滇池湖相沉積軟土場(chǎng)地基坑安全分析*

張福祿 阮永芬 劉克文 閆明 蔡龍

（1.昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，昆明 650500；2.云南建投第一勘察設(shè)計(jì)有限公司，昆明 650031；3.中鐵十二局集團(tuán)第五工程有限公司，昆明 650000）

0 引言

昆明市大部分地層為湖沼相，沖湖積形成的以黏性土、粉質(zhì)黏土、泥炭質(zhì)土和粉土層組成的地層，這樣地層特別是淺層的土層工程性質(zhì)較差，地基承載力不高［1］。地面下0～15m土層的地基承載力fak只有50～100 kPa，15 m以下fak一般為80～180 kPa。其中泥炭土的物質(zhì)成分較復(fù)雜，呈多級(jí)團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，是一種多組分、多級(jí)分、比較穩(wěn)定的有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合物［2］，滲透系數(shù)小，擾動(dòng)后強(qiáng)度下降大、抗剪強(qiáng)度指標(biāo)及重度較低，在該類場(chǎng)地上的深基坑工程問題較多且復(fù)雜。

在基坑工程發(fā)展過程中，大量的學(xué)者對(duì)軟土基坑沉降問題進(jìn)行了研究分析。邵光輝等［3］考慮不同埋深處地基土的初始結(jié)構(gòu)屈服面之間的相似性規(guī)律，應(yīng)用結(jié)構(gòu)性本構(gòu)模型，對(duì)海相軟黏土地基土體屈服與地基沉降之間的關(guān)系進(jìn)行了研究；胡敏云等［4］分析了嵌巖樁筏基礎(chǔ)的沉降特征，并提出了穿越軟土層的嵌巖樁筏基礎(chǔ)沉降的兩個(gè)主要影響因素：沉渣效應(yīng)和樁側(cè)負(fù)摩阻。TARIQ M等［5］采用有限元模擬分析了一個(gè)樁端嵌入軟巖的圓形樁筏基礎(chǔ)的變形與承載能力。楊光華［6］分析了工程中土的沉降計(jì)算不準(zhǔn)的根本原因，對(duì)硬土和軟土的沉降的計(jì)算方法提出建議。

在基坑支護(hù)方面，王崇明等［7］介紹使用環(huán)形支撐梁排樁支護(hù)體系，具有控制周圍環(huán)境發(fā)生小沉降的優(yōu)勢(shì)。蔣波等［8］通過自編有限元程序和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，表明出在特殊情況基坑中環(huán)形支撐體系為一種有效的支撐形式；楊宇等［9］對(duì)采用“ESC-H組合型鋼豎向支護(hù)結(jié)構(gòu)+2排旋噴錨索”支護(hù)的深厚軟土基坑坍塌事故原因進(jìn)行分析，結(jié)果表明是因場(chǎng)地承壓水未作評(píng)判且ESC-H樁局限性很難嵌入到卵石層中所致。但對(duì)于軟土地區(qū)深基坑采用內(nèi)撐+排樁的支護(hù)方式中，出現(xiàn)立柱樁沉降導(dǎo)致內(nèi)撐變形開裂的工程事故文章鮮有報(bào)道。本文針對(duì)滇池湖相沉積軟土中內(nèi)撐+排樁的深基坑支護(hù)工程，對(duì)基坑開挖過程中對(duì)稱桁架梁繞曲變形出現(xiàn)裂縫和支護(hù)樁偏移原因等進(jìn)行分析，并提出了有效的處理措施，可供類似工程參考。

1 工程概況

擬建項(xiàng)目位于昆明滇池路與廣福路交叉口南側(cè)，北側(cè)是地鐵站出入口，西北和東北側(cè)是道路，西南和東南側(cè)有建筑。項(xiàng)目主基坑區(qū)域設(shè)兩層地下室，南側(cè)4#、5#樓區(qū)域設(shè)置一層地下室?？偨ㄖ娣e為112 500 m2，建筑占地面積181 29 m2?；又苓叚h(huán)境及主體結(jié)構(gòu)布置平面圖如圖1所示。

圖1 基坑周邊環(huán)境關(guān)系

基坑開挖深度為4.2～9.9 m，周長(zhǎng)651 m，結(jié)合基坑開挖深度、周邊環(huán)境復(fù)雜、地質(zhì)條件較差，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用圍護(hù)排樁+內(nèi)支撐，內(nèi)支撐布置為橢圓形大圓環(huán)+中部桁架支撐體系。圍護(hù)樁為長(zhǎng)螺旋鉆孔灌注樁，樁徑有600、800、1 000 mm共3種，樁間距有1 000、1 200、1 300 mm共3種?？禹敻? m左右放坡加掛網(wǎng)噴混凝土，坡比為1∶1.5。冠梁、圓環(huán)梁截面尺寸分別為800 mm（900、1 100）×700 mm、1 150 mm×800 mm，腰梁及支撐主梁截面尺寸為700 mm×700 mm。立柱樁下部為直徑800 mm的旋挖鉆孔灌注樁，上部為4根160 mm×14 mm等邊Q235B角鋼用肋板焊接而成截面尺寸為420 mm×420 mm（440 mm×440 mm）格構(gòu)立柱樁，嵌入樁內(nèi)3.0 m，立柱樁有效樁長(zhǎng)L=12 m（15 m），成梅花型布置，對(duì)稱部分的立柱樁間距為17～24 m，圓環(huán)內(nèi)撐和圍護(hù)樁所圍成部分的立柱間距為9m～16m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的砼強(qiáng)度等級(jí)均為C30。止水帷幕為厚850 mm三軸深層攪拌樁，樁間距1.2 m，樁長(zhǎng)L=15.0～23.1 m，水泥為42.5普通硅酸鹽水泥，摻入量為25%，水灰比為1.0～1.5，早強(qiáng)減水劑為水泥用量的3‰，生石灰摻量為水泥用量的5%～8%?；又ёo(hù)結(jié)構(gòu)平面及剖面圖分別如圖2、圖3所示。

圖2 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)平面布置

圖3 基坑支護(hù)剖面

2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

據(jù)場(chǎng)地地層結(jié)構(gòu)及成因類型表明地層結(jié)構(gòu)屬多層型，地表為近期形成的人工填土，其下為第四系湖沼相、沖湖積相地層，以黏性土、泥炭質(zhì)土和粉土層為主。按地層結(jié)構(gòu)及代號(hào)順序從上至下分別描述如下：①素填土Qml：由黏性土混含碎石組成，層厚0.50～5.70 m。②1雜填土Qml：為近期周邊工程建設(shè)棄土，層厚0.50～3.50 m。①及②1層土結(jié)構(gòu)松散欠固結(jié)。②有機(jī)質(zhì)土：含少量碎石及薄層粉質(zhì)黏土，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.2%～24.7%，靈敏度St=2.0左右。層頂埋深0.50～5.40 m，層厚0.50～4.20 m。③泥炭質(zhì)土：局部夾薄層有機(jī)質(zhì)土或相變?yōu)橛袡C(jī)質(zhì)土，含多量腐爛植物殘?bào)w，有腥臭味，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為28.0%～42.8%，St為2.5左右，層頂埋深1.40～9.70 m，層厚0.60～8.80m。④粉土：結(jié)構(gòu)稍密，局部中密，飽和。層頂埋深6.40～21.00 m，平均厚度4.31 m。④1黏土：灰褐色，局部含少量有機(jī)質(zhì)，干強(qiáng)度及韌性高。St為1.87。層頂埋深6.50～21.00 m，層厚0.50～9.00 m，平均厚2.77m，整個(gè)場(chǎng)地均有分布。②、③及④1層土都是可塑為主，局部軟塑。⑤有機(jī)質(zhì)黏土：可塑狀態(tài)，強(qiáng)度高、韌性高，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.80%～10.5%，層頂埋深17.00～42.00 m，厚度0.50～18.20 m。建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程［10］中規(guī)定對(duì)于地下水位以下的正常固結(jié)和超固結(jié)土黏性土、黏質(zhì)粉土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)應(yīng)采用三軸CU或固快強(qiáng)度指標(biāo)。當(dāng)土體的fak≤90kPa時(shí)，用快剪強(qiáng)度指標(biāo)，fak>90 kPa時(shí)，用固快強(qiáng)度指標(biāo)［11］；該場(chǎng)地素填土、有機(jī)質(zhì)土及泥炭質(zhì)土的fak≤90kPa，其余類土fak>90kPa。各土層的主要物理指標(biāo)如表1所示。

表1 土層的物理性質(zhì)指標(biāo)

場(chǎng)地附近地表水較為豐富。地下水位于地面下0.10～2.00 m，地下水類型主要為上層滯水，其下粉土、粉砂層中的第四系孔隙型潛水。

3 事故及原因分析

3.1 圍護(hù)樁部分

支護(hù)樁及止水帷幕施工完后，土方開挖較快，開挖廢土未及時(shí)運(yùn)出，堆放在離基坑邊緣寬10 m處，高4 m左右，等開挖近坑底處發(fā)現(xiàn)圍護(hù)樁被剪斷，從樁頂下1.5 m處樁身鼓出。選取西南部支撐主梁間距為10 m處，利用理正深基坑軟件建模分析，Janbu法進(jìn)行整體穩(wěn)定計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。圍護(hù)樁剪力最大值在樁頂處為521.32 kN，剪力作用使樁頂出現(xiàn)巨大位移；彎矩最大值靠近坑底為2 180.01 kN·m，彎矩作用使樁身在近坑底處被剪斷，導(dǎo)致在樁頂下1.5 m開始樁身鼓出，接近坑底處位置有明顯的裂痕。

圖4 支護(hù)樁內(nèi)力

3.2 對(duì)撐梁部分

基坑監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖如圖5所示。在立柱及對(duì)撐梁施工完成后，進(jìn)行坑底挖土，基坑內(nèi)撐中部立柱樁沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果出現(xiàn)危險(xiǎn)報(bào)警，沉降最大點(diǎn)LZ29沉降達(dá)-240 mm，在支撐體系中支撐立柱間距較大的中、東、南及西部的對(duì)撐主梁的跨中都出現(xiàn)撓曲過大，并在主梁的立柱支撐點(diǎn)截面上側(cè)出現(xiàn)裂縫，如圖6所示。

圖5 基坑監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置

圖6 基坑內(nèi)撐梁變形

用Midas/Gen有限元軟件建立模型，模擬分析立柱樁沉降前后對(duì)內(nèi)支撐梁受力的影響。對(duì)撐梁發(fā)生事故時(shí)，堆土已移除，計(jì)算圍護(hù)樁承受坑壁的土壓力如圖7所示。工程邊界條件是立柱樁埋入坑底下12 m，坑底下主要土層為粉土和黏土，=18.1 kN/m3；模型邊界條件為樁彈性支撐，因土質(zhì)偏軟基地反力系數(shù)取為1 000 kN/m2［3］，c為9.5 kPa。該場(chǎng)地工程地質(zhì)復(fù)雜，Midas/Gen計(jì)算的立柱樁沉降值比監(jiān)測(cè)值小，為使模擬更接近實(shí)際，據(jù)立柱樁監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的累計(jì)沉降值，在其監(jiān)測(cè)點(diǎn)處施加強(qiáng)制位移讓其達(dá)到實(shí)際沉降值，監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降后和監(jiān)測(cè)點(diǎn)糾正并加補(bǔ)立柱的豎向沉降量如圖8。模型結(jié)構(gòu)圖如圖9所示，計(jì)算結(jié)果如圖10所示。從圖10（b）可看出，對(duì)撐梁跨中變形量達(dá)到危險(xiǎn)報(bào)警值，沉降量最大兩立柱LZ51和LZ47沉降分別為-156 mm和-177 mm，兩立柱間距較大，該處對(duì)撐梁跨中下沉最為嚴(yán)重達(dá)-240 mm，造成內(nèi)撐梁跨中出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)锨?，?duì)撐梁的立柱支撐點(diǎn)處因負(fù)彎矩作用出現(xiàn)裂縫。與工程實(shí)際監(jiān)測(cè)值作對(duì)比，立柱LZ51和LZ47間梁跨中沉降-225 mm差異不大，計(jì)算結(jié)果符合實(shí)際情況；圖10（a）和圖10（b）立柱施加沉降和不施加沉降對(duì)撐梁的變形對(duì)比，立柱不發(fā)生沉降時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)LZ29沉降-103 mm，由此可明顯看出監(jiān)測(cè)點(diǎn)LZ29沉降達(dá)-225 mm的主要原因是立柱樁的沉降造成的。

圖7 基坑側(cè)壁土壓力

圖8 立柱樁監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降位移

圖9 Midas/Gen基坑模型

圖10 Midas/Gen基坑模型變形

分析其原因如下：①對(duì)撐梁部位立柱間距過大；②對(duì)稱梁截面尺寸偏小，為700 mm×700 mm，剛度較弱，與同類型基坑對(duì)比，此基坑支護(hù)體系支撐梁，特別是位于基坑中部東西向支撐主梁及環(huán)梁截面及配筋偏??；③場(chǎng)地土質(zhì)較差且復(fù)雜，導(dǎo)致梁底土方開挖過程中立柱樁發(fā)生不均勻沉降，引起對(duì)稱梁發(fā)生撓曲開裂。

4 處理措施

圍護(hù)樁部分：開挖到地下4 m左右才發(fā)現(xiàn)圍護(hù)樁偏移，其變形也在控制范圍內(nèi)，故僅采取卸除堆土及反壓分區(qū)施工措施。

對(duì)撐梁部分：①對(duì)撐梁端頭對(duì)已開挖土方進(jìn)行回填反壓；②對(duì)撐梁沉降較大的部位用千斤頂進(jìn)行糾偏，以避免梁受力偏心時(shí)產(chǎn)生附加彎矩；③對(duì)較明顯裂縫用水泥砂漿或環(huán)氧樹脂填補(bǔ)；④對(duì)下?lián)陷^嚴(yán)重的梁跨增設(shè)立柱樁，減小梁跨度；⑤增加對(duì)撐桿件，增設(shè)組合型鋼（鋼管）或桁架梁上增設(shè)鋼筋混凝土連續(xù)板，加強(qiáng)對(duì)撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及穩(wěn)定性；⑥過程中提高監(jiān)測(cè)頻率，及時(shí)掌握其變化。

新增托梁布置在基坑中部對(duì)撐部位，以及西南、東南及東北角角撐部位，布置位置如圖11所示。

圖11 新增立柱平面布置

圖12 立柱托梁大樣

使用Midas/Gen有限元軟件對(duì)加固后的整個(gè)基坑支護(hù)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖13所示。LZ29所在位置處對(duì)撐梁的相對(duì)沉降量-0.135 mm，減小至加固前的一半，在實(shí)際工程中加固處理后，內(nèi)撐在梁跨較大的跨中出現(xiàn)了下?lián)希瘟荷喜砍霈F(xiàn)的裂縫得到有效控制，未造成破壞性的后果。

圖13 Midas/gen基坑增立柱樁模型變形

5 結(jié)論

1）在湖相沉積的軟土場(chǎng)地基坑，施工過程不能隨意堆放廢土、材料，其產(chǎn)生的附加荷載很容易引起地基土變形過大，導(dǎo)致支護(hù)樁偏移，影響基坑安全。

2）湖相沉積軟土中，不對(duì)稱開挖可能引起立柱樁產(chǎn)生不均沉降，對(duì)撐梁的支撐立柱間距不能設(shè)計(jì)過大，否則內(nèi)撐梁極易出現(xiàn)變形和裂縫。

3）基坑施工過程中應(yīng)提高監(jiān)測(cè)頻次，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，在工程出現(xiàn)險(xiǎn)情前，能提出合理可行的應(yīng)急處理措施，避免險(xiǎn)情發(fā)生?？傊庸こ田L(fēng)險(xiǎn)大，必須尊重科學(xué)，切忌盲目決策、盲目施工。