深厚淤泥質(zhì)土層復(fù)雜環(huán)境下大面積基坑支護(hù)研究

翟文琦 呂明喜

（勝利信科（山東）勘察測繪有限公司，山東 東營 257000）

在城市化發(fā)展過程中，地下停車場、地下鐵道、市政隧道等工程項目得以大量修建，這些地下空間結(jié)構(gòu)施工往往采用基坑明挖法進(jìn)行施工，基坑工程也朝著開挖面積大、開挖深度大的方向發(fā)展，對基坑支護(hù)提出了更高的要求[1]。特別是在深厚淤泥質(zhì)土層這類復(fù)雜環(huán)境下，基坑支護(hù)的設(shè)計與施工面臨更大的挑戰(zhàn)。淤泥質(zhì)土層具有高含水量、高流變性、高壓縮性、低強(qiáng)度等特點，使得基坑在開挖過程中極易發(fā)生基坑變形和失穩(wěn)，給施工安全和周邊環(huán)境帶來威脅[2]。因此，充分考慮淤泥質(zhì)土層的力學(xué)特性和施工工況，采取必要的施工加固措施和變形控制措施是基坑工程安全施工中重要研究內(nèi)容[3]。

王剛等人[4]運(yùn)用FALC3D 有限差分程序研究了軟土地質(zhì)條件下攪拌樁復(fù)合土釘支護(hù)體系的受力穩(wěn)定性和變形特征，研究深層攪拌樁的受力具有中間較小、兩端較大的特點，在實際工程中可以設(shè)置土釘傾角為30°，以較好地適應(yīng)軟土工程地質(zhì)條件的支護(hù)；喻偉等人[5]研究了富水軟弱土層中深基坑降水及開挖施工，基坑采用地下連續(xù)墻施工，研究運(yùn)用三維有限元模擬基坑周邊地表沉降、地下連續(xù)墻變形等，成果已應(yīng)用于深圳地鐵10號線福田口岸站基坑工程；任曉敏等人[6]運(yùn)用Midas GTS NX有限元軟件分析了濱海沼澤區(qū)狹長形基坑工程的地表沉降和圍護(hù)樁的水平變形規(guī)律，研究指出沼澤區(qū)富水深基坑開挖變形與其他地區(qū)工況下的深基坑變形具有類似的變化規(guī)律。

本文以山東省東營市某高層住宅小區(qū)項目深基坑工程為研究對象，在分析場區(qū)地質(zhì)條件和周邊環(huán)境的基礎(chǔ)上，運(yùn)用現(xiàn)場實測的方法研究了不同開挖階段基坑工程的地表沉降、圍護(hù)樁的側(cè)向位移，研究成果可以應(yīng)用于復(fù)雜周邊環(huán)境下深厚淤泥質(zhì)土層深基坑大面積開挖的支護(hù)設(shè)計和施工控制。

1 工程概況

山東省東營市某高層住宅小區(qū)項目規(guī)劃總用地面積為65000m2，項目主要由10棟32層高層建筑組成，配套2棟1～2層的商業(yè)樓，設(shè)2層地下室，地下室采用基坑明挖法施工。基坑開挖面積達(dá)到46000m2，屬于超大面積基坑開挖，基坑平面大致呈不規(guī)則矩形，東西方向約200m，南北方向約230m，基坑開挖深度為9m，局部電梯井附近開挖深度達(dá)到10m。基坑周邊環(huán)境復(fù)雜，東側(cè)緊鄰城市高架，距離基坑邊線5m處有110kV的高壓混凝土電纜溝，南側(cè)為城市主干道，分布有大量的市政管線，西側(cè)基坑邊線距離居民小區(qū)約為10m，北側(cè)紅線外2.5m 為天然水渠，水渠寬度約2.5m，平水期水深達(dá)到1.5m。場區(qū)潛水水位為地表下1.5m，潛水與地表水體存在水力聯(lián)系，潛水水平面與天然水渠中水面基本一致，在雨季豐水期時，水位變化幅度約1m。

復(fù)雜的周邊環(huán)境對大面積基坑工程開挖的變形控制、穩(wěn)定性控制要求嚴(yán)格，為此，基坑工程采用了“鉆孔灌注樁+三軸攪拌樁+混凝土內(nèi)支撐”的聯(lián)合支護(hù)方式，鉆孔灌注樁直徑為800mm，中心間距為1000mm，樁長為18m，鉆孔灌注樁的外部設(shè)置三軸攪拌樁作為地基加固和止水輔助措施，三軸攪拌樁設(shè)置數(shù)量為3 排，直徑為850mm，中心間距為1200mm，有效樁長為9m，基坑內(nèi)部設(shè)置2道鋼筋混凝土內(nèi)支撐，第一道內(nèi)支撐設(shè)在基坑開挖-1.5m處，內(nèi)支撐寬度為500mm，高度為700mm；第二道內(nèi)支撐設(shè)在基坑開挖-6m 處，內(nèi)支撐寬度為600mm，高度為700mm，基坑封底墊層采用C20 混凝土，厚度為150mm。基坑支護(hù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系如圖1所示。

圖1 基坑支護(hù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系

2 場區(qū)工程地質(zhì)條件分析

場區(qū)地層分布廣，厚度大，地表高程在3.37m～6.67m，現(xiàn)狀地形略有起伏。場區(qū)地基土大致呈水平成層分布，土層稍有起伏，主要分布深厚的軟黏土地層，包括淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土和黏土。根據(jù)不同土層的工程力學(xué)性質(zhì)特征，可分為6 個工程地質(zhì)層，細(xì)分為10個工程地質(zhì)亞層，各土層依次為雜色①填土、流塑～軟塑②1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、流塑②2淤泥質(zhì)黏土、稍密～中密②a粉土夾粉砂、可塑～硬塑③黏土、軟塑～可塑④1粉質(zhì)黏土夾粉土、中密飽和④2粉砂夾粉土、流塑～軟塑⑤粉質(zhì)黏土、可塑～硬塑⑥黏土。各層土的工程地質(zhì)參數(shù)如表1所示。

表1 場區(qū)地基土工程地質(zhì)參數(shù)

從表1 可以看出，場區(qū)分布的灰色②1層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，抗剪強(qiáng)度較低，孔隙比高，厚度變化較小，場區(qū)揭露厚度范圍為2.0m～3.5m，平均厚度達(dá)到3.5m，對基坑穩(wěn)定性不利，現(xiàn)場取出的②1層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土樣品如圖2（a）所示；灰黃色②2層淤泥黏土層，該類土層具高壓縮性、高孔隙比，厚度變化較小，場區(qū)揭露厚度范圍為3.3m～5.5m，平均厚度達(dá)到4.7m，易產(chǎn)生較大的沉降變形，現(xiàn)場取出的②2層淤泥質(zhì)黏土樣品如圖2（b）所示。

圖2 淤泥質(zhì)土層的土樣

3 不同基坑開挖階段基坑變形規(guī)律及支撐軸力實測研究

為了分析深厚淤泥質(zhì)土層條件下深基坑開挖對土體的擾動、支撐軸力以及自身支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律，研究運(yùn)用現(xiàn)場實測的方法測試基坑地表沉降、鉆孔灌注樁水平位移和鋼筋混凝土支撐軸力[7-9]。深基坑工程開挖主要分為7個階段，分別為①場地平整、鉆孔灌注樁、中間立柱施工→②冠梁施工、基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)封閉成環(huán)→③基坑降水→④基坑開挖至-2.0m，施作第一道鋼筋混凝土支撐→⑤基坑開挖至-6.5m，施作腰梁及第二道鋼筋混凝土支撐→⑥基坑開挖至-9.0m，封閉基坑底部→⑦逐步向上施作地下結(jié)構(gòu)，其中步驟④～步驟⑥是施工過程位移控制和支撐軸力控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

圖3 為基坑工程開挖步驟④～步驟⑥過程中距離基坑邊線不同位置處的地表沉降實測曲線。從圖3 中可以看出，在深厚淤泥質(zhì)土條件下，不同開挖深度時地表的沉降變形規(guī)律基本一致，均隨著距離的增加呈現(xiàn)“勺”狀，在距離基坑邊線較近的位置，地表沉降較大，在距離基坑邊線約1.5H（H 為基坑開挖深度）外，地表沉降趨于零，地表沉降峰值隨著基坑工程開挖深度的增加而逐步向遠(yuǎn)離基坑的方向偏移，地表峰值出現(xiàn)在距離基坑邊線約1.0H 位置處，施工至基坑底部時地表最大沉降為9.8mm。由此表明，基坑開挖深度導(dǎo)致的淤泥質(zhì)土層擾動逐步增大，由此產(chǎn)生了更大的地表沉降，在實際大面積深基開挖過程中，應(yīng)加大地表沉降監(jiān)測范圍和加密地表沉降監(jiān)測頻率。

圖3 不同基坑開挖階段下地表沉降實測曲線

為基坑工程開挖步驟④～步驟⑥過程中圍護(hù)樁結(jié)構(gòu)不同深度處的水平位移。從圖4中可以看出，在深厚淤泥質(zhì)土條件下，不同開挖深度時圍護(hù)樁水平向變形規(guī)律基本一致，均呈現(xiàn)“弓”字形，其水平向位移峰值出現(xiàn)在基坑開挖面附近，并隨著基坑開挖深度的增加而增加。由此表明，深基坑的大面積開挖對軟土地質(zhì)產(chǎn)生了不同程度的擾動，使得淤泥的天然應(yīng)力狀態(tài)被破壞，擾動范圍逐步增大，導(dǎo)致移至圍護(hù)樁的土體側(cè)限荷載也逐步增加，施工至基坑底部時地表最大沉降為10.2mm。

圖4 不同基坑開挖階段下圍護(hù)樁水平向位移實測曲線

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圖5 為不同開挖時間基坑鋼筋混凝土軸力的變化曲線。從圖5 中可以看出，在基坑開挖較淺時，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的軸力主要由第一道鋼筋混凝土支撐承受，其軸力逐步增加，在第20d 時達(dá)到峰值，約為160kN；然后，施作了第二道鋼筋混凝土支撐，基坑土體的側(cè)向力由第一道鋼筋混凝土支撐和第二道鋼筋混凝土支撐共同承擔(dān)；隨后，第二道支撐的軸力逐步增大并趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定的軸力值約為260kN，而第一道支撐的軸力逐步減小，在施工至基坑底部時，第一道支撐的軸力降至85kN。

圖5 鋼筋混凝土軸力隨時間的變化曲線

4 結(jié)語

（1）不同開挖階段，地表沉降均隨著距離的增加呈現(xiàn)“勺”狀，地表沉降峰值隨著基坑工程開挖深度的增加而逐步向遠(yuǎn)離基坑的方向偏移，地表峰值出現(xiàn)在距離基坑邊線約1.0H 位置處，施工至基坑底部時地表最大沉降為9.8mm。

（2）不同開挖深度時，圍護(hù)樁水平向變形均呈現(xiàn)“弓”字形，其水平向位移峰值出現(xiàn)在基坑開挖面附近，并隨著基坑開挖深度的增加而增加，施工至基坑底部時地表最大沉降為10.2mm。

（3）在基坑開挖較淺時，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的軸力主要由第一道鋼筋混凝土支撐承受，其軸力逐步增加，隨后施作了第二道鋼筋混凝土支撐，第二道支撐的軸力逐步增大并趨于穩(wěn)定，而第一道支撐的軸力則逐步減小。