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深基坑开挖中土与水的问题初探

2010-06-15张贵生

城市道桥与防洪 2010年8期
关键词:测点土体基坑

朱 彬,张贵生

(天津市市政工程设计研究院,天津市 300051)

0 前言

城市地道、隧道的施工一般都需要进行基坑开挖,在城市建筑密集区由于没有条件放坡,为了利用有限的空间,通常做成直立式的支挡物,基坑深度一般都超过5 m,有的甚至达十几米。小于6 m的浅基坑(包括浅基础的基坑开挖)的岩土工程问题一般较少且不很严重,大于6 m的深基坑的岩土工程问题一般较为复杂。

实践证明,基坑开挖工作是否顺利,不仅影响基础施工质量,而且影响施工周期与工程造价。基坑开挖过程中,常遇到基坑壁过量位移或滑移倒塌、坑底卸荷回弹(或隆起)、坑底渗流(或突涌)、基坑流砂等基坑稳定性问题。为保证基坑开挖与基础施工顺利进行,首先应重视深基坑工程的岩土工程问题的分析与评价确保基坑施工稳定安全,根据需要采取相应的防护措施。

1 基坑支护及其土压力

1.1 基坑支护

城市构筑物的基坑开挖,由于场地的局限性,大多为有侧壁支护基坑的开挖,即基坑侧壁常要求垂直开挖,如果不采取支护措施,一般基坑侧壁土体是不稳定的。

1.2 土压力分析

基坑采取支护措施时,一般都需要分析作用在支护结构上的土压力性质、分布与计算土压力大小。土压力应根据土体经受的侧向变形条件来确定,土压力性质包括静止土压力、主动土压力、被动土压力或与侧向变形条件相应的可能出现的土压力。分析土压力时应考虑场地的工程地质条件、支护结构相对于土体的位移、地面坡度、地面超载、邻近建筑及设施的影响、地下水位及其变化、支护结构体系的刚度、基坑工程的施工方法等。

作用于挡土结构上的土压力取值应根据土压力类型、支护结构类型和允许变形、被支护土体的性质、墙与土之间的摩擦力及挡土结构两面的地面坡度等因素来综合考虑。另外,当存在地下水时,土压力值宜按水压力与土压力分算的原则计算,即作用在支护结构上的侧压力为有效土压力与水压力之和;有效土压力按土的浮重度及有效抗剪强度指标计算。亦可采用水压力与土压力合并计算的原则计算,此时水土合并的压力按土的饱和重度及总应力抗剪强度指标计算。

基坑非开挖侧挡土桩上实测土压力基本介于主动土压力和静止土压力之间。实测主动侧土压力基本呈三角形分布。

非开挖侧挡土桩侧土压力大小与施工工况有着密切关系,对于桩锚支护的基坑,挡土桩上土压力受支护锚杆锁定影响会显著增大;对于桩撑支护结构的基坑,挡土桩受很大刚度的支撑,桩侧土压力也会增加。

非开挖侧挡土桩上土压力大小与挡土桩位移变化有着密切的关系。当基坑挡土桩发生较大位移时,挡土桩上实测土压力明显减小,向朗肯理论计算主动土压力值靠近。

开挖侧挡土桩上土压力大小也与挡土桩位移变化有关。当挡土桩位移量增加较大时,挡土桩外侧土压力也明显减小。

2 基坑稳定性分析

2.1 基坑底卸荷回弹(隆起)

基坑开挖是一种卸荷过程,开挖愈深,初始应力状态的改变就愈大,这就不可避免地引起坑底土体的隆起变形,有的甚至可能由于受到过大的剪应力而导致基底隆起失效。基坑回弹(隆起)不只限于基坑的自身范围,而且要波及四邻地面,引起地面挠曲,对邻近建筑物或设施均产生影响,应引起注意。必要时要组织施工开挖过程中坑内外地面的变形监测,供及时分析趋势和采取措施之需。在软至中等强度的粘性土(cu≈12~50 kPa)中进行深基坑开挖时,基坑底抗隆起稳定性可按下式进行验算(计算模式如图1所示):

式(1)中:NC——承载力系数,NC=5.14;

τ0——由十字板试验确定的总强度,kPa;

γ——土的重度,kN/m3;

γD——入土深度底部土隆起抗力分项系数,即抵抗基底隆起的安全系数,一般要求γD≥1.4;

t——支护结构入土深度,m;

h——基坑开挖深度,m;

q——地面均布荷载,kPa。

控制基坑回弹(隆起)的措施可采用降低地下水位、冻结法或在基坑开挖后立即浇捣相等重量的混凝土,使基坑的回弹量尽可能减小。

2.2 基坑底渗透稳定性

如果基坑在粘性土中开挖,且坑底下有承压水存在时,当上覆土层减到一定程度时,承压水水头压力便冲破基坑底板造成渗流(或突涌)现象(见图2)。基坑底抗渗流稳定性可按下式验算:

式(2)中:γm——透水层(砂层)以上粘性土的饱和重度,kN/m3;

H——透水层顶面至基坑底面的垂直距离,m;

γw——水的重度,kN/m3;

h——承压水头高于透水层顶面的高度,m;

γrw——基坑底土层渗透稳定抗力分项系数。

为使基坑底不因渗流而丧失稳定性,一般要求γrw≥1.2,如果验算的γrw<1.2,应采取必要的措施,如降水等。

3 工程降水对深基坑性状及周围环境的影响

当基坑开挖至地下水位以下时,为了防止因地下水作用而引起的渗流、流砂、管涌、坑底隆起、边坡滑塌以及坑外地层过度变形等,保证施工过程中处于疏干和稳态的工作条件下进行开挖,必须做好对地下水的控制工作。基坑工程控制地下水的方法有降低地下水位与隔离地下水两类。对于弱透水地层中的浅基坑,当基坑环境简单、含水层较薄、降水深度较小时,可考虑采用集水明排的方法进行降水;在其他情况下宜采用降水井降水、隔水措施或隔水、降水综合措施。

工程降水使降深范围内的土层密度增大,应力状态及力学性能发生了改变。不同的降水含水层中,有效应力均增加,引起含水层土体的压密,粘聚力增大。地下水渗流使主动区的侧压力减小,也使被动区的侧压力减小,所以对基坑稳定的影响是不确定的。

基坑底板的突涌不仅与压力平衡有关,而且和基坑的平面尺寸、土体的抗剪和弹性模量有关。对圆形基坑来讲,出现最大挠度的部位在基坑的中心点,因此最容易发生挠曲破坏而产生突涌的部位在基坑的中央。同时基坑边缘处的剪应力最大,因此在边界处易发生剪切破坏而产生突涌。因此,对于圆形基坑的开挖应采取盆式开挖,对于边沿和中心部位应加强保护,可采取及时堆压重物的方式来抵抗突涌。

潜水含水层疏干带内,总应力随深度(从原水面起算)呈线性递减,有效应力随深度(从原水面起算)呈线性递增;稳定水位以下,有效应力增加为常量;下伏隔水层内,总应力和有效应力都减小且相等。

承压含水层在抽水减压之后,承压含水层范围内总应力不变,有效应力增加,引起含水层本身的压密。强透水承压层的减压会引起上覆土层的固结沉降,固结沉降与常规的双向排水固结沉降的效果相同,由承压水引起的有效应力增量随深度呈三角形线性增大。

半承压含水系统在含水的承压层中抽水时,上部弱透水层和含水层产生向下渗流,将使弱透水层中的孔隙水压力减小,有效应力增加,导致土层发生压密变形,当下伏的弱透水层和含水层向上渗流时,孔隙水压力增加,有效应力降低。

在降水引起的地面沉降方面:随着弹性模量的减小,地表沉降量增大,地表沉降曲线变陡,不均匀沉降越大;随着最大降水深度的增加,地表总沉降和不均匀沉降均明显增加;当渗透系数较小时,随着渗透系数增加,地表最大沉降增加较快,但当渗透系数增长到一定数值后,地表最大沉降变化速率减小。

4 基坑破坏对环境的影响

开挖基坑对周边环境影响主要表现形式为:基坑边坡坍滑与变形、地表沉降变形、坑内流沙和管涌、基底隆起变形、支档结构变形、周围管线断裂、对周围建筑物的影响和复杂的社会影响等(见表1)。

5 某工程监控方案

5.1 工程概况

5.1.1 概况

该基坑平面尺寸为24.4 m×37.9 m,开挖深度22.4 m,采用明挖逆作施工。基坑围护采用厚1000 mm、深34.59 m的地下连续墙,中间设一道4层板梁混凝土支撑,底板厚1.2 m。

5.1.2 工程场地的工程地质和水文地质

施工场区地形平坦开阔,地面标高一般5.0~6.5 m。工作井位置现为荒地,有水塘分布。

工作井位置表层普遍分布有2~4 m厚填土层,该区早期为大面积鱼塘回填而成,土质松散。深度20 m以内以饱和粉性土为主,“软土”类的淤泥质粉质粘土在该处出露较薄,一般为30~50 cm厚度,“老粘土”类的粉质粘土在该处缺失,层褐黄色粉质粘土层灰色粉质粘土空间分布及厚度均较稳定,粘土较薄。下部普遍分布有粉细砂和圆砾、卵石层。

表1 基坑破坏对环境影响

经勘察,拟建场地砂土和圆砾、卵石层内分布有承压水,承压水水头埋深为9.30~11.15 m,相对标高为-3.98~-3.80 m,单位涌水量为1.8×103~2.3×103L/h·m。

5.1.3 工程保护等级

根据设计要求,本基坑保护等级为一级。

5.2 监测内容

围护体水平位移;围护体顶部水平位移;围护体顶部垂直位移(沉降);支撑轴力;地下水位;基坑周围地表沉降;周围建(构)筑物变形;地下管线变形。

5.3 监测的方法和监测点布置

5.3.1 围护体水平位移

(1)监测方法

本项监测是深入到围护体内部,用测斜仪自下而上测量预先埋设在围护体内的测斜管的变形情况,以了解基坑开挖施工过程中,围护体因相应位置土体的挖除对其整体水平位移的影响程度,分析围护体在各深度上的稳定情况。

仪器:北京航天CX-03测斜仪;量程:±53°;精度:±0.024%F.S.。

(2)测点布置

测点布置在地下连续墙围护体中,根据基坑平面布置情况,共布设3个。

测斜管为外径70 mm、内径66 mm内壁有十字滑槽的PVC管,管长与相应维护体等深(34.59 m),固定在钢筋笼上随之一起埋入连续墙槽内。安装测斜管时,其一对槽口必须与基坑边线垂直,上下管口用盖子密封,安装完成后立即灌注清水,防止泥浆渗入管内。如有必要测斜管管口设可靠的保护装置如钢管。

5.3.2 围护体顶部水平位移

(1)监测方法

利用经纬仪测量围护体顶部各测点与测量基线间距离或角度的变化再进行计算;如果视线受限制,则建立平面控制网,采用全站仪测水平角、水平距进行计算,从而了解围护体因相应位置土体的挖除对其顶部水平位移的影响程度,分析围护体的稳定情况。

仪器:南方 NTS-352,测角精度:2″;测距精度:2 mm+2 ppm。

(2)测点布置

测点沿基坑周边布置,根据基坑平面布置情况,共布设6个。

在围护墙体顶部的设计测点处埋入顶部为光滑面的钢制测钉。测钉与混凝土体间不应有松动。

5.3.3 围护墙顶部垂直位移(沉降)

(1)监测方法

建立高程控制网,利用精密水准仪观测测点高程变化情况,从而了解围护体因相应位置土体的挖除对其竖直方向上的影响程度,分析围护体的稳定情况。

仪器:苏光DSZ2型精密水准仪加测微器;精度:±0.7 mm/km。

(2)测点布置

测点布置与埋设同“围护体顶部水平位移”。共计6个。

5.3.4 支撑轴力

(1)监测方法

钢筋混凝土支撑采用在其内部钢筋上(预)设钢筋应力计的方法来监测其工作时的支撑轴力的变化。预设时需在上下的两根主钢筋同时安设应力计;处理检测数据时取其平均值,以消除弯矩的影响。

仪器:钢弦式钢筋应力计,频率计(数字式读数仪);量程:+300/-150 MPa(因未有配筋图,暂定用 Φ25 mm);精度:2%。

(2)测点布置

布设在混凝土板梁支撑内,在其上下各道支撑上布置支撑轴力测点。共布设1个断面,共需要10个钢筋应力计。

5.3.5 地下水位

(1)监测方法

预埋水位观测管于土体内,用水位计测量,了解止水、降水效果及管涌、流砂等岩土工程病害发生的可能性。

仪器:国产水位计;量程:30 m;分辨率:1 cm。

(2)测点布置

观测井布设在基坑四周,距围护墙为2 m处。观测井深度与相应位置的基坑深度一样或深(如果要观测承压水位)。

设井时,先在土体内钻孔至设计深度,孔径100 mm,然后将管径为53 mm的PVC带有用土工布裹住的进水孔的水位管 (长5 m)放入孔中,再于管外回填中粗砂至进水段上方30 cm,其上方回填粘土封孔。管口设必要的保护装置。共布设4个。

基坑内水位可利用降水井进行量测,无须埋设水位管,数量可根据实际情况现场确定。

5.3.6 基坑周围地表沉降

(1)监测方法

利用水准仪观测测点高程变化情况,从而了解因相应位置土体的挖除对坑外土体的影响程度,分析土体及地下管线的稳定情况。

仪器:苏光DSZ2型精密水准仪加测微器;精度:±0.7 mm/km。

(2)测点布置

测点沿基坑周边布置,共布设两个断面,每个断面内有7个测点,断面内测点与围护体的距离分别为相应位置基坑开挖深度的0.1倍、0.25倍、0.5倍、0.75倍、1.0倍、1.5倍、2.0倍。共计 2个断面、14个测点。

其他如地下管线等限于资料了解不多,可在实施时根据现场实际情况结合施工过程因地制宜进行布设。

以上所有监测内容的测点的具体布设,在实际布设时要根据现场施工需要进行数量和位置的调整。

5.4 监测工序和测点保护

5.4.1 监测工序

各监测内容所需的监测仪器、监测点的安装、埋设以及测读的时间应随基坑工程施工工序而展开:

(1)根据各道工序施工需要,先期布设地表、建筑物(如有)及地下管线(如有)的沉降点;

(2)地下围护结构施工时,同步安装围护墙体内测斜管;

(3)地下围护结构及土体加固施工完成后,进行水位管测点的埋设;

(4)围护墙顶的圈梁浇筑时,同步埋设墙顶位移、沉降测点,同时做好测斜管口的保护工作;

(5)基坑开挖之前,应建立测量控制网,将所有已埋设测点测读初始值,并应测读三次;

(6)在相应施工区段及其影响范围内的测点在施工期间按要求进行测读,并进行数据整理,及时完成、提交日报表;

(7)在相应支撑施工时,同步安装钢筋应力计;

(8)某施工段工程全部完成之后,按照有关要求相应测点停止测读,以此类推直至工程全部完成;

(9)编写施工监测报告。

5.4.2 测点保护

仪器(传感器)、测点安装、埋设好后应作好醒目标记,设置保护设施,平时加强测点保护工作,确保测点成活率,保证监测数据的连续性。

5.5 监测频率及报警值

5.5.1 观测频率

在施工开始前应完成有关各项测点的埋设工作,并取前三次读数的平均值作为初始读数,以保证测试数据更接近真实。

施工开始后,根据有关技术规程的规定和开挖进度进行安排观测频率:

(1)基坑围护施工期间,影响范围内的建筑物(如有)、地下管线(如有)监测每天或每2 d一次;

(2)基坑开挖期间,开挖段内的监测点每天1~2次,未开挖段每周约1~2次;

(3)基坑底板完成的区段,约每周1~3次(换撑期间应每天1次);

(4)基坑主体结构施工结束后2个月内,对建筑物(如有)和地下管线(如有)每周监测一次;

(5)根据监测数据变化情况,监测频率进行适当调整;

(6)当监测数据达到报警范围,或遇到特殊情况以及其它意外工程事件,应适当加密观测,直至24 h不间断的跟踪监测。

5.5.2 报警值

根据基坑保护等级和设计要求,基坑等级为二级基坑,据此提出以下报警值供有关方面参考:

(1)围护墙体水平位移0.14%H(开挖深度),即31.4 mm,速率不大于3 mm/24h。

(2)围护墙体顶水平位移、沉降0.1%H(开挖深度),即22.4 mm速率不大于3 mm/24 h。

(3)地表沉降量0.1%H(开挖深度),即22.4mm,沉降速率不大于3 mm/24 h。

(4)(如有)刚性管线沉降量10 mm,速率不大于2mm/12 h,或按照相关管线业主确定的数值。

(5)(如有)建筑物整体倾斜。

Hg≤24 m:0.004(Hg为自室外地面起算的建筑物高度);

24 m<Hg≤60:0.003;

60 m<Hg≤100:0.0025;

Hg>100:0.002。

(6)支撑轴力大于设计值的70%;

(7)水位下降或上升500 mm。

具体实施中,将以上述有关警戒值的80%作为预警值,此举可为有关单位和部门分析情况和采取制止险情的措施争取宝贵的时间。

[1]黄绍铭,高大钊.软土地基与地下工程(第二版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2005.

[2]卢廷浩.高等土力学[M].北京:机械工业出版社,2006.

[3]黄文熙.土的工程性质[M].北京:水利电力出版社,1983.

[4]钱家欢.土工原理与计算[M].北京:中国水利水电出版社,1996.

[5]洪毓康.土质学与土力学》[M].北京:人民交通出版社,1990.

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