，使主樓盡快先出地面；

(2)為減少基坑開挖工期和基坑暴露時(shí)間，先不處理原建筑散布的樁基礎(chǔ)，待基坑開挖過程中，視樁長(zhǎng)情況進(jìn)行清理；

(3)本工程的樁基，需在基坑開挖至設(shè)計(jì)深度后再進(jìn)行施工。

常用的支護(hù)結(jié)構(gòu)形式有SMW工法[4]、鋼板樁法[5]、地下連續(xù)墻法[6]和鉆孔灌注樁法[7]。SMW工法和鋼板樁法的剛度小，需設(shè)置多道水平支撐。且本工程場(chǎng)地風(fēng)化巖面變化大，埋深淺，因而SMW工法和鋼板樁法均不宜采用；地下連續(xù)墻法雖然能滿足本工程支護(hù)要求，但造價(jià)較高，工期較長(zhǎng)，對(duì)本工程而言，不是理想的支護(hù)方式；鉆孔灌注樁法樁身剛度大，可根據(jù)不同地質(zhì)條件選擇不同的樁徑，從而適應(yīng)不同的地質(zhì)條件。

考慮到上述四種支護(hù)方式的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合本工程特殊場(chǎng)地條件與工程地質(zhì)條件，本工程宜采用鉆孔灌注樁法。

2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)原則

由于本工程先開挖基坑，再進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)的樁基施工，因此需要最大限度地保證地下施工平面及后期樁基施工機(jī)械的凈空要求。結(jié)合本工程地下結(jié)構(gòu)物特點(diǎn)為三層地下室，開挖深度達(dá)12.5 m，而樁基礎(chǔ)施工機(jī)械通常要求10 m凈高。因此，本工程場(chǎng)地基坑開挖過程采用的支護(hù)方式，需能夠盡量保證支撐結(jié)構(gòu)不會(huì)占用基坑上方空間。

綜上，本工程基坑支護(hù)采用鋼筋混凝土內(nèi)撐式排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)。由于本工程場(chǎng)地條件特殊，同時(shí)業(yè)主對(duì)工期有特殊的要求，需對(duì)本工程的支護(hù)體系進(jìn)行優(yōu)化，所采用的支護(hù)體系應(yīng)具有以下兩方面特點(diǎn)：

(1)最大化立面空間作用面。減少鋼筋混凝土圈梁的道數(shù)。本工程支護(hù)體系支撐僅采用一道鋼筋混凝土圈梁；

(2)最大化平面空間作業(yè)面。結(jié)合業(yè)主工期要求，確保主樓先出地面且不受支護(hù)體系的影響，即保證支護(hù)體系中的混凝土結(jié)構(gòu)體系不會(huì)占用主樓的平面位置。從受力最優(yōu)、平面空間最大原則出發(fā)，鋼筋混凝土圈梁結(jié)構(gòu)形式采用圓形形式，保證圈梁內(nèi)部支撐、節(jié)點(diǎn)盡量稀疏。

2.3 基坑設(shè)計(jì)方案

基坑圈梁和環(huán)梁布置見圖1，施工現(xiàn)場(chǎng)照片見圖2。圍護(hù)樁采用鉆孔灌注樁。圍護(hù)樁與圍護(hù)樁之間的外側(cè)均采用雙重管高壓旋噴樁擋土止水。支撐柱采用格構(gòu)式鋼柱與鉆孔灌注樁形成組合樁。以碎裂狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖為持力層，樁端需進(jìn)入持力層的深度不少于5.0 m。

圖1 基坑支護(hù)方案

圖2 現(xiàn)場(chǎng)照片

由于基坑?xùn)|側(cè)有軟土淤泥較厚、土壓力較大，且周邊有新建高層住宅小區(qū)，基坑發(fā)生失穩(wěn)坍塌的風(fēng)險(xiǎn)較高，因此基坑?xùn)|側(cè)鉆孔灌注樁采用φ1100 mm樁徑，樁中心距采用1400 mm。其余位置鉆孔灌注樁采用φ900 mm樁徑，樁中心距采用1200 mm。圍護(hù)樁與圍護(hù)樁之間的外側(cè)均采用φ600 mm樁徑的雙重管高壓旋噴樁，進(jìn)行擋土止水。

由于本工程基坑場(chǎng)地部分區(qū)域裸露，且該地層工程地質(zhì)多為殘積土，遇水容易松軟，失去承載能力，同時(shí)可能出現(xiàn)流泥、流沙等，造成基坑底部承載能力喪失。為了降低基坑發(fā)生水毀的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)行基坑降排水設(shè)計(jì)優(yōu)化。雜填土的上層滯水水量有限，可采用明排疏干。針對(duì)殘積土及風(fēng)化巖存在的裂隙承壓水，易使基坑開挖時(shí)殘積土及風(fēng)化巖遇水發(fā)生軟化。為確?；油练介_挖干作業(yè)進(jìn)行，在基坑內(nèi)部及周邊布置降水管井以降低承壓水頭。

3 有限元分析

3.1 有限元模型

為了減小基坑開挖過程中出現(xiàn)安全事故，同時(shí)為了更為準(zhǔn)確地掌握本文優(yōu)化設(shè)計(jì)的復(fù)雜環(huán)境軟土基坑開挖支護(hù)方式的變形規(guī)律和受力特性，采用專業(yè)有限元軟件MIDAS GTS NX，對(duì)本工程基坑開挖進(jìn)行有限元分析，有限元模型如圖3所示。

圖3 有限元模型

支護(hù)結(jié)構(gòu)中的圈梁、環(huán)梁、支撐柱等，均采用足尺進(jìn)行幾何模型的建立。土體范圍的確定以減少土體邊界條件對(duì)有限元分析結(jié)果影響為原則，因而有限元整體幾何尺寸為450 m×350 m；土體最大深度位置宜距離樁底長(zhǎng)度應(yīng)大于樁徑的3倍以上，因而有限元模型高度取150 m。

支護(hù)結(jié)構(gòu)中的圈梁、環(huán)梁、支撐柱，以及開挖土體和周邊土體均采用六面體單元，采用滑動(dòng)庫侖摩擦模型模擬支護(hù)結(jié)構(gòu)與土體的接觸方式。在保證計(jì)算精度和分析結(jié)果具有代表性的前提下，進(jìn)行網(wǎng)格分區(qū)域劃分，支護(hù)結(jié)構(gòu)和土體相交范圍內(nèi)采用精細(xì)網(wǎng)格，其它非重點(diǎn)關(guān)注位置采用稀疏網(wǎng)格。

支護(hù)結(jié)構(gòu)中圈梁、環(huán)梁、支撐柱的混凝土本構(gòu)關(guān)系，采用Drucker-Prager模型，本構(gòu)模型的詳細(xì)參數(shù)按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]確定。由文獻(xiàn)[9]可知，土體由于具有多元性和復(fù)雜性，使得本構(gòu)關(guān)系異常復(fù)雜。對(duì)于本文而言，研究的重點(diǎn)是確定支護(hù)結(jié)構(gòu)的合理性，因而本文根據(jù)文獻(xiàn)[9]的相關(guān)簡(jiǎn)化方法，對(duì)土體本構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)簡(jiǎn)化，采用彈塑性土體本構(gòu)模型和Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則模擬土體應(yīng)力-應(yīng)變相關(guān)關(guān)系。土體本構(gòu)相關(guān)參數(shù)取值根據(jù)本工程地質(zhì)勘察報(bào)告進(jìn)行確定，如表1所示。

表1 土層計(jì)算參數(shù)

有限元分析模型的邊界條件，采用土體四周約束水平方向位移，土體底部約束三維方向位移。圈梁與圍護(hù)樁、圈梁與支撐柱等之間的接觸，采用命令“Tie”進(jìn)行綁定。初始條件考慮結(jié)構(gòu)自身的重量和邊界條件。

3.2 分析結(jié)果

圖4給出了最不利工況下，基坑周邊土體位移云圖。由圖可見，基坑開挖完成后，土體坡頂水平方向和豎直方向位移達(dá)到最大，分別為28.4 mm和28.5 mm。由于兩側(cè)工程地質(zhì)和圍護(hù)樁的尺寸存在差異，因而土體變形呈現(xiàn)出不對(duì)稱?；娱_挖完成后，越接近基坑中心，基坑周邊土體沉降越大。此外，由圖4(c)可以看出，基坑底部土體回彈不明顯，說明本文提出的復(fù)雜環(huán)境軟土基坑開挖支護(hù)能夠較好地約束基坑周邊土體。

(a)水平(X方向)

(b)水平(Y方向)

(c)豎向(Z方向)圖4 土體位移云圖(單位：mm)

分析表明，最不利工況下，圈梁和環(huán)梁所受最大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力分別為1.1 MPa和12.4 MPa，均小于文獻(xiàn)[8]規(guī)定的設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度(2.20 MPa)和設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度(16.7 MPa)。除較少部分因?yàn)槭┕し奖阍斐傻膸缀巫兓鸬膽?yīng)力集中外，圈梁和環(huán)梁應(yīng)力分布較為均勻?？梢?，本文提出的復(fù)雜環(huán)境軟土基坑開挖支護(hù)體系中的圈梁和環(huán)梁，具有良好的受力性能。

此外，通過有限元分析還得出，最不利工況下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移發(fā)生在基坑底部附近，為28.8 mm，支撐撐立柱最大沉降為19.8 mm。

4 基坑開挖監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

本工程基坑場(chǎng)地地處復(fù)雜軟土地基，周邊土體水系發(fā)達(dá)，周邊建筑物眾多，因而基坑開挖過程中，對(duì)周邊土體的變形控制的好壞，直接影響周邊建筑物的使用功能，同時(shí)也事關(guān)基坑開挖安全。此外，本工程基坑開挖支護(hù)采用鋼筋混凝土內(nèi)撐式排樁支護(hù)，僅在基坑頂部布設(shè)一道的橫向框梁支撐，而且地下室樁基施工采用逆作法，先開挖再施工樁基，增加了基坑暴露的周期。為了保證本工程場(chǎng)地基坑開挖的安全性，同時(shí)也為了驗(yàn)證本文所提基坑開挖支護(hù)結(jié)構(gòu)的有效性與適用性，項(xiàng)目在基坑開挖過程中，對(duì)周邊土體、支護(hù)體系和周邊建筑物進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析。

根據(jù)本工程場(chǎng)地的工程地質(zhì)和基坑開挖支護(hù)方式，基坑開挖過程中的主要監(jiān)測(cè)對(duì)象和內(nèi)容包括：①土體深層水平位移(測(cè)斜)監(jiān)測(cè)；②基坑坡頂水平位移和沉降監(jiān)測(cè)；③支撐立柱沉降監(jiān)測(cè)；④周邊建筑沉降監(jiān)測(cè)。

圖5給出了工程基坑開挖過程中，周邊土體深層水平位移累計(jì)的最大位移。由圖可見，土體深層水平位移累計(jì)最大位移范圍為18.35 mm～30.73 mm，其中最大值30.73 mm(小于設(shè)計(jì)預(yù)警值45 mm)，滿足規(guī)范要求。圖6為累計(jì)位移最大值所在測(cè)點(diǎn)的土體深層位移監(jiān)測(cè)結(jié)果?？梢娡馏w開挖完成后，該測(cè)點(diǎn)變形速率逐漸減小并趨于穩(wěn)定。由此可見，采用支護(hù)對(duì)本工程土體變形進(jìn)行約束。具有良好的可靠度。

此外，基坑坡頂累計(jì)水平位移和沉降位移分別為12.51 mm～29.40 mm和28.61 mm～29.99 mm，小于設(shè)計(jì)預(yù)警值30 mm。雖然基坑坡頂累計(jì)水平位移和沉降位移逼近設(shè)計(jì)值，但是土體開挖完成后，變形速率逐漸減小并趨于穩(wěn)定，支護(hù)結(jié)構(gòu)處于安全使用狀態(tài)。基坑坡頂變形實(shí)測(cè)與有限元計(jì)算結(jié)果誤差為5.2%，實(shí)測(cè)大于有限元結(jié)果的原因，主要是基坑開挖過程中，坑邊可能存在堆載情況，這也是基坑坡頂變形逼近設(shè)計(jì)值的重要因素之一。

基坑開挖及地下室開挖期間，對(duì)場(chǎng)地東側(cè)2座小區(qū)住宅樓及西北側(cè)售樓部進(jìn)行了沉降監(jiān)測(cè)。結(jié)果表明，各建筑累計(jì)沉降小，在規(guī)范允許范圍內(nèi)。同時(shí)，同一建筑物不同沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)所得結(jié)果基本相等，差值不超過15.5%。說明基坑開挖過程中，周邊建筑整體均勻沉降，不存在傾覆倒塌的風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 土體深層位移監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖6 最大位移測(cè)點(diǎn)土體深層位移監(jiān)測(cè)結(jié)果

5 結(jié)論

(1)基于本工程特殊工程地質(zhì)和施工環(huán)境，以及業(yè)主對(duì)施工工期和施工進(jìn)度的特殊要求，提出并設(shè)計(jì)適合復(fù)雜環(huán)境軟土基坑開挖的支護(hù)方法，既能優(yōu)化施工工序、縮短工期，又能保證基坑開挖安全，可為后續(xù)其它同類型基坑工程提供借鑒和參考。

(2)有限元分析結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果較為接近，說明采用本文所建立有限元模型進(jìn)行基坑開挖過程模擬的可行性。

(3)通過有限元和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，驗(yàn)證了所提出的復(fù)雜環(huán)境軟土基坑開挖的支護(hù)方法，能夠有效控制基坑開挖過程中土體的變形，同時(shí)支護(hù)體系中的圍護(hù)樁、圈梁和環(huán)梁等的受力性能滿足規(guī)范要求，具有較好的適用性。