【摘 要】深基坑變形控制是巖土工程研究中的一個(gè)新領(lǐng)域,本文在闡述基坑變形機(jī)理及基坑變形的施工影響因素的基礎(chǔ)上,提出控制基坑變形的措施,為深基坑的設(shè)計(jì)和施工提供參考。
【關(guān)鍵詞】基坑;變形;施工控制
當(dāng)前,隨著我國(guó)城市建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大,高層建筑越來(lái)越多,基坑工程面臨挖深加大、土方開挖周期長(zhǎng)、基坑周邊環(huán)境復(fù)雜等諸多問(wèn)題。由于這些深大基坑一次性卸荷量大,施工工期長(zhǎng)、施工條件復(fù)雜困難,使得深基坑開挖對(duì)環(huán)境的影響十分顯著,主要表現(xiàn)為周邊建筑、道路、地下管道和管線因地基不均勻沉降開裂或斷裂破壞等。因此,了解深大基坑的卸荷變形性狀和產(chǎn)生的影響的基礎(chǔ)上,采取針對(duì)措施控制基坑變形,以控制深大基坑的卸荷影響和保護(hù)周邊環(huán)境是目前基坑工程中面臨的一個(gè)迫切而重要的課題。
1 基坑開挖變形機(jī)理
1.1 坑底土體隆起
坑底土體隆起是坑底土體原有應(yīng)力狀態(tài)因垂直卸荷而改變的結(jié)果。在開挖深度不大時(shí),坑底土體卸荷后發(fā)生垂直向的彈性隆起,坑底彈性隆起在開挖停止后很快停止,這種坑底隆起基本上不會(huì)引起圍護(hù)墻外的土體向坑內(nèi)移動(dòng),隨著開挖深度的增加,基坑內(nèi)外的土面高度差和地面各種超載作用下,就會(huì)使圍護(hù)墻外側(cè)的土體向基坑內(nèi)移動(dòng),引起圍護(hù)墻的變形,同時(shí)在基坑周圍產(chǎn)生較大的塑性區(qū),引起坑內(nèi)土體的塑性隆起和坑周地面沉降。尤其當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)插入深度不足時(shí),更易在基坑開挖深度較小時(shí)即發(fā)生基周圍土體的塑性流動(dòng),引起坑底的塑性隆起,當(dāng)塑性變形發(fā)展到極限狀態(tài)時(shí),基坑外的土體向坑內(nèi)產(chǎn)生破壞性的滑動(dòng),使基坑失穩(wěn),基坑周圍地層發(fā)生大量沉陷。
1.2 圍護(hù)墻變形和位移
基坑開挖時(shí),荷載不平衡導(dǎo)致圍護(hù)墻體產(chǎn)生水平向變形和位移,從而改變基坑外圍土體的原始應(yīng)力狀態(tài)而引起地層移動(dòng);娱_挖時(shí),圍護(hù)墻內(nèi)側(cè)卸去原有土壓力,而基坑外側(cè)受到主動(dòng)土壓力,坑底墻體內(nèi)側(cè)受到全部或部分被動(dòng)土壓力,不平衡土壓力使墻體產(chǎn)生變形和位移。圍護(hù)墻的變形和位移又使墻體主動(dòng)土壓力區(qū)和被動(dòng)土壓力區(qū)的土體發(fā)生位移,墻外側(cè)主動(dòng)土壓力區(qū)的土體向坑內(nèi)移動(dòng),使背后土體水平應(yīng)力減小,剪力增大,出現(xiàn)塑性區(qū);而在開挖面以下的被動(dòng)區(qū)土體向坑內(nèi)移動(dòng),使坑底土體水平向應(yīng)力加大,導(dǎo)致坑底土體剪應(yīng)力增大而發(fā)生水平向擠壓和向上隆起的位移。墻體變形不僅使墻外側(cè)發(fā)生地層損失而引起地表沉降,而且使墻外側(cè)塑性區(qū)擴(kuò)大,因而增加了墻外土體向坑內(nèi)的移動(dòng)和相應(yīng)的坑內(nèi)隆起,墻體的變形和坑外土體向坑內(nèi)的移動(dòng)是引起周圍地層移動(dòng)的重要原因。
1.3 墻后地表沉降
基坑開挖的過(guò)程就是基坑內(nèi)卸荷的過(guò)程,由于卸荷引起坑底土體隆起以外,還會(huì)引起坑外土層向坑內(nèi)移動(dòng),從而引起坑外地表沉降?梢哉J(rèn)為,基坑開挖引起周圍地層移動(dòng)的主要原因是坑底的土體隆起和圍護(hù)墻的側(cè)向位移。當(dāng)然,地下水的滲流、軟土的流變性以及其他施工因素等也會(huì)對(duì)坑外地表沉降造成影響。
2 基坑變形對(duì)建筑施工的影響因素
對(duì)此問(wèn)題,筆者以實(shí)踐參與的某工程為例進(jìn)行說(shuō)明。該基坑工程設(shè)計(jì)總建筑面積為20000m2,其中地下部分3層,開挖面積約9000m2,平均開挖深度13.40m。基坑施工分4層進(jìn)行挖土;訃o(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻及3層鋼筋混凝土平面框架支撐體系。地下連續(xù)墻厚0.8m,深26m,按6m標(biāo)準(zhǔn)分幅。3道鋼筋混凝土支撐斷面分別為0.8mxO.8m、1.2mx1.0m、1.2mx1.0m。3道支撐中心標(biāo)高為:第1道-2.8m,第2道-7.15m,第3道-l1.3m。為保證基坑穩(wěn)定、控制基坑變形,連續(xù)墻內(nèi)側(cè)被動(dòng)區(qū)土體采用水泥攪拌加固;幼冃蔚氖┕び绊懸蛩刂饕獮椋
2.1 開挖深度的影響
隨著開挖深度的增加,支護(hù)墻的水平位移和正彎矩逐漸增加。其中支護(hù)墻的頂端位移在未加支撐時(shí)最大,當(dāng)?shù)趌道支撐施加之后有所減小并保持穩(wěn)定。當(dāng)土體開挖到6m時(shí),支護(hù)墻出現(xiàn)了最大的負(fù)彎矩;當(dāng)?shù)?道、第3道支撐加上之后,第1道支撐軸力有所減小,負(fù)彎矩也隨之減小。
2.2 開挖寬度的影響
為分析基坑寬度對(duì)墻體位移的影響,將基坑開挖寬度分別取為原值的0.5倍、1.0倍和2.0倍計(jì)算,其他參數(shù)保持不變。由計(jì)算結(jié)果得,當(dāng)基坑開挖寬度增大時(shí),墻體水平位移也增大,同時(shí)墻體的彎矩也有比較明顯的增大。因此,在實(shí)際工程中,為了保證墻體的安全,不應(yīng)使基坑開挖寬度過(guò)大。
2.3 支撐與開挖順序的影響
基坑開挖有“先撐后挖”及“先挖后撐”兩種方式,前者墻后土體在約束狀態(tài)下卸載,后者是先卸載再加約束。試驗(yàn)結(jié)果表明,采用后者進(jìn)行開挖時(shí),支護(hù)墻的最大水平位移明顯增加,而墻體的正彎矩有所減小,負(fù)彎矩明顯增大。
2.4 基坑空間效應(yīng)的影響
在基坑深度方向上,圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大水平位移發(fā)生在基坑底面附近。而在沿基坑邊的方向,位移為拐角處小,中間大;主動(dòng)土壓力的分布與水平位移呈現(xiàn)出相反的規(guī)律,而被動(dòng)土壓力的規(guī)律則又反之。隨著基坑長(zhǎng)寬比的增大,圍護(hù)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)邊的最大水平位移不斷增大,空間效應(yīng)減弱。當(dāng)長(zhǎng)寬比超過(guò)一定值之后,其最大水平位移已接近于按二維平面應(yīng)變問(wèn)題分析的結(jié)果。
3 基坑變形的施工控制措施
3.1 基坑支護(hù)方案選擇
3.1.1 鉆(沖、挖)孔樁、沉管灌注樁或鋼筋混凝土預(yù)制樁。對(duì)于5m~10m深軟土基坑常用此法作為支護(hù)結(jié)構(gòu),基坑內(nèi)必要時(shí)再加內(nèi)支撐,如需防滲止水,則可輔之以深層攪拌樁作為止水帷幕,有時(shí)也用鋼板樁或H型。
3.1.2 土釘墻技術(shù)。該技術(shù)是一種原位土加筋和強(qiáng)化的技術(shù),對(duì)場(chǎng)地土層適應(yīng)性強(qiáng),但該不適合在松砂土、軟土或地下水豐富的情況下使用。
3.1.3 錨桿技術(shù)。該技術(shù)能為基坑開挖提供較廣闊的空間,應(yīng)用廣泛。
3.1.4 泥土攪拌樁技術(shù)。該技術(shù)是目前5m以內(nèi)基坑的首選支護(hù)形式,適用于多種地質(zhì)條件,較經(jīng)濟(jì)。
3.1.5 地下連續(xù)墻;哟笥10m時(shí)或緊鄰其周圍有非常重要的建筑物或其他重要設(shè)施需要嚴(yán)格控制基坑變形時(shí),常選地下連續(xù)墻。地下連續(xù)墻既是擋土墻又兼作地下室的外墻,采用逆作法施工可縮短基坑開挖和支護(hù)結(jié)構(gòu)大面積暴露的時(shí)間,改善支護(hù)結(jié)構(gòu)受力性能,使其剛度大為增強(qiáng),使支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形及對(duì)相鄰設(shè)施的影響大為減少,從而使總造價(jià)降低。
3.1.6 SMW法連續(xù)墻。該法從日本引進(jìn),以多軸型鉆掘攪拌機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)向一定深度進(jìn)行鉆掘,同時(shí)在鉆頭處噴出水泥系強(qiáng)化劑與地基土反復(fù)混合攪拌,在各施工單元之間采取重疊搭接施工,等水泥土未結(jié)硬前插入H型鋼或鋼板作為補(bǔ)強(qiáng)材料至水泥結(jié)硬,便形成一道具有一定強(qiáng)度和剛度、連續(xù)完整、無(wú)接縫的地下墻體。該法近年來(lái)使用較多。
3.2 注意應(yīng)用時(shí)空效應(yīng)原理
時(shí)空效應(yīng)理論是在土體流變性的基礎(chǔ)上提出的,其施工原則是分層、分塊、限時(shí)、對(duì)稱、平衡。即在基坑開挖施工同支護(hù)結(jié)構(gòu)及坑周土體位移之間,存在著一定的相關(guān)性,故科學(xué)地安排土方開挖施工順序和控制施工進(jìn)度,將有助于控制擋墻和坑周土體的位移。據(jù)基坑工程規(guī)模、幾何尺寸、支撐形式、開挖深度和地基加固條件,提出詳細(xì)的、可操作的土方開挖分層、分塊方案,限時(shí)開挖時(shí)間與無(wú)支撐暴露時(shí)間,并保證每次開挖時(shí)支撐體系的力學(xué)平衡。
3.3 適當(dāng)?shù)耐馏w加固
對(duì)一些基坑變形不能滿足要求的可適當(dāng)對(duì)相應(yīng)的土體進(jìn)行加固,例如可對(duì)基坑周圍的土體注漿加固,以減少周圍建筑物、管道的側(cè)移,同樣也可以對(duì)坑底土采用壓力灌漿、水泥攪拌樁、石灰樁等方法進(jìn)行基坑底土體加固,以提高基底土的強(qiáng)度,改善其變形特征。
3.4 利用信息化施工
一是支護(hù)結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè),包括支護(hù)結(jié)構(gòu)樁墻頂位移監(jiān)測(cè)、支護(hù)結(jié)構(gòu)傾斜監(jiān)測(cè)、支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)、支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)、錨桿錨固力監(jiān)測(cè)、土壓力監(jiān)測(cè)、土體孔隙水壓力監(jiān)測(cè)等。二是周圍環(huán)境監(jiān)測(cè),包括鄰近建筑物的沉降觀測(cè)、邊坡土體的位移和沉降觀測(cè)、鄰近道路和地下管線的沉降觀測(cè)、裂縫觀察、地下水位測(cè)試、邊坡土體的位移和沉降觀測(cè);颖O(jiān)測(cè)可以捕捉到開挖各工況下的信息。
參考文獻(xiàn):
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