杭州某高校學生公寓基坑施工監測分析

丁伯陽,李學鵬,王 哲

(浙江工業大學建筑工程學院,浙江 杭州 310032)

基坑開挖現場監測工作日益受到重視.楊林德[1]研究中有對基坑支護位移和安全性監測建立動態預報技術.深層土體水平位移隨深度變化曲線,初始階段成線性變化,當開挖進入后一階段,呈非線性變化,姜忻良[2]發現位移曲線呈現“弓形”,覃衛民[3]研究中曲線類似“三角形”.關于支撐軸力,水偉厚[4]研究中有隨著開挖深度的不斷加深,支撐受力不斷加大,下層支撐承擔的荷載逐漸超過上層支撐,同時圍護體變形最大點逐漸下移的理論;丁勇春[5]對多道支撐進行了分析,發現支撐軸力增量主要發生在挖土階段,后續工況各支撐軸力基本趨于穩定并有下降趨勢.關于地下水位,安關峰[6]提出在非雨季施工時,各水位觀測孔基本呈線性下降趨勢,且曲線基本平行.上述研究比較系統地分析了深層土體水平位移、支撐軸力、地下水位等內容,但是對單支撐軸力和多雨季節變化的研究較少.筆者以浙江理工大學下沙校區學生公寓加建2號樓為實例,通過對深層水平位移、支撐軸力和地下水位的動態變化,提出了深層土體水平位移在后階段的變化曲線應該理解為“右括弧形”;關于支撐軸力,針對四步開挖階段,提出了支撐軸力“緩慢下降”“迅速上升”“有升有降”“穩中有降”的四步曲結論;關于地下水位,降水的前部分也是呈現基本平行狀態,但由于季節性變化,雨水天氣使后部分水位有了回升,所以地下水位對季節性變化是比較敏感的.

1 工程概況

1.1 工程簡介

浙江理工大學下沙校區學生公寓加建2號樓位于杭州經濟技術開發區學林街北側、文溯路東側、浙江理工大學下沙校區生活(二)區內.加建2號樓為15到16層學生公寓樓.該工程采用框架剪力墻結構,采用樁基礎,設置地下室一層,開挖深度約5 m.筑物用地長為46.8 m,寬為25.8 m.

本基坑工程±0.00相當于黃海高程為7.10 m.地面高程為6.50～6.64 m(黃海高程,下同),坑底標高為0.50 m.基坑最大開挖深度為7.90 m.

基坑圍護區域地形較為平坦,其西側為已建成使用的5號學生公寓樓,東側為已建成使用的4號學生公寓樓,且基礎邊緣線距東西兩側建筑物基礎間距較近,一般1.5～3 m;南北兩側距離建筑物相對較遠,大于5 m,場地內及鄰近區域內無市政地下管線布設.

1.2 工程地質及水文地質概況

場地地下水上部屬空隙潛水,地下水受季節及大氣降水條件控制,動態變化較大.勘探期間測得地下水位1.00～1.30 m.地下水位年變化幅度約0.5～1.0 m.土層以弱透水層和不透水層為主.根據2005年10月的勘察資料,場地地下水和土對砼無侵蝕性,對鋼結構具弱侵蝕性.場地各土層的組成及主要物理力學指標見表1.

表1 地基土主要物理力學性能指標Table 1 Physical and mechanical properties of soil

2 基坑支護方案

基坑東、西側距離待建4#,5#學生宿舍較近,若采用土釘墻圍護,土釘打入4#,5#學生承臺底,對管樁基礎影響較大,土釘墻位移對管樁也有不利影響,因此,土釘墻存在一定的風險.若采用鉆孔樁圍護加內支撐圍護,能較好的控制土體位移,對4#,5#學生宿舍相對影響較小;該側原有4#,5#學生宿舍外挑陽臺,沒有樁基工作面,經甲方同意,在樁基施工前將外挑陽臺拆除.

綜上所述,如圖1所示,確定本基坑主要采用鉆孔灌注樁加支撐圍護,局部采用土釘墻圍護,基坑降水采用輕型井點結合自滲管井的圍護方案.

圖1 基坑支護結構剖面圖Fig.1 Cross section of bracing system

3 監測方案

深基坑的開挖是一個動態過程,與之有關的穩定和環境影響也是個動態過程.因此,在施工過程中,對基坑圍護結構及周邊環境進行了全方位、全過程的監測.

文獻[1]對基坑開挖采用了動態監測技術,筆者亦擬參照圖2所示的過程對基坑變形及其安全性的預測建立動態預報技術.其特點是借助擬予采用的力學模型,根據任一開挖階段的位移量測信息反演確定當前土體性態模型參數,據以對基坑體系在同一開挖階段或下續工序中的力學狀態作出預報,并通過監控量測驗證預報計算結果的正確性,以及據以確定是否有必要對基坑圍護結構采取適當工程措施進行加固或調整開挖步驟等.以同樣的方法對各開挖階段均作反分析計算和預報計算檢驗,直至開挖結束.

圖2 基坑開挖動態預報示意圖Fig.2 The dynamic prediction of foundation pit

3.1 監測項目

根據基坑的特殊情況,基坑監測主要項目見表2,監測點布置見圖3.

表2 監測項目Table 2 The working content of the monitoring

圖3 基坑監測布置圖Fig.3 The sketch of monitoring points

3.2 監測頻率

針對不同的監測內容,結合實際情況,制定不同的監測頻率.其中,土體水平位移的監測頻率為:在深基坑開挖時,正常情況平均每二天監測一次,如出現水平位移速率偏大,增加監測頻率,可以每天監測一次,必要時可每天監測兩次,如出現險情,則跟蹤監測.施工時所得的測量結果及時反饋給有關方面并準確地進行分析.在基坑開挖及施工期間(2007.5—2007.7),依照監測方案以及基坑圍護設計方案規定的頻率進行監測,共進行41次監測,提供監測報告40期.

3.3 監測警報值的確定和處理措施

基坑工程中,本監測方案根據浙江理工大學下沙校區學生公寓加建2號樓基坑工程監測咨詢合同以及本工程基坑支護結構設計方案,并結合JGJ120—99《建筑基坑支護技術規程》、DB33/T1008—2000《浙江省地基基礎設計規范》中的規定,提出以下警報值:各測量警報值為:(1)水平位移最大速率3 mm/d,累計水平位移30 mm;(2)鋼筋應力值2 000 kN,軸力達到設計值的80%;(3)基坑外水位下降不得超過5 m,每天不得超過0.5 m.

當測量值接近或超過警報值時,對整個工程情況進行了綜合分析,提出了相應處理措施.在基坑開挖階段,可以考慮的方案有:(1)墻后卸土;(2)設置臨時支撐;(3)設置錨桿;(4)合理安排施工順序;(5)加強監測密度等措施.

4 監測結果分析

4.1 深層土體水平位移

斜測管的布置見圖3所示,共設4根測斜管,分兩排布置, 每排各管連線平行于基坑邊線.CX1 ,CX2,CX3,CX4監測結果見圖4-7所示.

圖7 CX4土體水平位移曲線Fig.7 The curve of displacements at No.4 slope

從圖4-7可看出:(1)隨著時間的增大,位移也基本處于增大狀態.各階段水平位移與時間變化規律有較大不同,5月15日開始時,水平位移隨深度變化成近似線性關系,當開挖進入后一階段成非線性關系,以上已講述姜忻良[2]發現位移曲線呈現“弓形”,覃衛民[3]研究中曲線類似“三角形”,筆者認為,準確地講應理解為“右括弧型”.(2)國內外研究表明,隨著離基坑邊周圍距離的增大,土體水平位移變小.由于此工程中CX1—CX4四個測斜管是與基坑周邊平行布置,距基坑距離相同,所以四測斜管的水平位移差異比距基坑周邊不同距離的測斜管要小.特別是圖5和圖7,相似程度比較高.(3)CX1測斜管在6月25日時表現出負值,方向朝基坑外傾斜,主要原因有兩點,一是由于該測斜管所處位置特殊,從圖2和圖8可知此處地下水位比較低,水位下降幅度也比較大,造成土體的附加沉降,致使測斜管往基坑外傾斜;二是考慮到人為因素和不可避免誤差等因素,如斜測管頂端受施工干擾比較大.(4)CX1—CX4四個土體水平位移曲線中,CX1,CX2,CX4的最大位移量不超過10 mm,CX3的最大位移量為21.594 mm,均未超過警報值30 mm,水平位移最大速率也未超過3 mm/d,監測結果未超出警報值,表明深層土體水平位移變化小,屬于安全范疇.

表3中,對每個測點位置來說,最大位移值均不是發生在土體的表面,而是在較深處接近開挖面,雖然CX2測點的最大位移值是發生在0.575 m,但在土體深5 m左右,其值也為7.5 mm,接近最大值7.815 mm,而其他三個測點的最大位移值均在基坑開挖面附近.另外,深層土體水平位移值的最大值一般發生在監測時間的中后期,CX1,CX2,CX3的最大位移值發生在6月25日,屬于監測后期,即便是CX4,最大位移值卻也發生在相對比較晚的5月29日.

表3 土體水平位移最大值Table 3 Max horizontal displacement of soil

4.2 支撐軸力

支撐對維護基坑穩定性、減小基坑圍護樁向內發生水平位移、保證主體施工的尺寸空間具有重要作用.從圖7可知,西邊支撐最大軸力為1 155 kN(GJ1),為設計值的57.75%;東邊支撐最大軸力為886 kN(GJ2),為設計值的44.3%,軸力大小均未超過設計值的80%,由此可見,軸力變化比較穩定.

圖8 支撐軸力變化曲線Fig.8 The curve of supporting axial

水偉厚[4]研究的情況與此次研究不同,前者的每一支護樁有多道支撐,而筆者研究中除底板支撐外是每一支護一道支撐,水偉厚[4]得出的結論為:隨著開挖深度的不斷加深,支撐受力逐漸加大,下層支撐承擔的荷載逐漸超過上層支撐,同時,圍護體變形最大點逐漸下移.丁永春[5]發現支撐軸力增量主要發生在挖土階段,后續工況各支撐軸力基本趨于穩定并有下降趨勢.對比西兩道支撐的軸力大小,可將軸力分成四階段:(1)當開挖到支撐位置,架好支撐時,因為支撐的預加軸力使圍護樁向基坑外發生微小變形,土層被動壓縮,使軸力短時間內緩慢下降,命為“緩慢下降”;(2)隨著開挖深度的不斷加深,支撐承擔更多的土側壓力,軸力處于增加趨勢,命為“迅速上升”;(3)當開挖進入到更深的深度,底板沒有澆注之前,外側土層發生變形致使圍護樁的受力重新分布,支撐軸力就會上下波動,表現為一會升一會降,命為“有升有降”;(4)開挖到基坑深度時,支撐軸力表現比較穩定,底板施工完成后,土側壓力由支撐和底板支撐及圍護樁共同來抵抗,底板支撐分擔了部分土側壓力,支撐軸力表現為基本穩定并有下降趨勢,命為“穩中有降”.

4.3 坑外水位

安關峰[6]指出各水位觀測孔水位基本呈線性下降趨勢,且基本保持平行,而從圖9可以看出,0～17 d這段時間水位下降,各觀測孔水位下降曲線也基本保持平行,但從17 d以后,SW2等其他水位回升都很快,最后趨于穩定.其原因是安關峰[6]的研究是在非雨季節,而本文局部水位上升主要是季節性原因,監測期經常下雨,降雨引起水位變化較大.

圖9 水位深度隨時間變化曲線Fig.9 Underground water level-time curves

圖10中,SW2測點的水位下降幅度最大,最大值為2.53 m,說明SW2所在的南側墻體的止水功能相對較弱,從而導致坑外水位下降很大.地下水位下降會引起土體附加應力的增加,從而造成土體的附加沉降,故施工中應對坑外地下水位進行嚴格監測,控制地下水位的下降幅度不能過大,必要時可采用回灌措施.圖9,10表明,地下坑外水位管的水位總體上發展比較穩定.

圖10 水位下降最大值示意圖Fig.10 Max underground water variation

5 結 論

測斜管的頂端由于受施工干擾比較大,為達到監測結果的準確性,應做好保護工作,如在管口砌方形砌槽,加混凝土蓋板等,同時在其周圍應嚴禁堆載、汽車的碾壓和施工中的碰撞;深層土體水平位移隨深度變化曲線可理解為“三角形”,也可以理解為是“弓形”,但筆者認為應更準確地理解為“右括弧形”;深層土體水平位移的最大值發生在基坑開挖面附近,并且最大值不是發生在監測前期,而是發生在監測后期或開挖后期;地下水位下降在非雨季節中基本為線性下降趨勢,且各監測水位下降曲線呈平行狀態,但地下水位變化受季節影響大,下雨天水位局部有回升,此時呈現非線性變化狀態,地下水位下降幅度可在一定程度上反映附近墻體的止水功能.另外,地下水位的下降幅度不能過大,必要時可采用回灌措施;針對四步開挖階段,提出了支撐軸力“緩慢下降”“迅速上升”“有升有降”“穩中有降”的四步曲結論,具有較強的實踐借鑒意義.

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