趙　敏， 厲廣廣， 孟令冬

(西安工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院, 西安　710032)

?

黃土地區(qū)深基坑土壓力監(jiān)測(cè)與分析

趙敏， 厲廣廣， 孟令冬

(西安工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院, 西安710032)

針對(duì)黃土地區(qū)深基坑的特點(diǎn)，結(jié)合具體土壓力監(jiān)測(cè)的工程實(shí)例，以西安市南門外某深基坑工程的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為例，分析深基坑在施工過(guò)程中土壓力的變化規(guī)律，得到一定的經(jīng)驗(yàn)性規(guī)律：黃土基坑開挖具有一定的時(shí)間和空間效應(yīng)，土壓力變化在空間上與監(jiān)測(cè)點(diǎn)埋深有關(guān)，埋深越大土壓力值越大，在時(shí)間上與監(jiān)測(cè)周期有關(guān)，呈先減小再增大再減小后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，坑壁位移變化與監(jiān)測(cè)點(diǎn)所處位置有關(guān)，基坑邊角及坑角密集處監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移要明顯大于遠(yuǎn)離坑角處位移，隨時(shí)間保持增長(zhǎng)，其增長(zhǎng)率逐漸較小，最終趨于穩(wěn)定。坑壁位移變化與土壓力變化整體保持一致。

黃土；基坑；土壓力

引　言

黃土在我國(guó)，尤其是西北地區(qū)分布較為廣泛。由于黃土一般呈多孔狀，其透水性強(qiáng)，具有較強(qiáng)的滲透性[1]，且其具有垂直節(jié)理發(fā)育、層次不明顯、沉陷性和抗侵蝕性等多種復(fù)雜性質(zhì)。許多學(xué)者對(duì)黃土基坑進(jìn)行了研究，如葉帥華[2]依托實(shí)際工程案例，通過(guò)基坑開挖過(guò)程中水平和豎向位移變化研究了土釘墻加預(yù)應(yīng)力錨桿復(fù)合支護(hù)等三種不同支護(hù)形式在甘肅地區(qū)黃土基坑工程中的適用性；何海鵬[3]以數(shù)值模擬的方式驗(yàn)證了甘肅某基坑現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量沉降與位移變化規(guī)律，得出基坑變形具有一定的空間效應(yīng)，即樁身不同位置以及距離基坑不同位置變形不同；胡大為[4]從黃土特性出發(fā)，以西安地區(qū)濕陷性黃土基坑的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為研究?jī)?nèi)容，對(duì)濕陷性黃土基坑監(jiān)測(cè)預(yù)警值及其監(jiān)測(cè)頻率進(jìn)行了優(yōu)化與建議。

這些研究主要從基坑變形角度出發(fā)，但對(duì)于其他監(jiān)測(cè)項(xiàng)目并為做過(guò)多提及。作為基坑監(jiān)測(cè)項(xiàng)目之一的土壓力監(jiān)測(cè)，對(duì)深基坑而言是尤為重要的。基坑開挖過(guò)程，土壓力處于一種不斷變化的狀態(tài)[5]。土壓力的大小直接影響并決定著樁的配筋、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的尺寸和入土深度等[6]，是控制基坑變形的重要監(jiān)測(cè)手段之一。本文通過(guò)對(duì)西安南門外某深基坑工程長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，總結(jié)黃土地區(qū)深基坑的土壓力及位移的變化規(guī)律，為黃土地區(qū)深基坑類似工程提供經(jīng)驗(yàn)參考。

1　工程概況

該工程位于西安地鐵2號(hào)線地鐵站附近，被環(huán)城南路分為南北兩塊區(qū)域。兩塊區(qū)域基坑?xùn)|西最大長(zhǎng)度約為93 m和76 m，南北130 m和92 m，平均深度11.6 m。根據(jù)基坑周邊建筑物的不同情況，采用攪拌樁加固、樁與豎向斜撐的復(fù)合支護(hù)、懸臂雙排樁等多種加固和支護(hù)方法，并采用分塊、分層開挖等綜合作業(yè)。

2　地質(zhì)及水文條件

該基坑所屬區(qū)域?yàn)辄S土梁洼地貌，為非自重濕陷性黃土，濕陷等級(jí)為I級(jí)(輕微)，其地層及特征自下而上見(jiàn)表1?；颖眰?cè)為西安護(hù)城河，基坑地下水位為潛水型(穩(wěn)定介于8.8～10.8 m)，水位變化的主要影響來(lái)自大氣降水和側(cè)向徑流補(bǔ)給。水文條件受地下水位及周邊降水施工影響較大，監(jiān)測(cè)時(shí)應(yīng)當(dāng)充分給予考慮，及時(shí)調(diào)整。

表1　地質(zhì)條件各層分布表

3　土壓力監(jiān)測(cè)

3.1土壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

根據(jù)規(guī)范[7-8]要求，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘察實(shí)際情況，在距離坑內(nèi)壁支護(hù)結(jié)構(gòu)一定距離的基坑周圍土體內(nèi)，相對(duì)容易產(chǎn)生大變形的關(guān)鍵部位布設(shè)了6個(gè)土壓力孔，每孔分別在3 m、6 m、9 m埋設(shè)處緊貼坑壁面向坑外布置土壓力盒，其受力面(光面)與坑壁作用土體垂直，并用細(xì)沙包裹壓實(shí)，以監(jiān)測(cè)坑壁土體水平方向壓力變化。共布設(shè)18個(gè)土壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)。詳細(xì)布設(shè)如圖1所示。

圖1監(jiān)測(cè)布點(diǎn)平面及土壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)縱向布設(shè)圖

3.2土壓力監(jiān)測(cè)儀器及原理

目前國(guó)內(nèi)監(jiān)測(cè)土壓力常用的土壓力計(jì)主要有差動(dòng)電阻式和鋼弦式兩種[9]，本工程監(jiān)測(cè)采用振弦式雙膜壓力盒，用480型頻率儀對(duì)壓力盒進(jìn)行測(cè)試，對(duì)對(duì)應(yīng)編號(hào)的壓力盒所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)并實(shí)時(shí)記錄。并通過(guò)公式進(jìn)行換算：

式中：P側(cè)為土體對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)壓力；k為壓力盒的標(biāo)定系數(shù)；f1,f2分別為壓力盒鋼弦的初始頻率和壓力盒鋼弦的量測(cè)頻率[10]。

4　土壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

4.1監(jiān)測(cè)結(jié)果

基坑?xùn)|段自2013年12月開始開挖，至2014年1月開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高，3月中旬基坑開始回填，至四月初回填完畢；西段自2013年10月基坑開挖，至12月中旬開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高，2014年2月初開始回填，至3月中旬回填完畢。東西段累計(jì)觀測(cè)分別為58期和116期。土壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)匯總?cè)缦拢?/p>

(1)以開挖初期和開挖穩(wěn)定階段，基坑?xùn)|西兩段應(yīng)力增量及其日均變化率的極值和平均值匯總，繪制土壓力變化數(shù)據(jù)表(表2)。

(2)以應(yīng)力監(jiān)測(cè)時(shí)間為橫軸，應(yīng)力增量為縱軸，繪制了土壓力隨時(shí)間變化曲線圖(圖2)。

4.2數(shù)據(jù)分析

長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，基坑開挖及地下結(jié)構(gòu)的施工過(guò)程中，坑壁土體內(nèi)部產(chǎn)生的土壓力的總體變化相對(duì)較小，并且趨勢(shì)趨于平穩(wěn)，該基坑工程土體始終處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，符合基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范要求。

從表2土壓力變化數(shù)據(jù)匯總表可以看出，與基坑開挖初期相比，開挖穩(wěn)定階段的應(yīng)力增量及日均變化率較小且趨于0，即土體最終趨于穩(wěn)定。土壓力最大最小值分別出現(xiàn)在底層監(jiān)測(cè)點(diǎn)(TY-3、6、9)和表層監(jiān)測(cè)點(diǎn)(TY-1、4、7)，即土壓力值與監(jiān)測(cè)點(diǎn)埋深有關(guān)，且一般隨埋深增大而增加。

表2　土壓力變化數(shù)據(jù)匯總表

圖2土壓力隨時(shí)間變化曲線圖

從圖2土壓力隨時(shí)間變化曲線圖可以看出，土壓力在隨監(jiān)測(cè)時(shí)間變化過(guò)程中，整體滿足先減小后增大再減小，圍繞某一特定軸線小幅度的上下波動(dòng)，最終趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。土壓力在基坑開挖初期，減小最為迅速，變化最為明顯，即開挖初期是土壓力監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵時(shí)期?；娱_挖不同階段對(duì)土壓力變化影響較為明顯，開挖過(guò)程中隨著開挖深度的增加坑壁土體不斷卸載，至基坑回填坑壁土體壓力基本平衡，應(yīng)力增量最終趨于穩(wěn)定。穩(wěn)定時(shí)的土壓力值一般要低于開挖初期的土壓力值，這是因?yàn)?，一方面隨著基坑開挖正常固結(jié)土轉(zhuǎn)變?yōu)槌探Y(jié)土，其強(qiáng)度增大，一定程度上能夠有效的控制土壓力[11]；另一方面是施工過(guò)程中采取的支護(hù)措施對(duì)基坑的變形起到一定的約束作用。

4.3結(jié)果評(píng)價(jià)

陸培毅[12-13]和楊慶[14]分別以室內(nèi)模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)為依據(jù)對(duì)粘性土、砂性土及卵石底層中基坑開挖過(guò)程土壓力變化規(guī)律進(jìn)行分析研究，不同地區(qū)不同土質(zhì)基坑土壓力變化各有異同，總體都滿足非線性動(dòng)態(tài)波紋式的變化且隨埋深增大而變大的規(guī)律。黃土基坑土壓力變化總體與之類似，但由于黃土的垂直節(jié)理特征和較強(qiáng)的滲透性，在遇到振動(dòng)或者浸水現(xiàn)象時(shí)，土壓力在基坑開挖及降水階段，尤其是開挖初期變化相對(duì)較大。這就要求，基坑開挖及降水階段適當(dāng)提高土壓力的監(jiān)測(cè)頻率、控制降水速率、規(guī)范開挖機(jī)械及運(yùn)輸機(jī)械操作等，對(duì)于正常施工期間兩次監(jiān)測(cè)結(jié)果誤差較大的點(diǎn)進(jìn)行復(fù)測(cè)，數(shù)據(jù)長(zhǎng)期波動(dòng)較大的點(diǎn)可考慮重新布點(diǎn)，以確保工程質(zhì)量安全。

5　基坑變形監(jiān)測(cè)

基坑坑壁周圍共布設(shè)水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)37個(gè)，其中西段28個(gè)，東段9個(gè)，根據(jù)基坑開挖及施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，基坑?xùn)|、西段分別采用極坐標(biāo)法和小角法監(jiān)測(cè)，東段水平位移觀測(cè)點(diǎn)布設(shè)如圖1所示，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果如圖3所示。

從圖3曲線可知，遠(yuǎn)離基坑邊角的SPD-4點(diǎn)的位移最終遠(yuǎn)小于靠近基坑邊角及坑角相對(duì)密集的其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)，且整體穩(wěn)定，水平位移相對(duì)變化較小，這與王旭軍[15]的研究結(jié)果一致，所測(cè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)增量均未達(dá)到監(jiān)測(cè)方案要求的預(yù)警值(10 mm)，且最終趨于穩(wěn)定，與土壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果一致。現(xiàn)場(chǎng)觀察坑壁無(wú)明顯裂縫現(xiàn)象，各項(xiàng)指標(biāo)滿足規(guī)范[16]要求。

6　結(jié)　論

本文以西安市南門外某深基坑的土壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究黃土地區(qū)深基坑土壓力變化規(guī)律，得出以下結(jié)論：

(1)黃土地區(qū)深基坑土壓力受黃土自身結(jié)構(gòu)性影響，總體變化相對(duì)較小，西安市南門外某深基坑的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，基坑土壓力及位移的變化在允許范圍內(nèi)，滿足工程安全要求。

(2)基坑工程具有一定的時(shí)空效應(yīng)[17-18]。在本工程中主要表現(xiàn)為：基坑土壓力大小與壓力盒埋深大體呈正態(tài)線性相關(guān)，土壓力監(jiān)測(cè)時(shí)間變化滿足減小-增大-減小-穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)發(fā)展模式；基坑坑壁位移滿足基坑邊角及坑角密集處大于遠(yuǎn)離坑角坑壁位移的規(guī)律，總體位移隨監(jiān)測(cè)時(shí)間變化先增長(zhǎng)后趨于穩(wěn)定。

(3)本文研究的出發(fā)點(diǎn)為深基坑的土壓力監(jiān)測(cè)，在實(shí)際工程中應(yīng)當(dāng)充分結(jié)合基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移、沉降監(jiān)測(cè)及周邊建筑物的沉降監(jiān)測(cè)、地下水位監(jiān)測(cè)、錨桿軸力監(jiān)測(cè)等監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，更加完善地對(duì)基坑進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，確保工程的安全。

[1] 劉穎.黃土的滲透性[M].北京:科學(xué)出版社,1961.

[2] 葉帥華,陳長(zhǎng)流,寇巍巍,等.蘭州市某深基坑工程位移監(jiān)測(cè)及變形特性分析[J].巖土工程學(xué)報(bào),2014(S2):400-455.

[3] 何海鵬,楊有海.蘭州某基坑變形監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào),2015,34(6):38-44.

[4] 胡大為.濕陷性黃土地區(qū)深基坑監(jiān)測(cè)技術(shù)研究及應(yīng)用[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué),2014.

[5] Silvestri V,Ashok k,Chugh D R.Lateral earth pressure problem of cohesive backfill with inclined surface[J].Journal Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,1996,122(6):863-873.

[6] 趙曉峰.黃土基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的土壓力[J].勘察科學(xué)技術(shù),2012(4):38-41.

[7] GB50497-2009,建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范[S].

[8] JGJ311-2013,建筑深基坑工程施工安全技術(shù)規(guī)范[S].

[9] 張輝,劉國(guó),陳昌彥.土壓力監(jiān)測(cè)在高填方下剛性樁復(fù)合地基沉降分析中的應(yīng)用[J].工程勘察,2011(3):31-35.

[10] 錢家歡.土力學(xué)[M].南京:河海大學(xué)出版社,1995.

[11] 雷國(guó)慶,方曉梅,武豫東.深基坑中考慮超固結(jié)效應(yīng)的有效土壓力計(jì)算[J].巖土力學(xué),2002(S1):154-156.

[12] 陸培毅,嚴(yán)馳,劉潤(rùn).粘性土基于室內(nèi)模型試驗(yàn)土壓力分布形式的研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2002,23(2):83-86.

[13] 陸培毅,嚴(yán)馳,顧曉魯.砂土基于室內(nèi)模型試驗(yàn)土壓力分布形式的研究[J].土木工程學(xué)報(bào),2003,36(10):84-88.

[14] 楊慶,錢霄.成都砂卵石地層樁錨支護(hù)側(cè)土壓力實(shí)測(cè)分析[J].土工基礎(chǔ),2011,25(2):22-26.

[15] 王旭軍,龔劍,趙錫宏.某超大深基坑工程圍護(hù)墻變形實(shí)測(cè)與分析[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2015,11(6):1588-1595.

[16] GB50026-2007,工程測(cè)量規(guī)范[S].

[17] 付立彬,宋夢(mèng).空間效應(yīng)對(duì)基坑開挖圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2015,11(6):1596-1602.

[18] 劉念武,龔曉南,樓春暉.軟土地區(qū)基坑開挖對(duì)周邊設(shè)施的變形特性影響[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版,2014,48(7):1141-1147.

Monitoring and Analysis of Soil Pressure of Deep Foundation Pit in Loess Area

ZHAOMin,LIGuangguang,MENGLingdong

(School of Civil & Architecture Engineering, Xi’an Technological University, Xi’an 710032, China)

Respect to the characteristics of deep foundation pit in loess region, combined with specific engineering examples of earth pressure monitoring, the long-term monitoring data of a deep foundation pit at Xi’an Nanmen engineering is taken as an example, and the variation of earth pressure in the process of deep foundation pit construction is analyzed. Some empirical regularity are obtained: The excavation of loess foundation pit has a certain time and space effect; soil pressure changes are related to the depth of the monitoring points in space and increased with the depth; it's related to the monitoring cycle in time, assuming a decrease-increase-decrease-stable trend; the change of the pit wall is related to the location of the monitoring points, and the displacement of the monitoring points in the corner of the pit or the corner of the pit is much larger than that far away from the pit; it's maintaining growth in time, but the growth rate is gradually smaller, and eventually tend to be stable. The change of wall displacement and soil pressure are consistent as a whole.

loess; foundation pit; soil pressure

2016-03-07

陜西省教育廳項(xiàng)目(14JK1340)

趙 敏(1970-)，女，陜西楊凌人，教授，碩士，主要從事巖土工程、隧道與城市地下工程方面的研究，(E-mail)zhaominxait@163.com

1673-1549(2016)03-0081-04

10.11863/j.suse.2016.03.17

TU432

A