軟土地區(qū)超寬基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計與監(jiān)測分析

摘 要：本文以實(shí)際工程為研究對象，介紹了某軟土地區(qū)超寬深基坑的基礎(chǔ)條件和支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計要點(diǎn)，然后采用監(jiān)測數(shù)據(jù)分析的研究方法，對存在軟土地層的超寬深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力變形規(guī)律進(jìn)行了深入研究，研究結(jié)果表明，軟土地層會增加支護(hù)結(jié)構(gòu)所受主動土壓力，使支護(hù)結(jié)構(gòu)變形量增加，同時內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)軸力增加。基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，研究背景中所采用的支護(hù)樁+止水帷幕+內(nèi)支撐的支護(hù)體系能夠抵御軟土地層對基坑工程的影響，保障基坑工程的安全性。本文研究內(nèi)容對軟土地區(qū)超寬深基坑工程具有一定借鑒意義。

關(guān)鍵詞：軟土地層；深基坑；超寬基坑；監(jiān)測數(shù)據(jù)分析；內(nèi)支撐

中圖分類號：TU 75" " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著城市化進(jìn)程的加快和建筑工程技術(shù)的不斷發(fā)展，城市內(nèi)建設(shè)用地越來越緊張，因此為滿足城鎮(zhèn)居民需求，需要在各類環(huán)境中進(jìn)行建設(shè)活動[1]。為滿足居民需求，需要在一些存在建筑空間狹小、不良地質(zhì)體、周圍環(huán)境要求高等問題的環(huán)境下進(jìn)行建設(shè)開發(fā)，而如何在此類環(huán)境中進(jìn)行建筑開發(fā)是現(xiàn)階段建筑行業(yè)發(fā)展的一個重難點(diǎn)問題[2]。尤其在我國部分城市存在軟土類地質(zhì)不良問題，具有變形量大、承載力差等缺點(diǎn)，這些是影響基坑安全的重要因素之一[3]。而道路工程的建設(shè)過程會出現(xiàn)一些寬度較大的基坑工程，超寬基坑由于開挖面積較大，對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的主動土壓力較大，因此對支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求較高。本文以實(shí)際工程為研究對象，深入分析軟土環(huán)境下的超寬基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力變形規(guī)律，以期為后續(xù)相關(guān)基坑工程提供借鑒。

1 工程概況

某城市內(nèi)道路工程有一段長約230m的隧道段，根據(jù)建設(shè)需求，主線隧道主要為雙向四車道，匝道接入段為雙向六車道，隧道采用明挖法施工。開挖深度為13m，局部達(dá)16m以上。基坑整體寬度最小處為35.14m，最大處為56.00m，隧道整體采用直立開挖的施工模式，采用支護(hù)樁和內(nèi)支撐的支護(hù)模式，保障基坑工程安全。

工程地質(zhì)條件：根據(jù)勘探結(jié)果，構(gòu)成場地地基土的主要是表層填土，其下為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，中下部為一般沉積的粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土夾黏質(zhì)粉土、粉砂、黏質(zhì)粉土。場地土層分布及土性具體描述如下，土層物理力學(xué)性質(zhì)見表1。

①層雜填土：雜色，大部分為灰土路基，少量為磚屑、碎石等建筑垃圾，平均厚度為1.28m。

②層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉土：灰色，流塑，水平層理發(fā)育，局部夾薄層粉土，局部為軟塑～流塑粉質(zhì)黏土，平均厚度為12.25m。

②1層粉質(zhì)黏土：灰色，軟塑，干強(qiáng)度中等，中韌性，平均厚度為1.47m。

③層粉質(zhì)黏土：灰黃色，可塑，干強(qiáng)度中等偏高、韌性中等偏高，中等壓縮性，中等強(qiáng)度偏高，平均厚度為4.32m。

④層粉質(zhì)黏土夾黏質(zhì)粉土：灰～灰黃色，可塑，粉質(zhì)黏土為可塑狀態(tài)，局部軟塑，含少量鐵錳質(zhì)物；質(zhì)黏土與粉土呈夾層狀結(jié)構(gòu)分布，粉土層厚為0.2～0.3m，平均厚度為4.57m。

⑤層粉質(zhì)黏土：灰黃色，可塑，可見鐵錳質(zhì)結(jié)核及青灰色鈣質(zhì)團(tuán)塊，干強(qiáng)度中等偏高、韌性中等偏高，中等壓縮性，中等強(qiáng)度偏高，平均厚度為2.37m。

⑥層粉質(zhì)黏土：灰黃色，可塑，含較多青灰色鈣質(zhì)條帶，干強(qiáng)度中等偏高、韌性中等偏高，中等壓縮性，中等強(qiáng)度偏高，干強(qiáng)度中等偏高、韌性中等偏高，中等壓縮性，中等強(qiáng)度偏高，平均厚度為2.48m。

⑦層粉質(zhì)黏土：灰黃～黃褐色，硬塑，硬塑狀態(tài)為主，局部可塑狀態(tài)，局部在23m～25m左右夾薄層粉土，干強(qiáng)度高、韌性高，中等壓縮性，平均厚度為10.45m。

⑧層粉質(zhì)黏土夾黏質(zhì)粉土：灰黃色，可塑，粉質(zhì)黏土為可塑狀態(tài)，局部軟塑，含少量鐵錳質(zhì)物；黏質(zhì)粉土為濕～很濕，稍密狀態(tài)，含石英碎屑及云母片，平均厚度為8.12m。

2 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

以匝道接入段為例，其基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)經(jīng)典斷面示意圖如圖1所示。本工程所采用的支護(hù)體系為支護(hù)樁+內(nèi)支撐的形式，其中基坑工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁的形式。鉆孔灌注樁樁徑為0.6m，樁長為24～30m，鉆孔灌注樁外側(cè)設(shè)置?850@500三軸攪拌樁作為止水帷幕，止水帷幕的水泥摻量為15%。在鉆孔灌注樁頂設(shè)置一道1000mm×800mm混凝土圈梁，自上而下第一道橫撐采用800mm×600mm砼支撐，其他橫撐均采用鋼管支撐，鋼管支撐道數(shù)從1～3道不等。匝道接入段處，考慮到基坑寬度達(dá)到56m，橫向支撐均采用混凝土支撐，圍檁及豎向支撐的設(shè)置與SMW工法樁相同。

3 基坑變形監(jiān)測分析

為保障基坑工程安全性，本工程在支護(hù)結(jié)構(gòu)施工過程中同步設(shè)置支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力變形監(jiān)測，分別對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移、內(nèi)支撐軸力、基坑外土體沉降、基坑底部土體隆起等內(nèi)容進(jìn)行監(jiān)測。本文對匝道接入段的部分監(jiān)測點(diǎn)位從基坑開挖完成后120d內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，明確軟土地區(qū)超寬深基坑應(yīng)力變形規(guī)律。

3.1 支護(hù)樁水平位移

圖2為匝道接入段中變形量最大的支護(hù)樁監(jiān)測點(diǎn)位Z-2在基坑開挖完成后第30d、60d、90d、120d的樁身水平位移變化曲線，在基坑開挖完成后，基坑支護(hù)樁水平位移總體變形量基本不發(fā)生較大變化，但隨著支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)揮時間越長，基坑位移量逐漸增加。除此之外，基坑開挖深度為16.0m，此處軟土段深度為12.79m，根據(jù)變形規(guī)律可知，軟土使基坑支護(hù)樁水平變形量急劇增加，與下部土層相比，軟土層段基坑變形量增加約為300%，說明軟土地層對超寬深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性具有較大影響。基坑開挖深度下部支護(hù)樁出現(xiàn)一定程度的偏向基坑外側(cè)的位移，出現(xiàn)該情況的原因主要是支護(hù)樁作為剛體材料，上部土體發(fā)生向基坑內(nèi)部的位移，則支護(hù)樁下部位移就會存在偏向基坑外側(cè)的變形趨勢。除此之外，本工程中支護(hù)樁最大位移多發(fā)生在頂部，基坑整體呈現(xiàn)向坑內(nèi)凸出的形式，且在軟土層下，基坑變形量明顯縮小，說明軟土底層對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力變形具有較大影響。

3.2 內(nèi)支撐軸力分析

本研究對隧道接入段內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)的軸力進(jìn)行了監(jiān)測，第一道混凝土支撐軸力在施工完成后120d內(nèi)的軸力變化見表2，其中，正值為拉應(yīng)力，負(fù)值為壓應(yīng)力。混凝土支撐整體為壓應(yīng)力，數(shù)值方面仍在合理范圍內(nèi)，并未達(dá)到設(shè)計要求的危險警戒值。混凝土支撐能夠在開挖面積大、開挖深度大的情況下做到減少支護(hù)結(jié)構(gòu)空間資源占用情況，提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體其強(qiáng)度、剛度的作用。從軸力監(jiān)測值看，本工程所設(shè)置的混凝土支撐結(jié)構(gòu)發(fā)揮了自身作用，并在抵抗支護(hù)結(jié)構(gòu)土壓力方面也發(fā)揮了很好的作用。

下部鋼支撐在基坑開挖完成后30d內(nèi)的軸力詳細(xì)變化趨勢如圖3所示。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果可知，壓力值均為負(fù)值，說明內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)整體為壓應(yīng)力，結(jié)合支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移趨勢可知，內(nèi)支撐軸力在合理范圍內(nèi)，且根據(jù)檢測數(shù)據(jù)可知，整體軸力值在合理范圍內(nèi)，并未達(dá)到危險警戒值，說明內(nèi)支撐體系能夠完好的滿足基坑開挖需求[4]。根據(jù)鋼支撐軸力分布情況可知，鋼支撐ZC2位于軟土地層，ZC3位于下部穩(wěn)定地層，軟土地層會導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)所受主動土壓力增加，使其向基坑內(nèi)部運(yùn)動的趨勢增加，導(dǎo)致支撐結(jié)構(gòu)軸力明顯大于下部穩(wěn)定地層支撐軸力[5]。除此之外，第三層鋼支撐4個監(jiān)測點(diǎn)位的監(jiān)測數(shù)據(jù)整體較為分散，其原因是第三層鋼支撐距離地面較近，在基坑開挖完成后，隨即對基礎(chǔ)部分進(jìn)行了施工，隨著施工進(jìn)行，第三層鋼支撐所受影響較大，導(dǎo)致其應(yīng)力分布較為分散且數(shù)值變化較大[6]。在監(jiān)測點(diǎn)ZC3-3位置得到的鋼支撐軸力突變較為嚴(yán)重，尤其12d和27d時，軸力發(fā)生了明顯突降，ZC2-4、ZC2-2在17d均出現(xiàn)了突變，事實(shí)表明，短暫的軸力突變并不會對基坑安全產(chǎn)生不利影響。本工程中支撐軸力突變可分為兩個部分，12d和17d時突變后，軸力比突變前發(fā)生了明顯下降，基礎(chǔ)施工引起的回填效應(yīng)使圍護(hù)結(jié)構(gòu)所受土壓力發(fā)生了一定變化，27d時的突變前后軸力值基本保持一致，此處主要是基坑施工過程大型機(jī)械荷載的短時作用所致。

3.3 坑外土體沉降

基坑施工完成后，基坑周邊土體沉降曲線如圖4所示，結(jié)合基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移量可知，工程中基坑開挖所產(chǎn)生的土體卸荷作用導(dǎo)致的土體變形量整體較小，最大沉降量小于0.6mm。本工程支護(hù)結(jié)構(gòu)自身變形量比同類工程小，基坑開挖過程中土體的變形實(shí)質(zhì)上是土體卸荷所引起的土體應(yīng)力重分布，在重分布的過程中，以變形的形式抵抗應(yīng)力變化[7-8]。基坑外部及底部土體實(shí)質(zhì)上為統(tǒng)一整體，在支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用下，側(cè)壁變形量較小，同時基坑開挖完成后即開始隧道的施工，底部隆起量同樣較小，因此導(dǎo)致基坑周圍的土體整體變形較小。圖4所示基坑外土體變形并無明顯規(guī)律性分布，說明本工程所采用的支護(hù)結(jié)構(gòu)體系能夠滿足工程建設(shè)需求。

4 結(jié)論

為進(jìn)一步明確軟土地層對超寬深基坑開挖的影響，本文以實(shí)際案例為研究對象，分析了研究對象的支護(hù)結(jié)構(gòu)效果，得出以下結(jié)論。1）與一般地層相比，軟土底層大大增加了基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)向基坑內(nèi)變形的趨勢，同時還會增加內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)軸力，對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性要求更高。2）研究背景中所選用的支護(hù)樁+內(nèi)支撐的支護(hù)體系可以滿足工程建設(shè)需求，基坑開挖過程中所產(chǎn)生的位移、沉降以及支撐體系軸力等均在合理范圍內(nèi)。本研究內(nèi)容對軟土地層超寬深基坑的開挖支護(hù)具有一定借鑒意義。

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