地面动超载对深基坑稳定性影响分析

张恒志

(常州市中元建设工程勘察院有限公司，江苏常州 213001)

深基坑设计过程中荷载的确定是保证支护结构设计安全、经济的关键工作之一。钱力航等在对深基坑坍塌事故进行分析时发现，深基坑失稳的一个重要原因是基坑支护设计过程中勘察工作不仔细，导致计算荷载不准确[1]，尤其是随着基坑工程的开挖面积、深度越来越大，基坑形状、地质条件及施工环境也越来越复杂，施工过程中的各种临时动超载对基坑稳定性影响常被忽略，导致基坑支护结构变形过大甚至失稳。

本文以常州市某不规则设备基坑工程为背景，针对由自然放坡、土钉墙、钻孔灌注桩加锚杆组成的复合支护，采用多种参数验算分析了工程全过程中地面动超载对基坑的稳定性影响。

1 工程概况

常州市新北区V＆M二期项目基坑工程由3个设备基础组成，其深度按设备基础要求自然分为3个区域(Ⅰ区，Ⅱ区，Ⅲ区)，基坑平面布置见图1。其中Ⅰ区深度为3.3 m～6.4 m，Ⅱ区深度为5.75 m ～10.5 m，Ⅲ区深度为10.08 m ～15.75 m。

根据设备要求，基坑面积约5 000 m2，外围周长约350 m，其Ⅰ区基坑工程构造形状极度不规则，存在多处锐角边界，易于形成应力集中。通过对设备安装要求仔细论证发现，项目主体施工时，需在基坑周边架设200 t的大吨位吊车进行吊装作业，由吊车行走路线可知吊车中心距深基坑北侧边缘的最小距离(断面1—1)为22 m;距离基坑东侧边缘的最小距离(断面2—2)为6.5 m;距基坑南侧边缘的最小距离(断面3—3)为8.8 m。吊车行走荷载值远大于设计规范规定的地面活荷载取值。

2 工程地质条件

基坑拟建场地属滨海平原地貌类型，场地内地势较为平坦。基坑支护及开挖涉及的地表下30 m范围内自上而下土层分布情况及物理力学性能见表1。由表1可知，基坑土以粘土及粉砂为主，地下水主要为浅部土层中的潜水及承压水。浅部土层潜水的补给来源主要为大气降水与地表径流，水位变化幅度较大;承压水的补给源主要为长江水和运河水的侧向补给，以越流方式排泄。

表1 基坑土层物理力学性质

3 基坑支护方案

根据设备基础要求及周围环境条件，基坑Ⅰ区，Ⅱ区工程安全等级定为二级，Ⅲ区工程安全等级定为一级，要求地面最大沉降量小于0.1%H，围护结构最大水平位移小于0.14%H(H为基坑深度)。

在支护结构选型方面，结合常州地区深基坑工程支护实践，考虑将各种支护形式“取长补短”，组合成复合支护结构的设计思想[2，3]，针对本工程三个区域形状不规则及设备要求深度各异，设计对不同深度分别采用自然放坡、土钉墙、钻孔灌注桩加锚杆组合成复合支护形式。

按设备基础参数及规范要求进行设计计算得到的设计基坑支护方案如下:

Ⅰ区深度为3.3 m～6.4 m，设计支护形式主要为放坡+复合土钉墙，其坡比为 1∶0.6，土钉长度为 4.5 m ～6.0 m;距吊车行走路线较近的关键位置采用强度为C30钻孔灌注桩+锚桩的支护形式，灌注桩与锚桩桩长均为10 m。

Ⅱ区深度为5.75 m～10.5 m，深度小于6.8 m处采用放坡+复合土钉墙的支护形式，坡比为1∶0.6，土钉长度为4.5 m ～9.0 m，深度大于6.8 m处采用自然放坡+C30钻孔灌注桩+锚杆的支护形式，灌注桩桩长为12 m～16 m、锚杆长度为12 m～20 m，锚杆竖向间距设为3 m，水平间距设为1.8 m。

Ⅲ区深度为10.08 m～15.75 m，局部采用放坡+复合土钉墙的支护形式，坡比为1∶0.6，土钉长度为 6.0 m ～9.0 m，主体部分采用自然放坡+C30钻孔灌注桩+锚杆的支护形式，灌注桩桩长为19 m～23 m、锚杆长度均为20 m，锚杆竖向间距设为3 m，水平间距设为1.8 m。

围护结构平面布置见图2。

4 临时重荷载对深基坑稳定性影响分析

基坑支护设计时对于地面荷载的确定按规范取均布荷载为20 kPa[4]，未考虑施工过程中重型吊车行走的荷载，而针对吊装过程中增设的重型吊车作用效果未予考虑。

重型吊车行走的动荷载与地面构件的堆积荷载组合后，将会增大基坑支护结构的内力、位移，构成影响基坑稳定的重要不利因素，因此有必要分析该重荷载对基坑支护的稳定性影响。

通过对重型吊车荷载信息进行仔细收集，可知200 t的重型吊车履带触地面积为9.11 m(长)×1.2 m(宽)×2，吊车宽度为7.2 m。将吊车按履带所占面积折算，累加工作时的吊装荷载，最终形成的等效面荷载达98.9 kPa，考虑到动荷载的影响，荷载取100 kPa。

由图2中吊车行走路线可知，基坑北侧断面1—1、东侧断面2—2及南侧断面3—3的基坑边缘与吊车行走路线最近，为最不利荷载位置。

对三个断面设计支护进行简化后的计算模型见图3，吊车荷载信息见表2。

表2 吊车作用等效荷载参数

计算断面1—1，2—2，3—3在吊车重荷载作用下的支护结构内力、位移和稳定性参数(增荷)，与原设计值(常载)对比结果见表3。

表3 稳定性验算结果

由计算结果可知:

1)三个最不利荷载断面中，断面1—1由于深度最深，桩身最大，侧向位移达17.09 mm，但吊车距离基坑主体灌注桩相对较远，故其桩身侧向位移虽然最大，而吊车重荷载作用对其桩体侧向位移影响则最小。断面2—2，3—3在吊车重荷载作用下变形量均增加约25%，影响效果显著，应在吊车工作期间加强信息化监测。

2)重型吊车行走增荷后，各断面的稳定性系数均有所降低，其中对断面1—1支护结构的抗倾覆能力影响最大。

5 结语

工程实施后，现场监测结果表明，重型吊车吊装作业期间，在吊车临时重荷载及多种不确定性因素的耦合作用下，基坑支护结构变形速率急剧增长，对基坑的稳定性影响显著。超前验算基坑周边各种临时重荷载对稳定性的影响，对施工过程进行信息化监测是确保基坑安全的有效手段。

[1] 钱力航.深基坑工程的稳定问题[J].施工技术，2011(7):13-16.

[2] 杨志银，张 俊，王凯旭.复合土钉墙技术的研究及应用[J].岩土工程学报，2005，27(2):153-156.

[3] 胡德军.复合支护体系在深基坑施工中的应用[J].建筑，2011(11):69-70.

[4] JGJ 120-99，建筑基坑支护技术规程[S].