基于監測數據的引水工程基坑變形和內力變化規律分析

毛景暉

(廣東華迪工程管理有限公司,廣州 510600)

0 引 言

隨著城市地下空間的進一步開發與利用,城市地下工程不斷涌現,深基坑工程也得到大量修建。在實際工程建設過程中,由于各種因素的影響,基坑產生嚴重變形的現象層出不窮,給工程的安全穩定性造成極大威脅。因此,對基坑工程變形和內力變化進行監測與分析,是保障工程建設質量和安全的基礎。

目前,許多學者對基坑工程中的變形和內力變化規律進行了相關研究。朱煒強等[1]結合勘察報告和剖面圖等材料中的參數,利用MiDAS XD軟件建立有限元模型,分析了基坑開挖、混凝土澆筑及拆換撐過程中的內力和位移變化,并模擬了支護結構的受力和位移情況,為項目的正常開展提供了參考。何平等[2]采用ABAQUS建立彈性地基梁模型,研究了基坑圍護結構的變形和內力變化規律,結果表明,三軸固結不排水條件下,基坑圍護結構的變形和內力變化最小。李鏡培等[3]以極限平衡法為理論基礎,建立了能同時考慮滲流條件變化和臨近基坑施工下的土壓力理論計算模型,并利用實測數據驗證了所建模型的有效性與合理性。冷伍明等[4]基于實測數據和三維有限元仿真模擬,研究了工程樁對基坑變形和地連墻內力的影響機制,主要針對工程樁布設間距、樁長、樁徑等變量展開了分析與討論。肖景平等[5]于某地基坑布置多個測點,基于實際監測數據,對該基坑圍護結構的多處變形與內力進行了分析,結果表明,葫蘆形地連墻相較于圓形地連墻更易滿足設計中對內力與變形的要求。

上述文獻主要針對基坑的內力與變形方面開展了相關研究,但對于圓形深基坑的變形與內力變化規律分析還未多見。因此,本文在已有研究基礎上,依托某引水工程中的基坑實測數據,對該圓形深基坑施工過程中的變形與內力變化規律進行分析。

1 基坑工程概況

本文依托國內某地引水工程中的基坑工程。根據工程實地勘察報告,基坑工程施工深度范圍內,主要包括黏土、粉質黏土、粉土、素填土等土層。該基坑施工深度58.3m,采用直徑8m的圓形結構進行基坑圍護,地下連續墻厚度1m,內襯墻采用厚度1m、直徑7m的圓形結構。整個圓形接收井基槽分兩期施工,采用銑接方式開展接頭工作。

整個基坑的施工過程分階段開展。第一階段主要針對40m范圍以內的深度,每開挖5m左右的深度后,需對地連墻同步進行鑿毛與種筋處理,以保證結構的穩固,此外還需及時對該段底部及上部進行內襯結構的施工。第二階段主要針對40～55m范圍以內的深度,每開挖3.5m左右的深度后,進行一次內部襯砌,與第一階段的局部順做不同,第二階段采用全逆作法進行施工。第三階段主要針對55～58.3m范圍以內的深度,此階段已接近目標深度,除了機械挖土,在目標深度以上3cm左右的范圍內,應采用人工挖掘的方式進行土方挖除,以免造成超挖。基坑施工完成后,及時封閉底板并處理渣土。

2 測點布置方案

為了對基坑施工過程中的變形與內力變化規律進行分析,在多處關鍵部位,如基坑周邊地表、內襯結構及地連墻等處埋設傳感器,以監測基坑周圍土體的沉降變形情況、地連墻及內襯結構的變形和內力變化情況。圖1為坑周地表測點布置圖。在相互垂直且經過基坑圓心的兩條垂直線上,距離基坑外圍0、8、24、48m處分別布設監測點,共計16處。

在地連墻鋼筋籠的主筋位置,分別布設PVC測斜管,以監測地連墻橫向位移。PVC測斜管是一種常用的地下工程監測儀器,也叫“測斜孔管”或“傾斜孔管”,具有良好的耐腐蝕性、耐酸堿能力和密封性能,一般安裝在地下或結構內部,可以實時監測地面或結構物的傾斜情況,從而為工程管理和維護提供精確、及時的數據支撐。此外,在地連墻鋼筋籠的主筋位置,另外埋設豎向與橫向鋼筋計,以監測地連墻鋼筋內力的變化,鋼筋計布設間距由淺入深,逐漸減小。

3 監測數據分析

3.1 坑周地表縱向變形分析

基坑開挖至不同深度時,距基坑外邊緣不同距離地表的縱向變形變化曲線見圖2。由圖2可以看出,所有測點產生的縱向變形值基本為正值,表明整個施工過程中地表以凸起變形為主。隨著距基坑外邊緣距離的不斷增大,坑周地表縱向變形數值整體呈下降趨勢。離基坑外邊緣最遠的測點距其48m,由圖2可知,開挖至不同深度時,該測點縱向變形值均小于1mm,表明基坑施工對48m及其以外范圍的土層影響較小,可忽略不計。基坑的開挖過程對地連墻頂部的縱向變形影響程度最大,當基坑開挖深度10m時,地連墻頂部縱向凸起0.12mm;在開挖至40m深度后,則快速增至2.76mm;此后增長速率放緩,在開挖至50m時,達到最大值2.85mm。

圖2 不同開挖深度下坑周地表縱向變形曲線

圖3、圖4分別為坑周1號測點和13號測點的地表縱向變形歷時曲線。可以看出,這兩處測點的地表縱向變形均隨著施工過程的進展,整體呈現先凸起后沉降的現象,且沉降時間點均發生在160天左右,這可能是由于開挖后期地質條件、材料特性以及工程施工等因素導致的。

圖3 測點1#地表縱向變形歷時曲線

圖4 測點13#地表縱向變形歷時曲線

3.2 地連墻橫向變形分析

基坑開挖至不同深度時,不同深度處地連墻橫向變形曲線見圖5。其中,正值表示地連墻向基坑圓心方向發生收縮變形;負值表示地連墻向背離基坑圓心方向發生擴張變形。可以看出,在開挖至20m深度前,地連墻橫向變形數值為正值,表明此階段地連墻整體發生向基坑方向移動的趨勢。當開挖深度大于20m后,淺層區域尤其是地連墻頂部橫向變形數值變為負值,且快速減小,表明此階段地連墻淺層區域變形方向發生變化。這可能是由于基坑周邊的土體對地連墻產生的約束力較弱所導致的,且土體深度越淺,該約束力越弱,因此地連墻頂部產生的橫向變形最大。

圖5 不同開挖深度下地連墻橫向變形曲線

3.3 地連墻鋼筋內力分析

圖6為不同深度處地連墻橫向鋼筋計內力隨著施工歷時的變化曲線。可以看出,不同深度處地連墻橫向鋼筋計應力值基本保持正值,表明地連墻始終朝向基坑圓心方向受拉,這與3.2一節地連墻保持向心內凹的狀態相符。圖6中虛線上方數值表示開挖深度,由圖6可知,在基坑還未開挖至20m深度前,3處測點橫向鋼筋計應力均保持持續增長的趨勢,且距離開挖面越近的測點鋼筋計應力增長速率越快。當開挖面到達測點附近后,橫向鋼筋計應力開始下降,這可能是由于內襯結構承擔部分荷載所導致的。隨著開挖過程的持續進展,深度25m處測點的橫向鋼筋計應力值開始急速增長;開挖至35m時,升至其應力峰值11.68MPa;開挖35～40m的過程中,又迅速下降至2.12MPa。觀察較深土層的測點,在基坑開挖后期,其橫向鋼筋計的應力值雖有增長,但增長速率較小。這可能是由于上部鋼筋橫向應力減小,導致下部鋼筋橫向應力上升,其間發生了內力遷移。

圖6 地連墻不同深度橫向鋼筋計應力變化曲線

圖7為不同深度處地連墻縱向鋼筋計內力隨著施工歷時的變化曲線。可以看出,不同深度處地連墻縱向鋼筋計的應力值基本呈現先增大后減小的趨勢。這是因為隨著基坑內部土方的挖除,坑周土體的壓力逐漸轉移到地連墻及其內部鋼筋上,導致地連墻縱向鋼筋計的應力不斷上升,當內襯結構施工完成后,由于其可承擔部分荷載,于是地連墻縱向鋼筋計的應力開始下降。在基坑施工前期,由圖7可以觀察到,不同深度處地連墻縱向鋼筋計的應力值均為正值,表明地連墻在此階段朝向基坑圓心方向受拉,這與3.2一節地連墻保持向心內凹的狀態相符。到施工后期,25m深度處測點的地連墻縱向鋼筋計應力值開始變為負值,并不斷下降,表明施工后期淺層區域地連墻由朝向基坑圓心方向受拉狀態,轉變為遠離基坑圓心方向受壓,這與3.2一節淺層地連墻由向心內凹變為離心外凸的過程相符。這可能是由于基坑周邊土體對地連墻產生的約束力較弱所導致的,且土體越淺,該約束力越弱,因此地連墻頂部所產生的應力最大。在實際基坑工程中,應重點關注地連墻淺層尤其是頂部區域的加固。

圖7 地連墻不同深度縱向鋼筋計應力變化曲線

4 結 論

本文基于某引水工程基坑的實際監測數據,對基坑施工過程中產生的變形和內力變化規律進行了分析,結論如下:

1)坑周地表縱向變形隨著施工過程的進展,整體呈現先凸起后沉降的現象。距離施工中心地帶越遠,縱向變形的影響程度越小。

2)開挖至20m深度前,地連墻整體產生向基坑內移動的變形。開挖深度大于20m后,地連墻淺層區域橫向變形數值變為負值,且快速減小,地連墻淺層區域產生向基坑外移動的變形。

3)不同深度處地連墻鋼筋的縱向應力值,基本呈現先增大后減小的趨勢。在基坑施工前期,不同深度處地連墻縱向鋼筋計的應力值均為正值,地連墻朝向基坑圓心方向受拉;施工后期,淺層區域地連墻鋼筋的縱向應力值開始變為負值,并不斷下降,地連墻淺層區域由朝向基坑圓心方向受拉的狀態,轉變為遠離基坑圓心方向受壓。

4)地連墻頂部所產生的變形與內力最大,應重點關注地連墻淺層尤其是頂部區域的加固。