SMW工法桩围护结构体系的超大深基坑工程变形性状分析*

2014-09-20周红波蔡来炳

建筑施工 2014年7期

周红波蔡来炳

上海建科工程咨询有限公司上海 200032

1 工程概况

拟建工程场地位于上海市闵行区华漕镇，周边环境空旷，除北侧紧邻闵北路外，其他三面现均为空地。基坑工程平面呈长方形，南北向长约234 m，东西向宽约67 m，开挖面积约15 800 m2，开挖深度为10.75 m，属于超大深基坑工程。集水井基坑局部落深1.5 m，电梯井基坑局部落深2.5 m，采用旋喷桩加固。工程采用SMW工法桩作为基坑工程围护结构，三轴水泥土搅拌桩Φ850 mm，深23.5 m；内插工字型钢尺寸为 700 mm×300 mm×13 mm×24 mm，长度22 m，为隔一插一方式，薄弱部位或转角处为密插式。支撑体系为钢筋混凝土对撑+边桁架的平面布置形式，竖向设2 道支撑，首道位于原地坪下2.4 m，二道撑与首道撑竖向间距为4.6 m，如图1所示。

图1 混凝土支撑和监测点平面示意

拟建场地主要由黏性土、粉性土和砂土组成，自场地的地下水主要为浅部土层中的潜水，埋深1.05～1.40 m。场地地坪标高4.2～4.5 m。

根据设计要求，本基坑周边设置8.3～10.7 m施工道路，标高为3.5 m，采用厚200 mm钢筋混凝土路面，设双层双向Φ12 mm@200 mm钢筋。在场地平整和施工道路完成后，基坑开挖工况如下：压顶圈梁施工→首层开挖→第1道围檩及支撑施工→栈桥斜板施工→第2层土方开挖→第2道围檩及支撑施工→第3层土方开挖→清底垫层和底板施工。第3层土开挖分块如图2所示，开挖顺序为B1→B2→B3→B3，首先开挖南边B1分块（图2）。

图2 第三层土开挖分块示意

2 监测数据[1-3]

本基坑工程从4月份开始开挖，5月份完成第2道混凝土支撑，并开始开挖第3层土方。基坑土方开挖正处于长三角地区的梅雨季节。本文所分析的基坑工程监测数据内容包括围护墙体水平位移（测斜管测点EP）、地表沉降（测点GS）、立柱隆起沉降（测点L）、混凝土支撑轴力（测点Z）等，监测点平面布置见图1。

2.1 围护墙体水平位移

SMW工法桩围护墙体深层水平位移主要采用在水泥土中钻孔安装PVC测斜管方式进行监测。本工程共布置了13 个测斜监测点，图3给出了测点EP02、EP06、EP11、EP13等主要工况的水平位移分布图。

图3 围护墙体水平位移分布

图3表明，第3层土开挖后，围护墙体水平位移随着时间推移快速增大，最大水平位移部位向下发展；围护墙体最大水平位移与开挖深度H的关系为是现行规范水平位移估测值的上限；围护墙体最大水平位移出现在墙顶下12～13 m处，为（1.12～1.21）H，位于开挖面以下1.5～2.5 m范围；混凝土垫层完成后，围护墙体水平位移变化率显著减小；底板完成后，水平位移变化平稳。根据围护墙体水平位移监测数据分析，墙趾的水平位移值较大，为（0.45～0.76）平均比值为表明超大深基坑开挖后SMW工法桩围护墙趾位移较大，开挖面以下土体影响范围大，这是监控围护结构踢脚破坏的重要参数。

2.2 地表沉降

沿基坑边线共布置8 个地表沉降观测断面，每个断面布置4 个点，与围护墙体距离分别为3 m、6 m、9 m、12 m。监测数据所得的基坑外侧地表沉降分布如图4所示。

图4 地表沉降分布

从图4分析，最大地表沉降量Smax在56～110 mm之间变化，主要出现在距离基坑边约6 m位置，且在6～12 m范围分布比较平缓，处于基坑开挖主影响区域；紧邻围护墙体位置的沉降量在13～38 mm之间，为（0.20～0.38）Smax。

2.3 立柱沉降

图5 立柱隆起沉降变化曲线

本工程共布置12 个立柱沉降观测点（图1）。图5给出了北分块B1和南分块B1开挖后对应立柱隆起量变化情况。从图5分析，第3层土开挖即基坑开挖到底后，立柱隆起变形迅速增大，并超过设计报警值15 mm；在混凝土垫层完成前达到最大，混凝土垫层完成后，立柱隆起变形大致呈下降趋势，这种下降趋势在底板混凝土完成后更显著，直至趋于稳定值。

2.4 钢筋混凝土支撑轴力

混凝土支撑轴力监测点见图1所示，每个检测位置分为上、下道支撑轴力监测点。表2给出了第3层土开挖前后各支撑轴力变化。

表1 支撑轴力监测值

从表1分析，在第3层土开挖前，首道支撑轴力在3 572～4 934 kN之间。第3层土开挖后，首道混凝土的轴力减小，第2道混凝土支撑轴力快速增大，且累计轴力测值严重超出设计报警值4 730 kN。然而，这种快速变化止于混凝土垫层完成，在底板混凝土完成后趋于稳定。图6给出了Z1-2与Z2-2、Z1-8与Z2-8轴力变化情况。

图6 支撑轴力变化曲线

3 基坑变形性状

根据上述监测数据分析，对于以SMW工法桩为围护结构的超大深基坑工程，土方开挖引起的围护墙体水平位移、地表沉降和立柱隆起沉降等监测数据值很大，均超过设计或规范报警值；这种基坑变形性状随着开挖面土体暴露时间增长而显著增大，引起基坑趋于不稳定状态；混凝土垫层和底板的完成有效地控制了基坑变形发展，转变了这种不稳定变化趋势。

3.1 SMW工法桩围护墙体刚度

根据日本材料协会的试验结果，SMW工法桩围护墙体刚度可取1.2 倍插入型钢的刚度。对于Φ850 mm@650 mm三轴水泥土搅拌桩内插H700 mm×300 mm×13 mm×24 mm型钢围护墙体，采用隔一插一布置方式，长1.2 m的围护墙体刚度为4.02×105kN·m2。根据围护墙体测斜数据，最大水平位移位于开挖面以下1.5～2.5 m，可得围护墙体的刚度参数0.19 MPa。根据土层物理力学参数确定土体强度系数，并根据围护墙体位移与墙体刚度系数关系，可以确定SMW工法桩支护体系属于柔性支护结构范围。

3.2 地表沉降

通过大量的工程数据和理论研究表明，基坑外地表沉降因素包括围护墙体水平位移和坑底土体隆起变形等，且围护墙体最大水平位移和最大地表沉降Smax存在线性相关性。根据本文工程监测数据分析，最大地表沉降Smax在之间，平均值为围护墙趾位移约为0.59dmax。由围护墙体下部土体位移引起的地表沉降量较大，空间效应显著。

为分析SMW工法桩围护墙体水平位移和地表沉降变化关系，绘制了最大地表沉降Smax和对应位置的最大围护墙体水平位移历时变化曲线图进行分析，结果显示：地表沉降随着围护墙体水平位移的增加而增大；在混凝土垫层、底板完成后，围护墙体水平位移趋于平缓，地表沉降仍在持续增大，但增加幅度显著减小。可以认为，由超孔隙水压力引起的地表沉降增幅迟于围护墙体的水平位移增幅。