馮 虎 黃 鋒 周啟宏

(1.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院, 400074, 重慶; 2.重慶交通大學(xué)省部共建山區(qū)橋梁及隧道工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 400074, 重慶; 3.中鐵二十局集團(tuán)第三工程有限公司, 400065, 重慶)

近年來(lái),基坑工程向著更復(fù)雜的方向發(fā)展,因工程現(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜及地質(zhì)條件差異,采用傳統(tǒng)的支護(hù)結(jié)構(gòu)分析方法所得的內(nèi)力和變形理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)際相差較大。因此,實(shí)際工程需要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè),來(lái)反饋各施工工況下支護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境的變形情況,從而及時(shí)采取措施,降低基坑施工過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)。

國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù),對(duì)基坑變形規(guī)律進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[1]以基坑開(kāi)挖的“時(shí)空效應(yīng)”為根據(jù),對(duì)上海市陶家宅深基坑工程的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。文獻(xiàn)[2]研究了硬黏土、殘積土和砂土地層中基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移、最大地面沉降同開(kāi)挖深度H之間的關(guān)系,最大地面沉降平均值約為0.15%H。文獻(xiàn)[3]研究了上海軟土地區(qū)58個(gè)深度為19 m以上的超深基坑,得出最大地面沉降與最大墻體測(cè)斜的平均比值為0.83。文獻(xiàn)[4]對(duì)成都市某砂卵石地層的深基坑進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè),研究分析了開(kāi)挖過(guò)程中土壓力、樁身內(nèi)力及錨桿拉力的分布和變化規(guī)律。

可見(jiàn),目前工程界針對(duì)此類(lèi)地層基坑的研究大多數(shù)仍是基于軟土基坑和巖質(zhì)基坑的經(jīng)驗(yàn)。由于不同地區(qū)的地質(zhì)差異較大,以往的研究成果無(wú)法適用于重慶地區(qū)回填土砂泥巖地層。對(duì)此,本文以重慶軌道交通10號(hào)線二期蘭花湖停車(chē)場(chǎng)基坑為背景,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè),分析施工過(guò)程中基坑的側(cè)向位移及周?chē)孛娉两档茸冃我?guī)律,以期為深回填土砂泥巖組合地層條件下的基坑支護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

蘭花湖停車(chē)場(chǎng)位于重慶工商大學(xué)蘭花湖校區(qū)東北側(cè),南側(cè)緊鄰蘭花路,東側(cè)緊鄰回龍路,北側(cè)緊鄰蘭湖天小區(qū)。蘭花湖停車(chē)場(chǎng)東西向長(zhǎng)約395.0 m,南北向最窄處長(zhǎng)約13.4 m,最寬處長(zhǎng)約81.4 m。蘭花湖停車(chē)場(chǎng)基坑周?chē)h(huán)境及平面圖如圖1所示。圖1中的南Ⅰ區(qū)—南Ⅶ區(qū)及北Ⅰ區(qū)—北Ⅶ區(qū)為基坑開(kāi)挖分區(qū)。

注:ZTS—樁體測(cè)斜孔;DBC—沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

蘭花湖停車(chē)場(chǎng)場(chǎng)地原始地貌屬構(gòu)造剝蝕淺丘斜坡地貌,其地面呈寬緩的溝槽及丘坡相間分布。場(chǎng)地內(nèi)大部分為填方區(qū),局部存在巖質(zhì)斜邊坡,且坡角達(dá)40°。場(chǎng)地東側(cè)有高約1～14 m的土質(zhì)邊坡,且坡角為20°～30°?；拥貙佑缮隙乱来螢樘钔翆?、砂質(zhì)泥巖層和砂巖層,屬于深回填土砂泥巖組合地層。

2 圍護(hù)設(shè)計(jì)與監(jiān)測(cè)方案

2.1 基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)

蘭花湖停車(chē)場(chǎng)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力錨索加鉆孔灌注樁的形式:灌注樁樁長(zhǎng)7.95～32.40 m,插入比為0.17～0.83,采用C30混凝土;預(yù)應(yīng)力錨索采用1860級(jí)7～18束鋼絞線,共設(shè)置6～10排,豎向間距為2.5 m或3.0 m,均錨固于巖層中。其圍護(hù)結(jié)構(gòu)的典型斷面如圖2所示。

圖2 蘭花湖停車(chē)場(chǎng)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的典型斷面圖

2.2 監(jiān)測(cè)方案及施工工況

蘭花湖停車(chē)場(chǎng)基坑開(kāi)挖采用分層、分區(qū)開(kāi)挖,主要施工階段如表1所示。由于北側(cè)基坑靠近蘭湖天小區(qū),且未開(kāi)挖至基底,故本文主要對(duì)南Ⅰ區(qū)—南Ⅶ區(qū)一側(cè)基坑開(kāi)挖進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析。在停車(chē)場(chǎng)段共設(shè)置了9個(gè)測(cè)斜孔(ZTS1—ZTS9),用于監(jiān)測(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移,并設(shè)置了12個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)(DBC1—DBC12),用于監(jiān)測(cè)樁后地面沉降。測(cè)斜孔及沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖1。

表1 蘭花湖停車(chē)場(chǎng)基坑主要施工階段

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移

在開(kāi)挖過(guò)程中,不同部位的圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移情況不盡相同。根據(jù)測(cè)斜孔的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),繪制不同階段部分圍護(hù)樁樁體的水平位移曲線,如圖3所示。由圖3可明顯看出,ZTS5處圍護(hù)樁頂部在背離基坑方向發(fā)生了位移。經(jīng)分析, ZTS5斷面處上覆回填土層較厚,結(jié)合圖2可知,開(kāi)挖初期隨著預(yù)應(yīng)力錨索的施工,錨索的錨固力大于樁后土體壓力,故導(dǎo)致圍護(hù)樁向基坑外側(cè)方向發(fā)生位移。

a) ZTS2處圍護(hù)樁

結(jié)合圖3 a)進(jìn)一步分析可知:由于ZTS2所在斷面樁底處于順層層狀砂泥巖互層巖體中,其巖層傾角約為20°;在基坑開(kāi)挖卸荷作用下,巖體應(yīng)力得到釋放;在約束不足的情況下,巖層易向基坑方向發(fā)生變形,導(dǎo)致巖層間發(fā)生錯(cuò)動(dòng);同時(shí),受上部錨索的錨拉作用,導(dǎo)致支護(hù)樁底部發(fā)生位移。由此可見(jiàn),施工過(guò)程應(yīng)加強(qiáng)樁底監(jiān)測(cè)頻率,并增大樁體剛度。

繪制ZTS2、ZTS5、ZTS7、和ZTS8處的圍護(hù)樁的最大水平位移時(shí)程曲線,如圖4所示。由圖4可見(jiàn),在整個(gè)施工過(guò)程中,圍護(hù)樁最大水平位移基本呈先增大、后逐漸趨于穩(wěn)定的特點(diǎn)。

圖4 圍護(hù)樁最大水平位移隨時(shí)間的變化

經(jīng)分析,場(chǎng)地上層土體的壓縮性大、抗剪強(qiáng)度較低,故隨著開(kāi)挖深度的增大,上層土體在高剪應(yīng)力水平下變形速率大。因此,在土層開(kāi)挖階段發(fā)生的水平位移占總位移的63.69%～92.19%。下層巖體的抗剪強(qiáng)度高,故圍護(hù)樁嵌入段受到剛度較大的巖體的約束,位移逐漸收斂。因此,巖層開(kāi)挖階段發(fā)生的水平位移為2.07 ～6.55 mm,僅占總位移的7.81%～36.31%。

由圖4可見(jiàn),不同測(cè)斜孔處圍護(hù)樁最大水平位移存在很大差異。根據(jù)9個(gè)測(cè)斜孔的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),總結(jié)圍護(hù)樁最大水平位移δh終值與開(kāi)挖深度H的關(guān)系,并繪制擬合曲線,如圖5所示。

圖5 圍護(hù)樁δh終值與H的關(guān)系

從圖5中可看出, 0.048%H≤δh≤0.103%H。圖5中δh明顯小于文獻(xiàn)[5]的δh(上海軟土基坑,0.1%H≤δh≤1.0%H)。

3.2 圍護(hù)樁后的地面沉降

按工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),圍護(hù)樁后的地面沉降形態(tài)一般可分為凹槽型和拱肩型。為了分析蘭花湖停車(chē)場(chǎng)基坑圍護(hù)樁后的地面沉降形態(tài)及沉降影響區(qū),本文選取了不同沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)斷面的圍護(hù)樁后地面沉降情況進(jìn)行研究。地面沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及沉降形態(tài)曲線如圖6所示。由圖6可知:基坑周邊地面沉降整體分布形態(tài)近似于凹槽型;地面沉降主要發(fā)生在基坑外30 m以?xún)?nèi)區(qū)域,且集中發(fā)生在基坑外20 m以?xún)?nèi)區(qū)域。由此,本研究認(rèn)為,基坑外20 m以?xún)?nèi)區(qū)域?yàn)榈孛娉两抵饕绊憛^(qū),基坑外20～30 m區(qū)域?yàn)榇我绊憛^(qū)。

圖6 地面沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及沉降形態(tài)曲線

為進(jìn)一步分析不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降規(guī)律,選取DBC7、DBC9和DBC2的沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。繪制不同階段部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)的地面沉降曲線如圖7所示。

a) DBC2

由圖7可看出,DBC7的最大沉降值達(dá)到62.00 mm,明顯大于DBC9和DBC2的沉降值(分別為16.95 mm、10.40 mm)。由圍護(hù)樁水平位移分析可知,鄰近DBC7的圍護(hù)樁樁體水平位移明顯大于鄰近DBC9和DBC2的圍護(hù)樁樁體水平位移,而圍護(hù)樁水平位移會(huì)顯著引起地面沉降。圖7中部分沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)地面出現(xiàn)隆起,且隆起值大多在5 mm以?xún)?nèi),隆起區(qū)域多在距基坑5 m以?xún)?nèi)。經(jīng)分析,當(dāng)開(kāi)挖深度較淺時(shí),錨索錨拉作用較大,使圍護(hù)樁向背離基坑方向發(fā)生位移,進(jìn)而導(dǎo)致靠近樁體地面有隆起。此外,相鄰樁間土體的土拱效應(yīng)也抑制了地面沉降。

圖8為地面最大沉降δv和H的分布及關(guān)系曲線。由圖8可知,0.033%H<δv<0.220%H。由文獻(xiàn)[6],在上海軟土地區(qū),0.10%H<δv<0.80%H。對(duì)比可知,深回填土砂泥巖組合地層條件下的δv小于軟土地層條件下的δv,而文獻(xiàn)[7]中,青島土巖組合地層條件下,0.034%H<δv<0.100%H,與本文結(jié)果較接近。

圖8 δv和H分布及關(guān)系曲線

學(xué)者R.B. Peck通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析,提出了不同土層條件下墻后地面沉降分布包絡(luò)線。為了分析砂泥巖回填土地層樁后地面沉降規(guī)律,對(duì)地面沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行量綱一化處理,并繪制地面沉降的包絡(luò)線,如圖9所示。

圖9 地面沉降量綱一化值及包絡(luò)線圖

由圖9可知:最大沉降發(fā)生于xm=0.51H(xm為測(cè)點(diǎn)與基坑的水平距離)處;地面沉降量綱一化最大值約為0.238;沉降影響距離為H～1.5H,遠(yuǎn)小于軟土地區(qū)的沉降影響距離(3.0H～4.0H)。結(jié)合圖9進(jìn)一步計(jì)算可得,對(duì)于深回填土砂泥巖組合地層基坑,周邊地面沉降包絡(luò)線為:

(1)

3.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移與樁后地面沉降相關(guān)性

基坑周邊地面的沉降或隆起受?chē)o(hù)結(jié)構(gòu)水平位移影響,故δv與δh存在著某種函數(shù)關(guān)系。由文獻(xiàn)[8],對(duì)于廈門(mén)地區(qū)基坑,δv為0.40δh～3.50δh,δv的均值為1.00δh～2.00δh;由文獻(xiàn)[9],對(duì)于金華土巖組合地層基坑,δv為0.13δh～6.33δh,均值為1.14δh。

蘭花湖停車(chē)場(chǎng)及文獻(xiàn)[8-9]的基坑周邊地面沉降與水平位移關(guān)系如圖10所示。由圖10可知,對(duì)于深回填土砂泥巖組合地層基坑,δv為0.45δh～2.35δh,均值為1.31δh?？梢?jiàn),本研究所得δv下限值與文獻(xiàn)[8-9]的結(jié)論較為接近,而上限值遠(yuǎn)小于文獻(xiàn)[8-9]的結(jié)論。據(jù)分析,這應(yīng)是受土層條件的影響所致。文獻(xiàn)[8-9]涉及的軟土地層具有孔隙率高、壓縮性高和承載力低的特點(diǎn),故其水平變形和地面沉降效應(yīng)明顯;而蘭花湖停車(chē)場(chǎng)基坑的上部填土為壓縮性較小的土石混合體,故開(kāi)挖引起的土體變形較小。

圖10 蘭花湖停車(chē)場(chǎng)及文獻(xiàn)[8-9]的基坑周邊地面沉降與水平位移關(guān)系

目前,基坑開(kāi)挖地面沉降估算方法可分為經(jīng)驗(yàn)法和半經(jīng)驗(yàn)半理論法。半經(jīng)驗(yàn)半理論法以《日本道路工程規(guī)范》方法為主,該法假定樁后地面沉降曲線與地面所圍面積Sw和圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形前后所圍面積Sp相等,但實(shí)際工程中,Sw與Sp則是存在一定比例關(guān)系。文獻(xiàn)[10]在大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上得到,Sw與Sp比值β=0.85;文獻(xiàn)[11]得到徐州地鐵某土巖組合地層基坑β≈1.89。

為了研究深回填土砂泥巖組合地層基坑β,需先對(duì)蘭花湖停車(chē)場(chǎng)基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。地面沉降和水平位移曲線計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖11所示。

注:zk—圍護(hù)結(jié)構(gòu)深度;δvm—最大沉降值;x0—沉降影響半徑;xm—最大沉降點(diǎn)距基坑的距離;z——深度。

根據(jù)已有的研究以及上文中樁體側(cè)移的分析,圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移按拋物線[11]來(lái)考慮,即:

δh=a0+a1z+a2z2

(2)

式中:

a0、a1、a2——擬合曲線的各項(xiàng)系數(shù),可由已知實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)求得。

(3)

由文獻(xiàn)[9]中金華地區(qū)土巖組合基坑的地面沉降曲線可得:

(4)

式中:

δ(·)——沉降曲線密度函數(shù);

r——最大沉降點(diǎn)距沉降影響范圍邊線的距離,r=x0-xm。

將圖3—圖10的統(tǒng)計(jì)結(jié)果代入式(2)和式(4)中,算得Sw與Sp,并對(duì)Sw與Sp進(jìn)行線性擬合,結(jié)果如圖12所示。根據(jù)擬合結(jié)果,深回填土砂泥巖組合地層基坑β≈1.67。

圖12 Sw與Sp擬合曲線

4 結(jié)語(yǔ)

本文以蘭花湖停車(chē)場(chǎng)基坑為工程背景,結(jié)合工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)重慶地區(qū)典型深回填土砂泥巖組合地層的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移、圍護(hù)樁后地面沉降,以及二者之間的關(guān)系進(jìn)行了規(guī)律性研究,得出如下結(jié)論:

1) 深回填土砂泥巖組合地層的δh變化范圍為0.048%H～0.103%H,遠(yuǎn)小于軟土地層的δh。在巖層開(kāi)挖階段和土層開(kāi)挖階段,土體變形量明顯不同,土層開(kāi)挖階段的水平位移值占總位移量的63.69%～92.19%。

2) 本基坑開(kāi)挖影響范圍為基坑外H～1.5H區(qū)域,且基坑外20 m以?xún)?nèi)為主要影響區(qū),20～30 m范圍為開(kāi)挖次要影響區(qū)。地面沉降形態(tài)以凹槽型為主。0.033%H<δv<0.220%H,此時(shí)δv小于軟土地層基坑δv,但與青島土巖組合基坑δv較為接近。

3) 對(duì)于深回填土砂泥巖組合地層基坑,δv為0.45δh～2.35δh,均值為1.31δh,β≈1.67。

本文基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)深回填土砂泥巖互層基坑相關(guān)變形性狀進(jìn)行了分析及探討?；幼冃蔚挠绊懸蛩睾芏?。未來(lái)可利用巖土參數(shù)反分析手段,建立數(shù)值模型,對(duì)變形機(jī)理進(jìn)行系統(tǒng)性參數(shù)分析,開(kāi)展進(jìn)一步研究。