黄淮地区某粉质黏土类深基坑工程变形监测与控制

2016-05-25高均昭尚世宇

工程与建设 2016年4期

关键词：抗滑桩安全系数渗流

高均昭，尚世宇

(许昌学院土木工程学院，河南许昌 461000)

黄淮地区某粉质黏土类深基坑工程变形监测与控制

高均昭，尚世宇

(许昌学院土木工程学院，河南许昌 461000)

进入21世纪以来，深基坑工程越来越重要地影响着人们的生活，但对深基坑变形的理论研究和实际情况有不小的差距。利用黄淮地区某深基坑工程，模拟了开挖深度、渗流强度、支护结构等影响因素对深基坑稳定性的影响，并对基坑进行了变形监测。通过对比监测数据与模拟结果，分析了深基坑稳定性的主要因素，评价了支护结构，提出了同类地区深基坑安全性控制的建议。

深基坑；监测；稳定性

0 引言

我国深基坑工程于20世纪末开始大量出现。由于基坑工程条件复杂，因设计施工不当，很多工程事故时有发生。我国岩土领域的专家学者对边坡稳定这一课题进行了大量研究，为深基坑领域的学术理论起到长足的推动作用[1-3]。但还存在有以下问题：一是在基坑稳定性的分析过程中，传统的分析以经验和理论计算为主，很多实际工程情况被忽略或理想化，与工程实例结合的不甚紧密；二是在以往的基坑稳定性研究中，大多只考虑某一种条件对基坑稳定性的影响，而实际情况是边坡稳定性受多种因素共同作用；三是基坑四周边坡所处的条件不尽相同，各边坡自身高度、土层性质、支护措施等也不太一样，因而有必要对基坑稳定性进行深入研究，使深基坑工程的安全性得到有效控制。

1 工程概况

拟建工程为许昌市人民医院门诊楼，位于许昌市建安大道许昌市人民医院院内西南角，地上6层、地下2层。建筑红线规划矩形50 m×200 m。本地区属黄淮冲积平原，地貌单一。北侧为6层体检中心楼，框架结构、喷粉桩基础形式，拟建工程地下室外墙轴线距离该建筑8.0 m左右。西侧为1～4层居民楼，相距约8.1～9.5 m，地下室外墙轴线距热力管道6.0 m。南侧为建安大道，地下室外墙轴线距围墙约 10.0 m。东侧为急诊综合楼，相距约8.0 m，地下室外墙轴线距医院内道路中心线5.8 m。根据钻探、静力触探及室内土工试验结果，在勘探深度范围内主要为粉质黏土与粉土。地下水主要为潜水，略具承压性。初见水位埋深在5.5 m左右，静止水位埋深有4.9 m左右；根据以往水位地质资料，雨季地下水位埋深在2.0 m左右，历史最高水位埋深1.0 m左右。距拟建工地南40 m左右有一条人工开挖河流，东西走向，河宽10～15 m，非雨季河水位平均8 m左右，雨季最高可达12 m。

2 基坑边坡稳定性分析

2.1 理正软件概述

理正岩土是一款专业的分析软件，在岩土工程中运用十分广泛。计算结果也是经过严谨的计算程序，以及结合现场条件计算出来的。本工程安全性分析主要用到模块有：边坡稳定性分析、超级锚杆墙设计、渗流分析计算以及抗滑桩设计等。

2.2 计算方案

由上文分析可知，基坑四周边坡以2-2边坡稳定性最为不利，因此，接下来以2-2边坡为首要分析对象，并详解其软件分析过程，其余边坡将必要过程及计算结果呈现，并相互对比。先模拟无任何支护、无渗流条件下边坡稳定性及计算安全系数；然后模拟加锚杆支护后、无渗流条件下边坡安全系数；建立边坡渗流场；将建好的渗流场加入前两个模型中，建立无支护、渗流耦合场和锚杆支护、渗流耦合场并得出安全系数；若锚杆支护、渗流耦合场得出的安全系数小于1，则加入抗滑桩条件进行模拟；用边坡抗滑桩设计模块里的边坡土体下滑力计算模块计算得出各边坡抗滑桩桩身后土体下滑力水平分力，以便下一步将计算结果代入抗滑桩模块计算中；建立抗滑桩，锚杆支护模型，代入各边坡土体下滑力及其他数据，进行模拟计算，若计算结果显示小于基坑监测报警值20 mm，则视为边坡安全；对各边坡支护条件进行削弱，模拟得出在边坡安全范围内最节约支护成本的支护方案。

2.3 边坡稳定性计算

2.3.1 2-2边坡无渗流、无支护时安全系数计算

计算目标:安全系数计算，滑裂面形状假定为圆弧，不考虑地震， 2号坡面线号水平投影30 m，竖直投影0 m，超载数1，超载距离边坡剖面边缘7.000 m，宽6.000 m，荷载90.00 kPa，作用角度270°。不考虑水的作用。采用的圆弧稳定分析方法是瑞典条分法，当土条重切向分力与滑动方向反向时当下滑力对待，稳定计算目标:自动搜索最危险滑裂面，条分法的土条宽度:1.000 m，搜索时的圆心步长:1.000 m，搜索时的半径步长:0.500 m(图1)。计算结果:滑动安全系数= 0.502。

图1 2-2边坡剖面稳定性计算软件界面

2.3.2 2-2边坡无渗流、锚杆支护时安全系数计算

计算目标、搜索半径步长等定义条件上述相同，需要新定义的是所采用的支护锚杆的参数。其中锚杆道数为 4道，材料抗拉力为300 kN，锚固段粘结强度为120 kPa。需要指出的是，锚杆的粘结强度即为土体与锚固体之间的粘结强度，参考文献[4-5]中土体与锚固体粘结强度特征值，可知粘性土坚硬状态下Fab取32～40 kPa，上述数据仅适用于初步设计，因此应考虑锚杆二次注浆后的粘结强度变化。根据任建喜、丁洪元在深基坑模拟中的案例[6-7]，并结合本工程实例，各排锚杆(锚索)粘结强度均采用120 kPa。计算结果:滑动安全系数=0.761。

2.3.3 2-2边坡渗流场的建立

许多工程实例表明，水是影响边坡稳定的不可忽略的重要因素之一[8]，渗流分析计算软件主要分析土体中的渗流问题，并可以将模拟渗流场的结果导入到边坡稳定分析模块中，综合分析渗流条件下边坡的稳定问题。理正渗流的分析方法包括公式法和有限元方法，公式方法依据文献[9]提供的计算公式。适用于下列情况：一般稳定渗流计算；双层地基稳定渗流计算；水位上升过程中不稳定渗流计算；水位降落过程中不稳定渗流计算。有限元方法是依据非饱和土理论、根据基本的渗流理论——达西定律等，采用有限元方法分析稳定流及非稳定流中多种边界条件、多种材料的堤坝或土体的渗流分析。本文将采用有限元分析法进行计算分析。结合本工程实际情况，各土层横向、纵向渗透系数Kx、Ky取值如上文所述，其中α为渗透系数角，表示各向异性材料渗透系数最大的方向与水平方向的夹角，取0。计算结果：渗流量= 0.375 21 m3/d。

2.4 基坑四周边坡剖面计算结果数据对比表

2.4.1 基坑四周边坡安全系数图

根据模拟结果，对于同一边坡，在不同条件下其安全系数为渗流、无支护(无渗流)、无支护(渗流)、支护(无渗流)、支护(图2)，有以下结论：① 渗流会对边坡稳定性产生不利影响，在无支护条件下，四个坡面因渗流而导致安全系数降低平均数为0.058；在支护条件下(锚杆)四个坡面因渗流而导致安全系数降低平均数约0.02。② 加入锚杆、锚杆支护措施会使边坡稳定性提高，支护后比支护前安全系数提高了平均约0.25。③ 渗流、支护条件下安全系数大于无支护、无渗流条件下安全系数，综上可知对边坡稳定性的影响中，支护措施对边坡的有利贡献大于渗流对其的不利影响[10-11]。

图2 各边坡剖面不同渗流、支护条件下安全系数散点图

2.4.2 各边坡渗流量表图

边坡的渗流量不仅与水文条件相关而且与其自身的工程地质条件相关，在工程地质条件中对其渗流结果影响最大的因素是边坡的高度(图3)。

图3 各边坡渗流量柱状图

2.4.3 各边坡土体水平下滑力图

1-1、2-2、3-3边坡土体水平下滑力基本一致，而4-4边坡土体水平下滑力为其1/3，由此可知，边坡剖面土体水平下滑力受边坡开挖形式影响较大(图4)。

图4 各边坡土体水平下滑力柱状图

2.4.4 各边坡抗滑桩支护结果

坡顶位移见表1，从前三个边坡数据知，在抗滑桩支护条件不变的情况下，对各边坡锚杆(锚索)支护排数进行优化，由双排支护到单排支护时，抗滑桩桩顶位移突然发生较大增长，超出安全允许值(20 mm)，因而前三边坡宜采取双排支护，在符合安全性要求的前提下最为节约经济。

表1 各边坡抗滑桩桩顶位移及优化后桩顶的位移 mm

3 边坡剖面分析

2-2边坡采用桩锚支护，抗滑桩为双排混凝土灌注桩，桩身总长22.6 m，底部嵌入深度11 m，基坑深11.6 m，桩径600 mm，桩心间距1.5 m，混凝土强度等级C30；但理正软件抗滑桩模块只能模拟单排混凝土灌注桩，因此上文将其转化为桩径1 200 mm的单排灌注桩，其余数据不变。剖面采用四排锚杆支护，嵌入角度均为15°，预加拉力由上至下依次为30 kPa、150 kPa、150 kPa、160 kPa，锚固长度、自由端长度、间距等(图5)。桩身后共计8层土，依次为杂填土、粉质黏土、粉土、粉质黏土、粉土、粉土、黏土、黏土，各土层厚度及粘聚力、内摩擦角可见图7所示。因2-2剖面地面荷载最近，为6层建筑物，超荷载取值为90 kPa。

图5 2-2边坡支护剖面图

3-3边坡采用桩锚支护，抗滑桩为双排桩径500 mm的水泥土搅拌桩，桩心间距0.25 m，但理正软件抗滑桩模块儿只能模拟单排混凝土灌注桩，因此上文将3-3抗滑桩转化为单排混凝土灌注桩，桩身总长22.6 m，底部嵌入深度11 m，基坑深11.6 m，桩径500 mm，桩心间距1.5 m，混凝土强度等级C30。剖面采用四排锚杆支护，嵌入角度均为15°，预加拉力由上至下依次为30 kPa、150 kPa、150 kPa、160 kPa，锚固长度、自由端长度、间距等可见图所示。桩身后共计8层土，依次为杂填土、粉质黏土、粉土、粉质黏土、粉土、粉土、黏土、黏土。3-3剖面超荷载取值为30 kPa。

4 现场数据对比

4.1 含水量与抗剪强度之间的关系

为了测试所取土样的含水量和抗剪强度的关系，分别对不同含水量的土样分别进行了土体抗剪强度试验，试验结果见图6。

图6 不同含水量分级加竖向荷载抗剪强度变化趋势图

根据图7可得不同含水量各组粘聚力和内摩擦角变化情况，从中可以看出随含水量的增加土体的粘聚力逐渐减小，内摩擦角随含水量的增加也逐渐减小，但粘聚力的变化量要远大于内摩擦角的变化量。根据土的抗剪强度公式：τ=δtanφ+C由于内摩擦角随含水量的变化很小，因此内摩擦角对土体抗剪强度的影响很小，主要是粘聚力的影响。这是因为随含水量的增加土体颗粒之间的结合水膜增厚，根据土力学的观点，水是不能承受剪应力的，因此粘聚力是对土体抗剪强度的影响呈主要作用。

图7 含水量和粘聚力关系曲线

4.2 沉降监测及水平位移监测部分数据

基坑监测从2015年2月15日至2016年1月10日，包括各基坑边坡沉降监测与水平位移监测，各50组，降水量由许昌市气象局提供自2015年1月11日～2016年1月10日以来的相关数据，根据监测数据以及降水量统计结果，可以对模拟情况进行对比与验证，以上模拟数据中的渗流量来自于许昌市气象局公布的2015年降水量。

5 对深基坑支护方式的评价和建议

5.1 桩锚体系得当

对于本工程，4-4边坡因其所处位置较为开阔，坡顶无重要建筑物，坡顶超载较小，因而采取放坡开挖的形式，还采取了锚杆墙支护，面层喷射钢筋混凝土并铺设钢筋网。在此基础上，4-4剖面采用了水泥土搅拌桩防渗挡水处理。其余三坡在混凝土喷射面层基础上，大都采用了桩锚支护，其体系由抗滑桩、土层锚杆、冠梁等组成，锚杆取代基坑支护内支撑，给支护排桩提供锚拉力，以减小支护排桩的位移与内力，并将基坑的变形控制在允许的范围内，冠梁把护坡桩联系到一起，增加其整体性。此外其采用了灌注桩与搅拌桩联合支护，灌注桩作受力结构，搅拌桩作止水结构。

5.2 2-2剖面支护稍显保守

根据半年来的监测结果，基坑沉降与位移数据均未超过警戒值，沉降累计最大值为39 mm，水平位移最大值为11 mm。这说明支护结构一直处于安全状态。根据模拟结果表1中数据，建议剖面2-2采用3排锚杆支护，1-1剖面、3-3剖面采用2排锚杆支护即可。因在许昌地区该深基坑为目前最深基坑，支护结构显得保守可以理解。

5.3 其他建议

对于深基坑，不同的工程地质条件、水文地质条件应采用不同的支护措施，应具体情况具体分析，综合评价，从而采用最有利最经济的支护结构[12]。一般当地质条件较好，周边环境要求较宽松时，可以采用柔性支护，如锚杆墙等；当周边环境要求高时，应采用较刚性的支护型式，以控制水平位移，如排桩或地下连续墙等[13]。同样，对于支撑的型式，当周边环境要求高地质条件较差时，采用锚杆容易造成周边土体的扰动并影响周边环境的安全，应采用内支撑型式较好；当地质条件特别差，基坑深度较深，周边环境要求较高时，可采用地下连续墙加逆作法[14]。

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[3] 刘建航，侯学渊．基坑工程手册[M]．北京：中国建筑工业出版社，1997．

[4] GB 50330-2013，建筑边坡工程技术规范[S]．

[5] JGJ120-2012,建筑基坑支护技术规程[S].

[6] 任建喜，王江，孟昌西，等.西安地铁车站深基坑变形规律的有限差分法模拟[J]．城市轨道交通研究，2015，18(2)：39～43.

[7] 丁洪元,昌钰,陈斌.软土深基坑双排桩支护结构的影响因素分析[J]．长江科学院院报，2015，32(5)：105～109.

[8] 杨校辉,朱彦鹏卜,郭楠,等.软岩深基坑预应力锚杆承载特性与滑移面确定试验研究[J]．岩石力学与工程学报，2014，32(2):4295～4297.

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