不良地質(zhì)條件下深基坑開(kāi)挖咬合樁支護(hù)安全性分析

賈正興

【摘 要】文章針對(duì)傳統(tǒng)分析方法在對(duì)不良地質(zhì)條件下深基坑開(kāi)挖咬合樁支護(hù)安全性進(jìn)行分析時(shí)，存在分析得出的評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際支護(hù)安全系數(shù)相差較大，無(wú)法為施工提供有效數(shù)據(jù)依據(jù)問(wèn)題，開(kāi)展對(duì)分析方法的設(shè)計(jì)研究。通過(guò)獲取不良地質(zhì)條件深基坑開(kāi)挖咬合樁支護(hù)施工數(shù)據(jù)、劃分咬合樁支護(hù)安全性預(yù)警閾值、基于邊界條件計(jì)算咬合樁支護(hù)安全系數(shù)，提出一種全新的分析方法。通過(guò)對(duì)比測(cè)試證明，新的分析方法與傳統(tǒng)分析方法相比得出的分析評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果相符，分析結(jié)果的準(zhǔn)確性更高。

【關(guān)鍵詞】不良地質(zhì)條件;深基坑開(kāi)挖;咬合樁;支護(hù)安全性;分析方法

【中圖分類(lèi)號(hào)】TP391 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2022）03-0070-04

0 引言

我國(guó)相關(guān)建筑施工文件標(biāo)準(zhǔn)提出，深度超過(guò)6.0 m基坑，或深度不超過(guò)6.0 m但具有支護(hù)結(jié)構(gòu)的基坑，被統(tǒng)稱(chēng)為深基坑。在建筑施工過(guò)程中，為了確?；邮┕さ捻樌麑?shí)施，避免基坑主體結(jié)構(gòu)遭到周邊地質(zhì)環(huán)境的影響而被破壞，保障其安全性，通常會(huì)在深基坑內(nèi)采用增設(shè)支護(hù)結(jié)構(gòu)、防水層等方式，進(jìn)行基坑的開(kāi)挖與回填工作，保障施工安全[1]。隨著我國(guó)建筑產(chǎn)業(yè)相關(guān)施工文件內(nèi)容的逐步標(biāo)準(zhǔn)化，建筑工程施工的實(shí)施逐步向合理化與規(guī)范化方向推進(jìn)。但在此過(guò)程中，考慮到深基坑施工與其他工程項(xiàng)目存在環(huán)境差異，例如深基坑施工地質(zhì)環(huán)境相對(duì)復(fù)雜、容易受到地下水的干擾與影響等，不良地質(zhì)條件對(duì)深基坑施工具有一定的影響[2]。因此，施工方提出了一種在基坑開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)其進(jìn)行咬合樁支護(hù)的方法，提高施工的安全性和穩(wěn)定性。在施工過(guò)程中，使用機(jī)械設(shè)備在基坑內(nèi)鉆孔，此時(shí)多個(gè)坑內(nèi)支護(hù)樁呈現(xiàn)一種重合咬緊結(jié)構(gòu)，相比常規(guī)的支護(hù)結(jié)構(gòu)，此種支護(hù)結(jié)構(gòu)具有優(yōu)越的防水性能，可以更好地抵御雨水的侵蝕。與連續(xù)防水墻相比，該結(jié)構(gòu)施工造價(jià)成本更低，因此咬合樁支護(hù)已被廣泛應(yīng)用到工程建設(shè)中。但在深入對(duì)此方面的調(diào)查與研究中發(fā)現(xiàn)，大部分基坑工程在使用此種結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工時(shí)，僅考慮咬合部位的防水性能，沒(méi)有關(guān)注到基坑擋土墻對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的外在作用力，因此極易導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)穩(wěn)定性與安全性差的問(wèn)題。為了滿(mǎn)足深基坑施工要求，本研究基于不良地質(zhì)條件下，設(shè)計(jì)一種針對(duì)深基坑開(kāi)挖咬合樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性分析方法，保障深基坑建成后具有更強(qiáng)的穩(wěn)定性與安全性。

1 不良地質(zhì)條件下深基坑開(kāi)挖咬合樁支護(hù)安全性分析方法

1.1 獲取施工數(shù)據(jù)

為了確保咬合樁支護(hù)安全性分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，在開(kāi)展相關(guān)工作前，需要針對(duì)性地獲取工程施工數(shù)據(jù)。本項(xiàng)目為吳圩機(jī)場(chǎng)至隆安段高速路二分部，位于崇左市扶綏縣，起止里程為K19+600～K31+000，全長(zhǎng)11.4 km，主要由橋梁和路基組成。工程施工中，核心工程數(shù)據(jù)如下：路基區(qū)域填方超過(guò)74.0萬(wàn)m2;挖方23.0萬(wàn)m2，清淤換填面積為46.0萬(wàn)m2，橋梁3座共1 369 m（含分離式立交）、涵洞51.0座共2 010.38 m，橋隧比為12%。

項(xiàng)目在實(shí)施過(guò)程中，其控制所屬項(xiàng)目為沙尾左江特大橋，橋址位于廣西崇左市扶綏縣龍頭鄉(xiāng)沙尾村附近，在沙尾渡口下游約300.0 m處跨越左江。其中，橋梁主要結(jié)構(gòu)的跨徑長(zhǎng)度約360.0 m，屬于一種在鋼管與混凝土結(jié)構(gòu)支撐下的提籃拱橋，橋體全長(zhǎng)約968.0 m，跨徑組合為9.0×40.0+360.0+6.0×40.0，是我國(guó)乃至全球最高跨度的橋梁。主橋南北岸拱座基礎(chǔ)均為分離式擴(kuò)大基礎(chǔ)，北岸拱座基礎(chǔ)底設(shè)計(jì)標(biāo)高為66.0 m，左右幅拱座尺寸（長(zhǎng)×寬×高）均為33.0 m×15.7 m×8.5 m，中間不設(shè)連續(xù)梁。

北拱座距離左江岸約15.0 m，基坑自原地面總開(kāi)挖平均深度為18.5 m，放坡空間有限，因此采用四面防滲咬合樁進(jìn)行基坑支護(hù)。咬合樁頂標(biāo)高為80.2 m，沿左右幅基坑四周布設(shè)，單樁直徑為1.5 m，樁中心距為1.25 m，相鄰兩樁咬合25.0 cm。咬合樁采用素砼樁和鋼筋混凝土樁搭配，單側(cè)拱座基坑設(shè)置83根咬合樁，總共設(shè)置166.0根咬合樁。樁頂設(shè)置冠梁，基坑內(nèi)部設(shè)置兩層內(nèi)支撐，四角設(shè)置角撐。

根據(jù)我國(guó)建筑市場(chǎng)《危險(xiǎn)性工程施工安全管理?xiàng)l例》提出的深基坑開(kāi)挖施工要求：在開(kāi)挖深度超過(guò)5.0 m的基坑時(shí)，可將此種類(lèi)型工程認(rèn)定為危險(xiǎn)工程類(lèi)型。通過(guò)上述對(duì)深基坑開(kāi)挖工程工況的描述可知，本工程屬于危險(xiǎn)類(lèi)型工程[3]。根據(jù)《建筑工程深基坑開(kāi)挖支護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ 055—2018）第3.1.3條規(guī)定，本文研究的工程支護(hù)結(jié)構(gòu)，其側(cè)壁安全等級(jí)屬于一級(jí)，安全等級(jí)重要系數(shù)取值1.1。綜上所述，完成對(duì)不良地質(zhì)條件深基坑開(kāi)挖咬合樁支護(hù)施工數(shù)據(jù)的獲取。

1.2 劃分咬合樁支護(hù)安全性預(yù)警閾值

在掌握與工程施工相關(guān)的數(shù)據(jù)后，引進(jìn)數(shù)值模擬法，進(jìn)行咬合樁支護(hù)安全性預(yù)警閾值的規(guī)劃[4]。在工程應(yīng)用中，利用電子計(jì)算機(jī)結(jié)合有限元或有限容積的概念，通過(guò)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示的方法，達(dá)到對(duì)咬合樁支護(hù)安全性問(wèn)題研究的目的。數(shù)值模擬內(nèi)部程序有相應(yīng)的計(jì)算方法，可以模擬較復(fù)雜的施工過(guò)程，通過(guò)計(jì)算將其數(shù)值結(jié)果顯示在熒光屏上，可以看到咬合樁支護(hù)安全性的各種細(xì)節(jié)。根據(jù)數(shù)值結(jié)果結(jié)合工程咬合樁支護(hù)施工要求，在工程現(xiàn)場(chǎng)使用旋挖鉆機(jī)開(kāi)展施工，場(chǎng)地平整至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，采用隔樁跳打的方式施工咬合樁。通過(guò)隔樁跳打方式可以有效避免工程咬合樁支護(hù)施工時(shí)對(duì)相鄰已成樁質(zhì)量產(chǎn)生不利影響，通過(guò)間隔一根樁進(jìn)行施工，保證施工的安全性和穩(wěn)定性。在劃分咬合樁支護(hù)安全性預(yù)警閾值時(shí)，需要結(jié)合數(shù)值模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行有效測(cè)量，然后根據(jù)測(cè)量數(shù)值準(zhǔn)確放樣，保證樁基偏位不超出設(shè)計(jì)和規(guī)范的要求，鉆孔過(guò)程中要注意檢查鉆孔垂直度，確保相鄰樁咬合長(zhǎng)度滿(mǎn)足要求，成孔后要進(jìn)行徹底清孔?？椎撞康某猎謇砀蓛艉?，及時(shí)將混凝土等材料灌注到模子里進(jìn)行澆筑，制成預(yù)定形體。如未能及時(shí)澆筑，需要對(duì)孔口進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)，保證無(wú)沉淀物留存孔底。

只有待所有咬合樁施工完畢，并完成冠梁和第一道內(nèi)支撐施工后，才能進(jìn)行土石方開(kāi)挖。土石方開(kāi)挖采用分層臺(tái)階開(kāi)挖，長(zhǎng)臂挖掘機(jī)進(jìn)行出土，要求施工至各級(jí)內(nèi)支撐時(shí)暫停開(kāi)挖進(jìn)行內(nèi)支撐施工，待內(nèi)支撐完成后方能繼續(xù)向下開(kāi)挖[5]。巖層采用一種新型施工工藝對(duì)其進(jìn)行靜態(tài)爆破施工，具有安全性、環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性、精確性和實(shí)用性。爆破過(guò)程中，沖擊力較小，不具有破壞性，不會(huì)對(duì)周?chē)h(huán)境產(chǎn)生污染，具有較高的分裂精度。在此過(guò)程中，需要使用斜距測(cè)量?jī)x，將測(cè)線(xiàn)的位移進(jìn)行檢測(cè)，在軸力檢測(cè)的支護(hù)架設(shè)前端，為了避免檢測(cè)中結(jié)構(gòu)應(yīng)力過(guò)于集成，可在檢測(cè)過(guò)程中，在軸力與支護(hù)結(jié)構(gòu)中間增設(shè)一個(gè)鋼墊板，降低在模擬應(yīng)力數(shù)值過(guò)程中，支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力值受到不良地質(zhì)條件的干擾[6]。在此過(guò)程中，軸力檢測(cè)儀與支護(hù)結(jié)構(gòu)銜接部分安裝示意圖可參照?qǐng)D1結(jié)構(gòu)布設(shè)。73DE3AA1-EFCA-42F8-833B-0CA4474C5E8B

圖1中：（1）表示深基坑咬合樁鋼結(jié)構(gòu);（2）表示支撐頭;（3）表示軸力檢測(cè)儀;（4）表示加強(qiáng)墊板;（5）表示軸力檢測(cè)儀安裝架;（6）表示軸力檢測(cè)儀托架;（7）表示預(yù)制板。根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，規(guī)劃不同位置咬合樁支護(hù)安全性的預(yù)警閾值[7-8]（見(jiàn)表1）。

設(shè)定咬合樁樁體位置和咬合樁支撐軸力，可以有效測(cè)算咬合樁支護(hù)安全性。劃分深基坑沉降和支護(hù)結(jié)構(gòu)傾斜度閾值，可以有效分析咬合樁的防滲和防水能力。分析相鄰管線(xiàn)轉(zhuǎn)角和管線(xiàn)沉降情況，可以有效防止施工產(chǎn)生基坑裂縫、下塌現(xiàn)象。輸出表1中所有內(nèi)容，以此作為評(píng)價(jià)咬合樁支護(hù)是否處于安全范圍的依據(jù)，從而完成對(duì)安全性預(yù)警閾值的有效劃分。

1.3 基于邊界條件計(jì)算咬合樁支護(hù)安全系數(shù)

在完成上述相關(guān)工作的基礎(chǔ)上，可通過(guò)對(duì)深基坑開(kāi)挖咬合樁支護(hù)邊界條件進(jìn)行分析的方式，對(duì)咬合樁支護(hù)安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算[9]?？紤]到深基坑在不良地質(zhì)條件下，周邊地表層無(wú)固定超載現(xiàn)象，因此在對(duì)深基坑進(jìn)行描述時(shí)，可從自由邊界面對(duì)其進(jìn)行表達(dá)[10]，即深基坑長(zhǎng)邊表示為x，也可將x定義為支護(hù)兩側(cè)的邊界條件，在x方向上施加法向約束作用力，此時(shí)限制邊界出現(xiàn)向x方向的水平位移。為了降低此種沉降現(xiàn)象，在深基坑的底部邊界施加一個(gè)固定約束力，這一作用力與x方向的作用力，呈現(xiàn)垂直狀態(tài)[11]。此時(shí)，在前后邊界位置處，施加一個(gè)法向約束作用力，此時(shí)，在不考慮地下水滲流的條件下，可對(duì)咬合樁支護(hù)穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算公式如下。

f=τf-c-σntanφ（1）

公式（1）中：f表示咬合樁支護(hù)穩(wěn)定性;τf表示支護(hù)結(jié)構(gòu)在法向方向上受到的單元作用力;c表示支護(hù)結(jié)構(gòu)受到的正向應(yīng)力值;σn表示承載作用力;φ表示支護(hù)結(jié)構(gòu)傾斜角度。輸出上述計(jì)算公式的計(jì)算結(jié)果，以此作為咬合樁支護(hù)安全系數(shù)，從而完成對(duì)不良地質(zhì)條件深基坑開(kāi)挖咬合樁支護(hù)安全性分析方法的設(shè)計(jì)[12]，確保咬合樁支護(hù)具有安全性和穩(wěn)定性。

2 實(shí)驗(yàn)論證分析

本文以南寧市某建筑施工工程項(xiàng)目為研究對(duì)象，針對(duì)該項(xiàng)目當(dāng)中的深基坑開(kāi)挖咬合樁支護(hù)安全性進(jìn)行分析。結(jié)合當(dāng)前咬合樁支護(hù)安全性的預(yù)警閾值，對(duì)其監(jiān)測(cè)內(nèi)容和監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行規(guī)定，按照圍護(hù)結(jié)構(gòu)和土體方位規(guī)定不同的監(jiān)測(cè)方法，具體見(jiàn)表2。根據(jù)上述論述內(nèi)容，在不良地質(zhì)條件下分別利用本文提出的分析方法和傳統(tǒng)分析方法完成其安全性分析，并將兩者得出的分析結(jié)論進(jìn)行對(duì)比，以此驗(yàn)證本文分析方法的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

從表2的監(jiān)測(cè)內(nèi)容與方法可以看出，監(jiān)測(cè)樁頂水平位移和基坑邊坡坡頂水平位移對(duì)咬合樁支護(hù)安全性具有基礎(chǔ)性意義，由此需要采用集光、機(jī)、電為一體的高技術(shù)全站儀對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)。根據(jù)Midas-gts-nx 2018軟件模擬分析得到10#墩左幅基坑開(kāi)挖至基坑底部后，計(jì)算最大樁頂位移為16.4 mm，發(fā)生在圍護(hù)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)邊中部。計(jì)算短邊最大位移為4.8 mm，具體如圖2所示。

從圖2可以看到咬合樁支護(hù)不同位置的安全性數(shù)據(jù)，具有較強(qiáng)的直觀性。10#墩左幅基坑樁頂位移部分測(cè)點(diǎn)在整個(gè)施工周期位移實(shí)測(cè)值變化曲線(xiàn)如圖3所示。

通過(guò)圖3可知，2020年6月3日，左幅基坑進(jìn)行第一次控制爆破施工后，支護(hù)樁失去巖層支護(hù)，長(zhǎng)邊及短邊位移增量變大，曲線(xiàn)變陡。長(zhǎng)邊實(shí)測(cè)值與計(jì)算值基本吻合，但因基坑挖深超深，導(dǎo)致位移進(jìn)一步增加。因?yàn)榛佣踢吺苘?chē)輛移動(dòng)荷載及水流影響，監(jiān)測(cè)位移波動(dòng)較大，所以在今后設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)應(yīng)注意考慮其影響。

根據(jù)Midas-gts-nx 2018軟件模擬分析工況“開(kāi)挖至腰梁下方2 m位置”，得到鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)支撐最大軸力計(jì)算數(shù)值為2 520.38 kN，發(fā)生在第二層基坑中央鋼直撐位置，具體如圖4所示。

通過(guò)圖4位置圖對(duì)10#墩右幅基坑第二層基坑中央鋼直撐軸力進(jìn)行對(duì)比分析，實(shí)測(cè)值變化曲線(xiàn)如圖5所示。

通過(guò)圖5可知，2020年5月13日，在10#墩右幅基坑開(kāi)挖至腰梁下方2 m后，第二層基坑中央內(nèi)支撐現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)最大軸力為2 339.6 kN，實(shí)測(cè)值與計(jì)算值基本吻合。由此表明，本文分析方法具有實(shí)際應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)束語(yǔ)

深基坑在工程建設(shè)中屬于一種地下工程，常被應(yīng)用在城市地鐵工程、設(shè)防工程等市政類(lèi)型工程建設(shè)中，在此種類(lèi)型的工程中，施工方需要根據(jù)工程實(shí)際需求，設(shè)計(jì)深基坑的基底深度與基礎(chǔ)尺寸寬度，并以此為參照開(kāi)挖基體結(jié)構(gòu)。為了進(jìn)一步掌握與此方面相關(guān)的內(nèi)容，本文以不良地質(zhì)條件作為研究的前提條件，對(duì)深基坑開(kāi)挖咬合樁支護(hù)安全性分析方法展開(kāi)深入的設(shè)計(jì)與研究，分別從獲取工程數(shù)據(jù)、劃分安全性預(yù)警閾值、計(jì)算咬合樁支護(hù)安全系數(shù)3個(gè)方面展開(kāi)設(shè)計(jì)，在完成對(duì)此方面的設(shè)計(jì)后，通過(guò)對(duì)比論證的方式，證明該設(shè)計(jì)方法相比傳統(tǒng)方法具有更強(qiáng)的適用性。

參 考 文 獻(xiàn)

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