丁伯陽,李學(xué)鵬,王 哲

(浙江工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,浙江 杭州 310032)

基坑開挖現(xiàn)場監(jiān)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(jiān)測建立動態(tài)預(yù)報技術(shù).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(dāng)開挖進入后一階段,呈非線性變化,姜忻良[2]發(fā)現(xiàn)位移曲線呈現(xiàn)“弓形”,覃衛(wèi)民[3]研究中曲線類似“三角形”.關(guān)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(dān)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(fā)現(xiàn)支撐軸力增量主要發(fā)生在挖土階段,后續(xù)工況各支撐軸力基本趨于穩(wěn)定并有下降趨勢.關(guān)于地下水位,安關(guān)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(tǒng)地分析了深層土體水平位移、支撐軸力、地下水位等內(nèi)容,但是對單支撐軸力和多雨季節(jié)變化的研究較少.筆者以浙江理工大學(xué)下沙校區(qū)學(xué)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(tài)變化,提出了深層土體水平位移在后階段的變化曲線應(yīng)該理解為“右括弧形”;關(guān)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(wěn)中有降”的四步曲結(jié)論;關(guān)于地下水位,降水的前部分也是呈現(xiàn)基本平行狀態(tài),但由于季節(jié)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(jié)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(xué)下沙校區(qū)學(xué)生公寓加建2號樓位于杭州經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)學(xué)林街北側(cè)、文溯路東側(cè)、浙江理工大學(xué)下沙校區(qū)生活(二)區(qū)內(nèi).加建2號樓為15到16層學(xué)生公寓樓.該工程采用框架剪力墻結(jié)構(gòu),采用樁基礎(chǔ),設(shè)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(dāng)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(biāo)高為0.50 m.基坑最大開挖深度為7.90 m.

基坑圍護區(qū)域地形較為平坦,其西側(cè)為已建成使用的5號學(xué)生公寓樓,東側(cè)為已建成使用的4號學(xué)生公寓樓,且基礎(chǔ)邊緣線距東西兩側(cè)建筑物基礎(chǔ)間距較近,一般1.5～3 m;南北兩側(cè)距離建筑物相對較遠(yuǎn),大于5 m,場地內(nèi)及鄰近區(qū)域內(nèi)無市政地下管線布設(shè).

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)概況

場地地下水上部屬空隙潛水,地下水受季節(jié)及大氣降水條件控制,動態(tài)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(jù)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(jié)構(gòu)具弱侵蝕性.場地各土層的組成及主要物理力學(xué)指標(biāo)見表1.

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

2 基坑支護方案

基坑?xùn)|、西側(cè)距離待建4#,5#學(xué)生宿舍較近,若采用土釘墻圍護,土釘打入4#,5#學(xué)生承臺底,對管樁基礎(chǔ)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(fēng)險.若采用鉆孔樁圍護加內(nèi)支撐圍護,能較好的控制土體位移,對4#,5#學(xué)生宿舍相對影響較小;該側(cè)原有4#,5#學(xué)生宿舍外挑陽臺,沒有樁基工作面,經(jīng)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(jié)合自滲管井的圍護方案.

圖1 基坑支護結(jié)構(gòu)剖面圖Fig.1 Cross section of bracing system

3 監(jiān)測方案

深基坑的開挖是一個動態(tài)過程,與之有關(guān)的穩(wěn)定和環(huán)境影響也是個動態(tài)過程.因此,在施工過程中,對基坑圍護結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境進行了全方位、全過程的監(jiān)測.

文獻[1]對基坑開挖采用了動態(tài)監(jiān)測技術(shù),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(yù)測建立動態(tài)預(yù)報技術(shù).其特點是借助擬予采用的力學(xué)模型,根據(jù)任一開挖階段的位移量測信息反演確定當(dāng)前土體性態(tài)模型參數(shù),據(jù)以對基坑體系在同一開挖階段或下續(xù)工序中的力學(xué)狀態(tài)作出預(yù)報,并通過監(jiān)控量測驗證預(yù)報計算結(jié)果的正確性,以及據(jù)以確定是否有必要對基坑圍護結(jié)構(gòu)采取適當(dāng)工程措施進行加固或調(diào)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(yù)報計算檢驗,直至開挖結(jié)束.

圖2 基坑開挖動態(tài)預(yù)報示意圖Fig.2 The dynamic prediction of foundation pit

3.1 監(jiān)測項目

根據(jù)基坑的特殊情況,基坑監(jiān)測主要項目見表2,監(jiān)測點布置見圖3.

表2 監(jiān)測項目Table 2 The working content of the monitoring

圖3 基坑監(jiān)測布置圖Fig.3 The sketch of monitoring points

3.2 監(jiān)測頻率

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

3.3 監(jiān)測警報值的確定和處理措施

基坑工程中,本監(jiān)測方案根據(jù)浙江理工大學(xué)下沙校區(qū)學(xué)生公寓加建2號樓基坑工程監(jiān)測咨詢合同以及本工程基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計方案,并結(jié)合JGJ120—99《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》、DB33/T1008—2000《浙江省地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》中的規(guī)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(yīng)力值2 000 kN,軸力達到設(shè)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(dāng)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(yīng)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(shè)置臨時支撐;(3)設(shè)置錨桿;(4)合理安排施工順序;(5)加強監(jiān)測密度等措施.

4 監(jiān)測結(jié)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(shè)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(jiān)測結(jié)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(tài).各階段水平位移與時間變化規(guī)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(guān)系,當(dāng)開挖進入后一階段成非線性關(guān)系,以上已講述姜忻良[2]發(fā)現(xiàn)位移曲線呈現(xiàn)“弓形”,覃衛(wèi)民[3]研究中曲線類似“三角形”,筆者認(rèn)為,準(zhǔn)確地講應(yīng)理解為“右括弧型”.(2)國內(nèi)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(xiàn)出負(fù)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(jiān)測結(jié)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(fā)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(fā)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(fā)生在監(jiān)測時間的中后期,CX1,CX2,CX3的最大位移值發(fā)生在6月25日,屬于監(jiān)測后期,即便是CX4,最大位移值卻也發(fā)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(wěn)定性、減小基坑圍護樁向內(nèi)發(fā)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(shè)計值的57.75%;東邊支撐最大軸力為886 kN(GJ2),為設(shè)計值的44.3%,軸力大小均未超過設(shè)計值的80%,由此可見,軸力變化比較穩(wěn)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(jié)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(dān)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(fā)現(xiàn)支撐軸力增量主要發(fā)生在挖土階段,后續(xù)工況各支撐軸力基本趨于穩(wěn)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(dāng)開挖到支撐位置,架好支撐時,因為支撐的預(yù)加軸力使圍護樁向基坑外發(fā)生微小變形,土層被動壓縮,使軸力短時間內(nèi)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(dān)更多的土側(cè)壓力,軸力處于增加趨勢,命為“迅速上升”;(3)當(dāng)開挖進入到更深的深度,底板沒有澆注之前,外側(cè)土層發(fā)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(xiàn)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(xiàn)比較穩(wěn)定,底板施工完成后,土側(cè)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(dān)了部分土側(cè)壓力,支撐軸力表現(xiàn)為基本穩(wěn)定并有下降趨勢,命為“穩(wěn)中有降”.

4.3 坑外水位

安關(guān)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(wěn)定.其原因是安關(guān)峰[6]的研究是在非雨季節(jié),而本文局部水位上升主要是季節(jié)性原因,監(jiān)測期經(jīng)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(cè)墻體的止水功能相對較弱,從而導(dǎo)致坑外水位下降很大.地下水位下降會引起土體附加應(yīng)力的增加,從而造成土體的附加沉降,故施工中應(yīng)對坑外地下水位進行嚴(yán)格監(jiān)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(fā)展比較穩(wěn)定.

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

5 結(jié) 論

測斜管的頂端由于受施工干擾比較大,為達到監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性,應(yīng)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(yīng)嚴(yán)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(rèn)為應(yīng)更準(zhǔn)確地理解為“右括弧形”;深層土體水平位移的最大值發(fā)生在基坑開挖面附近,并且最大值不是發(fā)生在監(jiān)測前期,而是發(fā)生在監(jiān)測后期或開挖后期;地下水位下降在非雨季節(jié)中基本為線性下降趨勢,且各監(jiān)測水位下降曲線呈平行狀態(tài),但地下水位變化受季節(jié)影響大,下雨天水位局部有回升,此時呈現(xiàn)非線性變化狀態(tài),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(wěn)中有降”的四步曲結(jié)論,具有較強的實踐借鑒意義.

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