卵石土地區(qū)基坑開挖變形特征研究

宋 波

（中鐵十八局集團(tuán)第三工程有限公司，河北 涿州 072750）

大中型城市建設(shè)的飛速發(fā)展引發(fā)了大量工程問題，而現(xiàn)階段可供建設(shè)使用的土地日益緊張，深大密基坑施工必然會(huì)對(duì)其周圍環(huán)境產(chǎn)生諸多不利影響。對(duì)于在城市中建設(shè)的基坑工程，變形控制是其重點(diǎn)?；幼冃沃饕腥矫妫簢o(hù)結(jié)構(gòu)變形、坑底隆起變形和坑外土體變形[1]。一些學(xué)者利用理論分析、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、數(shù)值計(jì)算等方法研究了基坑尤其是深基坑施工對(duì)道路、建（構(gòu)）筑物等變形的影響[2]，重點(diǎn)分析了基坑開挖深度、開挖順序、施工工藝、支護(hù)措施等對(duì)環(huán)境的影響[3]。研究表明，基坑施工易導(dǎo)致土體初始平衡狀態(tài)失穩(wěn)，引發(fā)基坑及其周邊建構(gòu)物變形，隨之引發(fā)一系列環(huán)境安全問題。這類問題在砂卵石地區(qū)超深基坑施工中最為常見，卵石土地層具散粒性、強(qiáng)透水性、高磨耗性等顯著特征[4]，在該特殊地層中進(jìn)行深基坑開挖具有較大的安全隱患。

本文以某建筑深基坑工程為例，通過原位監(jiān)測(cè)獲得樁體鋼筋應(yīng)力、樁體水平變形等實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，綜合分析基坑開挖變形特征，并在此基礎(chǔ)上采用有限差分法探討砂卵石地區(qū)深基坑開挖錨拉樁支護(hù)與基坑土壓力相互作用關(guān)系，以給類似深基坑工程的設(shè)計(jì)和施工提供借鑒與參考。

1 工程條件

1.1 工程概況

某基坑周長(zhǎng)約240 m，開挖深度約15 m?；又苓叚h(huán)境復(fù)雜，開挖深度1.5 h（h 為基坑開挖深度單位）范圍內(nèi)均有建筑物分布，地下室結(jié)構(gòu)幾乎布滿了建筑紅線包括的用地范圍。擬建物共設(shè)3層地下室，B1～B3 層板頂相對(duì)標(biāo)高分別為-5.00 m、-10.00 m、-15.00 m，塔樓筏板厚2.80 m，其余區(qū)域筏板厚1.20 m。

場(chǎng)地地層為第四系全新統(tǒng)人工填土層（Q4ml）、第四系中下更新統(tǒng)冰水沉積層（Q1-2fgl）和白堊系灌口組泥巖層（K2g）。地下室底板位于中風(fēng)化泥巖層，但大面積穿越卵石土地層。該地區(qū)卵石磨圓度較好，以亞圓形為主，少量圓形，分選性差，卵石含量55%～85%，粒徑以2～8 cm 為主，部分大于12 cm，并含有少量漂石（粒徑大于20 cm），充填物為中細(xì)砂及少量粘性土，局部地段有中細(xì)砂層的透鏡體（見圖1）。巖土體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

圖1 砂卵石地層

1.2 基坑支護(hù)方案

該工程基坑安全等級(jí)為一級(jí)，基坑?xùn)|、西、南、北四側(cè)支護(hù)方式分布為：懸壁樁、單排預(yù)應(yīng)力錨索和預(yù)應(yīng)力錨索聯(lián)合雙排樁。設(shè)計(jì)的錨拉支護(hù)樁樁徑1 200 mm，樁間距2.20 m，有效樁長(zhǎng)22.00 m，嵌固深7.00 m，冠梁尺寸為1 200×800 mm，樁頂標(biāo)高為±0.00 m ；在-6.0 m 和-9.0 m 處設(shè)置2 道φ150 內(nèi)灌漿預(yù)應(yīng)力錨索，錨索長(zhǎng)度分別為18 m、15 m，錨固長(zhǎng)度為10 m、8 m，因該基坑未設(shè)計(jì)腰梁故錨索固定在支護(hù)樁上，具體方案見圖2。

圖2 基坑支護(hù)形式

2 監(jiān)測(cè)方案及結(jié)果分析

2.1 原位測(cè)試方案

選取具有代表性的14#和32#樁進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)試驗(yàn)（兩測(cè)試樁位置見圖3）。監(jiān)測(cè)頻率按施工不同階段確定為：1 次/（1～2 天）（開挖施工期）、1～2 次/周（底板施工期）、2 次/月（肥槽回填期）。但當(dāng)基坑處于臨界或危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)加大監(jiān)測(cè)頻率。

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

支護(hù)樁垂直基坑方向分別布設(shè)2 組鋼筋應(yīng)力計(jì)，起始布設(shè)點(diǎn)位于樁頂下2 m，其下每間隔2 m布設(shè)另一個(gè)。同時(shí)在樁身中部布置測(cè)斜管，測(cè)試元件布置示意見圖4。

圖4 樁身監(jiān)測(cè)元件布設(shè)示意

2.2 樁身位移

圖5 為樁身位移監(jiān)測(cè)結(jié)果，圖中指向基坑內(nèi)側(cè)的變形為正值，反之為負(fù)。由圖可知，樁身位移最大值在樁頂處，至樁端逐漸減??；樁身位移變化量與基坑開挖施工周期呈正比，這一增大趨勢(shì)在基坑開挖完工后一段時(shí)間才趨于穩(wěn)定。開挖完成后，14#、32#樁最大位移約為17.0 mm 和6.5 mm；肥槽回填后，位移分別為21.0 mm 和8.3 mm。

圖5 樁身位移監(jiān)測(cè)曲線

2.3 樁身內(nèi)力

樁身內(nèi)力監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖6 所示。由圖可見，整個(gè)施工周期內(nèi)樁身應(yīng)力隨基坑開挖卸荷和開挖深度的增加而不斷增大；施工初期，開挖面上下樁基拉壓狀態(tài)不同，開挖面以上為外拉內(nèi)壓，以下則相反；施工錨索后，開挖面以上則為外壓內(nèi)拉，以下為外拉內(nèi)壓，完全符合設(shè)計(jì)計(jì)算狀態(tài)。

圖6 樁身內(nèi)力監(jiān)測(cè)曲線

3 錨拉樁支護(hù)與基坑土壓力相互作用關(guān)系

3.1 模擬方案

從支護(hù)結(jié)構(gòu)本身討論樁徑、樁間距、錨索長(zhǎng)度等有關(guān)參數(shù)的變化對(duì)鄰近建筑物的影響規(guī)律。具體方案如下：①樁徑分別為0.8 m、1.0 m、1.2 m、1.4 m；②錨索長(zhǎng)度分別為16 m、18 m、20 m、22 m、24 m、26 m；③錨索排數(shù)分別為5、6、7。

根據(jù)場(chǎng)地情況建立計(jì)算模型（見圖7）。模型邊界條件為頂部自由，底面固定，側(cè)面位移約束。所分析的建筑物平行布置基坑側(cè)，建筑物長(zhǎng)25 m，寬10 m，相關(guān)計(jì)算參數(shù)見表2。

圖7 計(jì)算模型示意

表2 結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

計(jì)算中管片采用彈性本構(gòu)模型，土體采用摩爾庫倫本構(gòu)模型。巖土體采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型，結(jié)構(gòu)采用彈性模型。由反演分析結(jié)果對(duì)比（見圖8）可知采用本文參數(shù)模擬結(jié)果較好。

圖8 反演分析結(jié)果對(duì)比

3.2 樁徑的影響

圖9 為計(jì)算結(jié)果?？芍翂毫﹄S深度增大而呈非線性增加，其支護(hù)結(jié)構(gòu)后土壓力呈近似三角形分布。在同一深度下，土壓力隨支護(hù)樁徑增大而增大，在深度0～12 m 樁徑對(duì)土壓力影響不大，各土壓力曲線基本重合；而在12～24 m 土壓力曲線開始分散，土壓力隨深度增大而呈非線性增大；在4～12 m 隨深度增加變化不大，維持在35 kPa 左右，土壓力分布曲線在4 m 和8 m 有明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

圖9 樁徑的影響

3.3 錨索長(zhǎng)度的影響

圖10 為計(jì)算結(jié)果?？芍诓煌^索長(zhǎng)度下土壓力均呈非線性分布。在0～5 m 土壓力分布曲線基本重合；在7～18 m 土壓力曲線分散，相同深度土壓力隨錨索長(zhǎng)度增長(zhǎng)而增大；在4～8 m 土壓力隨深度增加而變平緩，基本保持在40 kPa 左右；在5 m處有明顯拐點(diǎn)，基坑長(zhǎng)邊中錨索長(zhǎng)度為16 m、18 m、20 m 土壓力成負(fù)增長(zhǎng)，隨后曲線緩和。

圖10 錨索長(zhǎng)度的影響

3.4 錨索排數(shù)的影響

圖11為計(jì)算結(jié)果。可知，對(duì)于不同排數(shù)的錨索，土壓力均為非線性分布。土壓力在0～4 m 總體呈線性增加；在16 m 后，土壓力隨不同錨索排數(shù)變化的影響不大，但隨基坑深度增加而增大，整體呈三角形分布；在7～16 m 土壓力曲線分開，土壓力隨錨索排數(shù)的增加反而減小。8 m 和16 m 處土壓力曲線有明顯拐點(diǎn)。

圖11 錨索排數(shù)影響

4 結(jié)語

本研究以某砂卵石深基坑工程為例，采用現(xiàn)場(chǎng)原位監(jiān)測(cè)和有限差法數(shù)值模擬分析基坑施工全過程變形特征，研究結(jié)果表明：①樁身水平位移隨開挖深度增加而增大，且樁頂位置的水平位移最大，開挖結(jié)束時(shí)變形并未停止，需經(jīng)一段時(shí)間才能逐步趨于穩(wěn)定。②基坑內(nèi)外側(cè)的樁身鋼筋應(yīng)力值隨開挖不斷增長(zhǎng)，其變化值隨開挖深度增加呈逐步增大趨勢(shì)，且開挖至坑底時(shí)增長(zhǎng)并未停止，至基坑回填結(jié)束時(shí)仍在緩慢增加。③數(shù)值模擬結(jié)果表明，土壓力隨深度增大而呈非線性增加，其支護(hù)結(jié)構(gòu)后土壓力呈近似三角形分布。土壓力隨支護(hù)樁徑、錨索長(zhǎng)度的增大而增大、隨錨索排數(shù)的變化不明顯。