地面動超載對深基坑穩定性影響分析

張恒志

(常州市中元建設工程勘察院有限公司，江蘇常州 213001)

深基坑設計過程中荷載的確定是保證支護結構設計安全、經濟的關鍵工作之一。錢力航等在對深基坑坍塌事故進行分析時發現，深基坑失穩的一個重要原因是基坑支護設計過程中勘察工作不仔細，導致計算荷載不準確[1]，尤其是隨著基坑工程的開挖面積、深度越來越大，基坑形狀、地質條件及施工環境也越來越復雜，施工過程中的各種臨時動超載對基坑穩定性影響常被忽略，導致基坑支護結構變形過大甚至失穩。

本文以常州市某不規則設備基坑工程為背景，針對由自然放坡、土釘墻、鉆孔灌注樁加錨桿組成的復合支護，采用多種參數驗算分析了工程全過程中地面動超載對基坑的穩定性影響。

1 工程概況

常州市新北區V＆M二期項目基坑工程由3個設備基礎組成，其深度按設備基礎要求自然分為3個區域(Ⅰ區，Ⅱ區，Ⅲ區)，基坑平面布置見圖1。其中Ⅰ區深度為3.3 m～6.4 m，Ⅱ區深度為5.75 m ～10.5 m，Ⅲ區深度為10.08 m ～15.75 m。

根據設備要求，基坑面積約5 000 m2，外圍周長約350 m，其Ⅰ區基坑工程構造形狀極度不規則，存在多處銳角邊界，易于形成應力集中。通過對設備安裝要求仔細論證發現，項目主體施工時，需在基坑周邊架設200 t的大噸位吊車進行吊裝作業，由吊車行走路線可知吊車中心距深基坑北側邊緣的最小距離(斷面1—1)為22 m;距離基坑東側邊緣的最小距離(斷面2—2)為6.5 m;距基坑南側邊緣的最小距離(斷面3—3)為8.8 m。吊車行走荷載值遠大于設計規范規定的地面活荷載取值。

2 工程地質條件

基坑擬建場地屬濱海平原地貌類型，場地內地勢較為平坦。基坑支護及開挖涉及的地表下30 m范圍內自上而下土層分布情況及物理力學性能見表1。由表1可知，基坑土以粘土及粉砂為主，地下水主要為淺部土層中的潛水及承壓水。淺部土層潛水的補給來源主要為大氣降水與地表徑流，水位變化幅度較大;承壓水的補給源主要為長江水和運河水的側向補給，以越流方式排泄。

表1 基坑土層物理力學性質

3 基坑支護方案

根據設備基礎要求及周圍環境條件，基坑Ⅰ區，Ⅱ區工程安全等級定為二級，Ⅲ區工程安全等級定為一級，要求地面最大沉降量小于0.1%H，圍護結構最大水平位移小于0.14%H(H為基坑深度)。

在支護結構選型方面，結合常州地區深基坑工程支護實踐，考慮將各種支護形式“取長補短”，組合成復合支護結構的設計思想[2，3]，針對本工程三個區域形狀不規則及設備要求深度各異，設計對不同深度分別采用自然放坡、土釘墻、鉆孔灌注樁加錨桿組合成復合支護形式。

按設備基礎參數及規范要求進行設計計算得到的設計基坑支護方案如下:

Ⅰ區深度為3.3 m～6.4 m，設計支護形式主要為放坡+復合土釘墻，其坡比為 1∶0.6，土釘長度為 4.5 m ～6.0 m;距吊車行走路線較近的關鍵位置采用強度為C30鉆孔灌注樁+錨樁的支護形式，灌注樁與錨樁樁長均為10 m。

Ⅱ區深度為5.75 m～10.5 m，深度小于6.8 m處采用放坡+復合土釘墻的支護形式，坡比為1∶0.6，土釘長度為4.5 m ～9.0 m，深度大于6.8 m處采用自然放坡+C30鉆孔灌注樁+錨桿的支護形式，灌注樁樁長為12 m～16 m、錨桿長度為12 m～20 m，錨桿豎向間距設為3 m，水平間距設為1.8 m。

Ⅲ區深度為10.08 m～15.75 m，局部采用放坡+復合土釘墻的支護形式，坡比為1∶0.6，土釘長度為 6.0 m ～9.0 m，主體部分采用自然放坡+C30鉆孔灌注樁+錨桿的支護形式，灌注樁樁長為19 m～23 m、錨桿長度均為20 m，錨桿豎向間距設為3 m，水平間距設為1.8 m。

圍護結構平面布置見圖2。

4 臨時重荷載對深基坑穩定性影響分析

基坑支護設計時對于地面荷載的確定按規范取均布荷載為20 kPa[4]，未考慮施工過程中重型吊車行走的荷載，而針對吊裝過程中增設的重型吊車作用效果未予考慮。

重型吊車行走的動荷載與地面構件的堆積荷載組合后，將會增大基坑支護結構的內力、位移，構成影響基坑穩定的重要不利因素，因此有必要分析該重荷載對基坑支護的穩定性影響。

通過對重型吊車荷載信息進行仔細收集，可知200 t的重型吊車履帶觸地面積為9.11 m(長)×1.2 m(寬)×2，吊車寬度為7.2 m。將吊車按履帶所占面積折算，累加工作時的吊裝荷載，最終形成的等效面荷載達98.9 kPa，考慮到動荷載的影響，荷載取100 kPa。

由圖2中吊車行走路線可知，基坑北側斷面1—1、東側斷面2—2及南側斷面3—3的基坑邊緣與吊車行走路線最近，為最不利荷載位置。

對三個斷面設計支護進行簡化后的計算模型見圖3，吊車荷載信息見表2。

表2 吊車作用等效荷載參數

計算斷面1—1，2—2，3—3在吊車重荷載作用下的支護結構內力、位移和穩定性參數(增荷)，與原設計值(常載)對比結果見表3。

表3 穩定性驗算結果

由計算結果可知:

1)三個最不利荷載斷面中，斷面1—1由于深度最深，樁身最大，側向位移達17.09 mm，但吊車距離基坑主體灌注樁相對較遠，故其樁身側向位移雖然最大，而吊車重荷載作用對其樁體側向位移影響則最小。斷面2—2，3—3在吊車重荷載作用下變形量均增加約25%，影響效果顯著，應在吊車工作期間加強信息化監測。

2)重型吊車行走增荷后，各斷面的穩定性系數均有所降低，其中對斷面1—1支護結構的抗傾覆能力影響最大。

5 結語

工程實施后，現場監測結果表明，重型吊車吊裝作業期間，在吊車臨時重荷載及多種不確定性因素的耦合作用下，基坑支護結構變形速率急劇增長，對基坑的穩定性影響顯著。超前驗算基坑周邊各種臨時重荷載對穩定性的影響，對施工過程進行信息化監測是確保基坑安全的有效手段。

[1] 錢力航.深基坑工程的穩定問題[J].施工技術，2011(7):13-16.

[2] 楊志銀，張 俊，王凱旭.復合土釘墻技術的研究及應用[J].巖土工程學報，2005，27(2):153-156.

[3] 胡德軍.復合支護體系在深基坑施工中的應用[J].建筑，2011(11):69-70.

[4] JGJ 120-99，建筑基坑支護技術規程[S].