富水圆砾层深基坑双排桩变形特性

2021-06-24欧孝夺吕政凡罗方正梁亚华

科学技术与工程 2021年13期

欧孝夺，吕政凡，江杰*，罗方正，梁亚华

(1. 广西大学土木建筑工程学院，南宁 530004； 2. 工程防灾与结构安全教育部重点实验室，南宁 530004； 3. 广西金属尾矿安全防控工程技术研究中心，南宁 530004； 4. 中国建筑第八工程局有限公司，南宁 530028)

双排桩支护结构是一种侧刚度大、支护深度大的空间组合式支护结构，在连系梁的作用下，其能够与桩间土协调工作，调节自身内力，并有效控制基坑变形，在许多地区取得了较好的应用效果。部分学者[1-4]依托工程实例对软土地区基坑双排桩的变形特性进行了分析与评价，验证了双排桩在软土基坑中应用的可行性。徐凯等[5]以南京某软土地区深基坑工程为例，对比了双排桩支护结构和桩锚支护结构，得出了双排桩在变形控制方面效果更好的结论。孙锴等[6]对昆明某泥炭土基坑双排桩的监测数据进行了分析，表明双排桩支护结构的变形均在允许范围内。张虎元等[7]采用有限元软件对双排桩支护结构和单排桩支护结构进行对比分析，表明在黄土地区双排桩具备更高的安全性。

南宁地区富水圆砾层分布广泛，从上述研究也可以看出，目前针对双排桩的研究主要集中在软土、黄土等地区，而在圆砾地层中采用双排桩支护结构的基坑工程仍罕有案例，针对圆砾层双排桩的研究更是罕见。此外圆砾层含水量丰富、渗透系数大，同时对支护结构的防渗性能有着较高的要求，目前主要采用地连墙的支护形式[8-9]。而相比于地连墙，双排桩的经济效益更高，无需设置内支撑和锚杆，施工相对简单，能满足用地红线要求[10]，但目前双排桩在圆砾层中的适用性仍有待研究。

现以南宁地铁4号线那洪立交站换乘大厅围合区基坑工程为依托，通过现场监测数据对圆砾地层中双排桩支护结构的变形特性进行分析，同时根据坑外地下水位监测检验止水帷幕效果，为今后在圆砾地区实施类似工程提供参考依据。

1 工程概况及场地地质条件

工程基坑为南宁地铁4号线和5号线拟建那洪立交站附属围合区基坑，位于那洪大道与壮锦大道交叉路口。围合区基坑包含1号风亭组、1号下沉广场、2号下沉广场和地铁配套区，基坑开挖面积约为15000m2，总体开挖深度为10.03～19.81m，其中采用双排桩支护部分开挖深度为12.62～14.55m，属于典型的深大基坑。如图 1所示，围合区西侧30.8m居民楼下为环发铁路槎路隧道，北侧为待建商业与住宅地块，基坑范围内无重要管线。

图 1 围合区基坑平面图Fig.1 Plan of foundation pit in enclosure area

图 2 基坑CF段双排桩支护结构剖面图Fig.2 Section of double row piles supporting structure in CF section of foundation pit

工程地处邕江高阶地亚区(I2亚区)，阶面上的黏性土被侵蚀无存，表层主要为砾石填土、素填土，下部为含黏性土圆砾层，局部分布有残坡积的含黏性土粉砂。基坑深度范围内土层以圆砾层为主，层厚0.60～11.90m，其中圆砾粒径以0.5～2cm为主，含量30%～35%，卵石粒径以2～5cm为主，最大粒径10cm，含量20%～25%，母岩成分以硅质岩、石英岩为主，其中石英含量占20%～35%，亚圆形，填充低压缩性黏土，渗透系数k为27m/d。圆砾下卧层主要为泥岩、泥质粉砂岩，呈现交替分层的分布情况。场地内对基坑工程影响较大的地下水为孔隙潜水，埋深4.09～11.11m，主要赋存于含黏性土圆砾层中，水量较丰富，厚度变化大，且随地形变化。根据现场详勘报告，场地土层分布情况如表 1所示。

表 1 场地土层分布及其物理力学参数

2 基坑支护方案

2.1 支护形式设计

围合区基坑的开挖面积大、深度大，基坑开挖深度范围内土层以圆砾层为主，综合考量经济性、安全性等因素，同时为了方便坑内施工作业，围合区基坑支护结构形式主要采用悬臂式双排钢筋混凝土桩，部分采用单排钢筋混凝土桩+内支撑的形式。

围合区基坑安全等级为二级，其中采用悬臂式双排桩支护结构的剖面为剖面1-1(如图 1所示AB段)、剖面3-3(CD段)、剖面4-4(DE段)、剖面5-5(EF段)及剖面6-6(FG段)，其基坑深度为12.62～14.55m；支护桩桩顶位置设置有1︰1放坡段，坡高2.8m，坡脚距支护桩顶设置1.3m宽平台，坡面挂直径为8mm且间距为200mm×200mm的钢筋网，并喷射厚度为100mm的C20早强混凝土；支护桩桩身采用抗渗等级为P8的水下C35混凝土，桩身采用钢筋等级为HRB400、HPB300级，连系梁厚度为450mm，前排桩冠梁尺寸为1100mm×1000mm，后排桩冠梁尺寸为800mm×1000mm，连系梁及冠梁均采用C35混凝土，各个剖面支护桩设计参数如表 2 所示，支护深度最大的CF段剖面3-3、5-5、6-6及其典型地层如图 2所示。

表 2 双排桩设计参数

2.2 止水帷幕设计

此外，圆砾层的含水量丰富，其渗透系数也较大[9]，是本工程的难点之一。因此针对地下水采用设置止水帷幕并辅以坑内疏干的措施。止水帷幕设置在基坑支护桩桩间，双排桩支护区段止水帷幕设置在后排桩桩间，在双排桩与单排桩交界处设置交叉咬合止水帷幕，为了在圆砾层中形成质量良好的止水帷幕，其形式采用二重管高压旋喷桩。

施工时先进行支护桩施工，待支护桩强度达到设计值后进行旋喷桩施工。旋喷桩加固深度设置原则为：若基坑底为泥质粉砂岩层，则旋喷桩进入基坑底以下不小于3.5m；若基坑底为泥岩层，则旋喷桩进入基坑底以下泥岩层不小于2m。

2.3 基坑开挖方案

考虑到空间作用效应和土层变化对于基坑支护作用的影响，选取基坑深度最大的典型剖面3-3至5-5进行分析。如图 2 所示，剖面3-3(CD段)位于基坑北侧水平向段，剖面4-4(DE段)位于北侧阳角处，剖面5-5(EF段)位于基坑北侧倾斜段，属于围合区基坑标准段，基坑深度(H)达14.55m，其中双排桩支护深度为11.75m，基坑安全等级为二级。根据基坑开挖方案，围合区基坑标准段开挖方式为放坡倒退开挖，开挖平面图及放坡倒退示意图如图 3 和图 4 所示，其开挖工况如表 3所示。

图 3 围合区中间标准段开挖平面图Fig.3 Excavation plan of standard section in the middle of enclosure area

图 4 放坡倒退开挖剖面示意图Fig.4 Schematic diagram of back excavation section

表 3 基坑CF段开挖工况

3 监测方案及技术指标

3.1 监测方案

深基坑的施工监测是确保基坑工程施工安全的必要措施，围合区基坑安全等级为二级，基坑开挖深度大，结合基坑周边环境特点，确定施工监测范围包括基坑工程主要影响区(基坑周边0.7H范围内，H为基坑深度)和基坑工程次要影响区(基坑周边0.7H～3H范围内)。针对本工程围合区基坑双排桩，在施工期间沿着双排桩支护段布置了11个桩顶水平位移监测点和桩身水平位移监测点；另针对圆砾层水量较丰富、含水层厚度变化大的特点，同时为保证坑内施工正常进行，检验止水帷幕施工质量，在基坑北侧布置了5个地下水位测点，西侧布置1个，水位监测点与坑顶水平距离为7m；此外，沿着基坑双排桩支护段还布置有11个坑外地表沉降监测点，各监测点平面布置如图 5所示。

图 5 基坑双排桩段监测布置图Fig.5 Monitoring layout of double row pile section of foundation pit

3.2 监测技术指标

那洪立交站围合区基坑监测变形控制指标应符合表 4要求。

表 4 基坑变形控制指标

4 监测结果分析

4.1 桩顶水平位移监测

根据监测记录，提取典型剖面3-3(CD段)测点ZQS5、ZQS6和剖面4-4(DE段)测点ZQS7、ZQS8的桩顶水平位移监测数据，如图 6所示。

图 6 剖面3-3和4-4桩顶水平位移随时间变化图Fig.6 Variation of horizontal displacement of pile top at section 3-3 and 4-4 with time

从图 6可以看出，剖面3-3的两测点的桩顶水平位移随基坑开挖深度的增大而增大，且在基坑开挖前期位移增长较明显，位移变化曲线斜率较大。分析其原因是基坑支护深度范围内的土层主要以圆砾填土层和含黏性土圆砾为主，两种土层的黏聚力值几乎为零，这就使得基坑开挖后坑外土体因稳定性较差导致施加在支护结构上的主动土压力增加较快。另外，值得注意的是剖面4-4的两测点在前期的位移增长呈现出不同的变化趋势，其中测点ZQS7桩顶水平位移随基坑开挖深度的增大而增大，而测点ZQS8桩顶水平位移在基坑开挖过程中产生了向坑外移动的现象。分析现场施工记录可知，造成这种差异的原因是该测点附近存在为土方运输预留的出土坡(如图 3所示)，受该土坡的影响，测点ZQS8处的坑内外土压力处于平衡状态，因此这部分双排桩几乎未产生桩顶水平位移，而负向位移的产生可能是由于运土车辆扰动导致，随着基坑开挖的不断进行，坑内土方减少，其位移变化与测点ZQS7逐渐呈相似的变化趋势。当基坑开挖至9m后，基坑进入施工停工期，期间持续监测，各测点的桩身水平位移在该阶段仍缓慢增大，表现出变形随时间延长而增大的时间效应[11]。这是由于支护桩嵌固段泥岩的承载能力在持续外力扰动作用下会受到削弱，因此在支护结构的挤压下会表现出一定流变特性，进行引起持续的变形[12]。当基坑继续开挖后，其变形因主动土压力增大而进一步增大，开挖至12m时，上述各测点桩顶水平位移最大值为14.18mm，至监测结束前桩顶水平位移最大值分别为15.63mm，远小于基坑累计变形控制值(即30mm)。由此表明采用双排桩这种支护形式是安全可靠的。

4.2 桩身水平位移监测

根据监测记录，分别提取剖面3-3(CD段)和剖面5-5(DE段)桩身位移值最大的监测点ZQT6和ZQT10数据，如图 7 所示。

图 7 监测点ZQT6和ZQT10桩身水平位移Fig.7 Monitoring points ZQT6 and ZQT10 pile body horizontal displacement

从图 7 可以看出，支护桩桩身水平位移随基坑开挖深度增大而增大，但基坑开挖至基底时，变形仍在持续增大，其原因与4.1节中分析类似，基坑开挖至基底时引起的坑内外的两侧压力差增大，坑内泥岩受到更大的外力扰动而表现出流变特性，引起持续变形；至监测结束前，两监测点的桩身水平位移最大值分别为22.09mm和23.22mm。值得注意的是，超静定的双排桩整体刚度大，在连梁的作用下能够协调内力和变形，再加上嵌固段土体性质较好，这就决定了本工程中双排桩的这种持续变形是有限度的。此外，桩身位移曲线形状呈现出了明显的“鼓胀”形，具体表现为在支护深度范围内位移中间大两边小。分析其原因在于测点ZQT6所处支护段两端分别存在内支撑和基坑阳角，相当于对这部分支护桩两侧施加了约束，在冠梁作用下处于中间位置的ZQT6也受到了约束；同理，ZQT10所处支护段两端的阳角也具备一定约束作用，这就使得支护桩上部的位移相对较小，而嵌固段的土层性质较好也使得支护桩桩底处几乎没有产生位移，且在距桩底5m范围内，各工况下的桩身位移均小于5mm。综上分析，桩身水平位移的最大值仅为23.22mm，小于监测要求的累计变形控制值(即30mm)，表明采用无锚杆的悬臂式双排桩支护结构在该地区不仅安全可行，且在连梁及冠梁的作用下，双排桩形成超静定的整体，也能有效地控制基坑变形，提高基坑整体稳定性。

4.3 坑外地表沉降

根据监测记录，分别提取基坑北侧水平段和倾斜段地表沉降值最大的DB5和DB9监测数据，如图 8 所示。

图 8 监测点DB5和DB9坑外地表沉降曲线Fig.8 Surface settlement curve of monitoring points DB5 and DB9

图8 反映了坑外地表沉降值与坑顶水平距离及开挖深度的关系。从图 8 可以看出，各工况下的坑外地表沉降曲线呈“凹槽”形分布，表现为垂直于坑边方向沉降值先减小后增大，即位于坑边的监测点沉降值较小。分析其原因是坑边的土体受到支护桩提供的侧摩阻力影响，且支护深度范围内较厚的含黏性土圆砾所提供的桩的极限侧阻力值相较一般黏性土而言要大，因此该处地表沉降值较小。对比图 8(a)和图 8(b)也可以发现，各工况下DB9的沉降值均较DB5大，且在开挖至12m和开挖至基底两种工况下，DB9的沉降值最大值发生在距离坑边7m处，而DB5沉降值最大值发生在距离坑边2m处。通过分析现场施工记录可知，DB9附近为现场车辆通行道，土体受运土车辆运行扰动影响而沉降较大，最终在基坑开挖至基底时基本稳定。因此，在对地表变形有严格的工程中，应注意车辆荷载的影响。综合分析，至监测结束前两测点最大沉降值分别为15.56mm和17.26mm，均小于监测要求的控制值(即30mm)，最大值17.56mm仅为0.12%H；在大于7m的范围，地表沉降均呈减小趋势，这表明基坑开挖对周边地表的影响主要在0.7H范围内的主要影响区，在大于0.7H范围的次要影响区沉降相对较小，各工况下的沉降值均在允许范围内。

4.4 坑外地下水位监测

提取西侧水位监测点SW1和北侧累计变化量最大的测点SW3如图 9 所示。

图 9 坑外地下水位随时间变化曲线Fig.9 Variation curve of groundwater level outside the pit with time

从图 9 可以看出，西侧监测点SW1与北侧监测点SW3呈现不同变化趋势，其原因是西侧地下水位埋深较北侧浅，西侧初始水位埋深为4.32m，北侧各点则为7.94～10.06m；埋置深度较浅的测点SW1易大气降水影响而出现水位增高的情况，水位波动大，采取排水措施后水位逐渐降低并趋于稳定，稳定水位为500～600mm；埋置深度较深的北侧测点SW3虽存在水位波动情况，但水位总体呈下降趋势，最后稳定水位为600～700mm；从两条曲线也可以反映出坑外水位的日变化量小于监测控制值(即500mm/d)，最大值约为950mm，也小于监测控制值要求的1000mm，这表明在圆砾地层中采用高压旋喷桩作为止水帷幕能够满足基坑施工要求。此外，基坑外地下水水位的变化在一定程度上与该处止水帷幕的施工质量有关，水位变化量超过控制值时应采用相应的处理措施，以免造成水土流失，对基坑周围环境造成破坏[13-14]。