不同开挖工况下软土基坑阳角壁变形及坑角效应

2020-05-08赵乃志陈桂凤高文韬胡福苑

四川建材 2020年4期

赵乃志，陈桂凤，高文韬，胡福苑

(扬州工业职业技术学院，江苏扬州 225127)

1 土拱理论

土拱效应存在的第一个条件为介质发生不均匀位移，只有在土体发生不均匀位移时才能发生，使得土体小主应力迹线发生改变，到当δ/φ=1 时，土体内摩擦角越小形成的土拱应力迹线越明显；土拱效应存在的第二个条件为有支撑土体的拱角存在，使作用于土拱及土拱上的压力得到支撑。

2 工程概况

沈阳北站综合交通枢纽改扩建工程北广场地下停车场位于沈阳北站北站房北侧，黑龙江街西侧，乐天世界商业地块东南侧，以下称为IV区。IV区工程为地下两层结构，呈L型，地下1层为办公及出租车蓄车场，地下2层为社会车停车场。IV区基坑中间部位东西向长约242 m，南北向宽约87 m，主体结构埋深为13.05 m，覆土为1.5 m。基坑北侧和西侧紧邻乐天世界基坑围护桩，本工程结构侧墙距乐天基坑围护桩最近距离为6.7 m；南侧紧邻国铁北站房，其中本工程围护桩距离北站房侧墙最近的距离约为5.2 m；东侧紧邻黑龙江街。基坑总平面图见图1。

图1 基坑总平面图

3 水文地质

本建筑场地I、II区稳定水位深度为15.4～17.1 m，高程为28.80～30.39 m；IV区水位埋深为19.8～21.7 m，高程为23.49～26.03 m。地下水类型属第四系孔隙潜水，标准冻深：沈阳地区标准冻深为1.20 m。

由地质报告提供的围护结构设计参数见表。

表1 各土层物理力学性质指标

4 施工步骤

本项研究选取了基坑的几个典型位置布置了监测元件，对土压力的变化、水平位移、护坡桩测斜和锚杆应力进行监测，具体埋设布置见图2。

图2 基坑支护监测布置示意图

基坑北侧(AB段)利用乐天围护桩，西北侧靠近乐天世界侧(AIH段)和南侧靠近国铁北站房侧(AB段)采用钻孔灌注桩+一道钢支撑(预留反压土)作为支护方案；西南侧(DEFGH段)采用钻孔灌注桩+一道混凝土支撑方案；东侧靠近黑龙江街处(BCD段)采用钻孔灌注桩+三道锚索。

5 有支撑基坑的坑角效应分析

1)土压力检测曲线。根据不同的基坑开挖阶段绘制成图3的土压力变化曲线，从图3曲线变化走势能看出各土压力盒所监测到的土压力总体随时间变化幅度不大，施工进行到后期土压力曲线趋于平稳，测定值在63.0 kPa左右，波动变化最大幅度不超过20%。在基坑开挖后期土压力盒监测到的土压力数值基本没产生变化。

图3 土压力检测曲线

2)位移监测曲线。图5是有支撑阳角D壁顶部的水平位移变形曲线，由图4可知，有支撑基坑的开挖也具有明显的坑角效应。该类型的基坑壁顶部水平位移变形规律为阳角处比阴角处大，沿基坑边长的水平位移最大值位于阳角位置处，这和无支撑基坑的最大值位置不同，随着墙之间相对位移的不断增加以及基坑开挖临空面原因，这是因为内支撑在改变基坑侧向变形的同时，也在影响着基坑沿边壁方向的位移，即导致了基坑坑角效应的影响范围及大小的重分布。

图4 支护结构深度方向变形曲线

由图4可知，在阳角处比在阴角处大，小于基坑中部附近变形。顶部和底部位移小于中部，但相对于阴角处的位移还是很大。随着基坑的开挖，桩土相互作用力的增大，土拱形成于两桩之间，拱高约为桩间距的0.5倍，考虑土拱效应的土压力计算值与实测值较为相符，从微观机理分析来看：由于土颗粒间存在摩擦力且有围护桩的局部阻挡作用，使得土颗粒在一定范围内相互咬合，形成土拱，继而使得土间应力发生重分布。

3)坑角效应影响系数变化规律。为了更准确地表述坑角效应的影响，本文定义了一个新的参数，基坑坑角效应影响系数，即某一固定深度围护结构水平位置围护结构的侧向变形与该深度处中部的变形的任意比值：

式中，δj为深度j位置围护结构侧向变形；δij为水平位置i深度j处维护结构侧向变形；K为基坑坑角效应影响系数。

当在K≥1～∞时，表示该区域为坑角效应的主要影响区域，当1>K≥0.8时，表示该区域为坑角效应的次要影响区，在K<0.8时，表示坑角效应的影响很小可以忽略不计。

图5为坑角效应系数变化曲线图。

图5 坑角效应系数变化曲线

以EG半边为研究对象，在距E处阳角48 m的距离内阴角坑角效应从0增加到0.88，即此时阴角坑角效应的影响距离为3.4倍的基坑开挖深度，故可知FG和EG上阳角坑角效应的主要影响距离为不同，而EG和FG半边壁与对边壁的距离不同，其余条件基本相同，可以得出结论：阳角坑角效应的主要影响范围还和与对边的距离有关。