岩土工程施工中基坑边坡失稳及加固处理技术

2022-08-15中国建筑材料工业地质勘查中心湖南总队湖南株洲412011

砖瓦 2022年7期

王克（中国建筑材料工业地质勘查中心湖南总队，湖南株洲 412011）

基坑工程作为岩土工程施工中的一项重要作业内容，其边坡的安全稳定性一直受到科研学者和广大施工从业者们的高度重视。但是，当前关于岩土工程中基坑边坡失稳及其加固处理技术的研究，一般都集中在单纯的土质深基坑，或者是岩质深基坑，对于土岩双质深基坑的研究相对较少[1]。本文通过某工程案例就土岩双质深基坑施工中的边坡失稳及其加固技术进行探究，为广大从业者提供一些参考。

1 工程概况

位于我国山东青岛的某大型公共综合体项目，建筑总面积约98.5万m2，地下室共有5层，地上则为高低层连体建筑和多层建筑，该项目占地面积约122600m2，施工基坑周长约1124m，基坑内最小深度18.8m，基坑内最大深度31.2m，其中，土层的厚度约8m～16m，经综合判定属于典型的土岩双质深基坑，该项目基坑起伏程度较大，地质条件相当复杂。

2 基坑数值模拟

由于该工程项目基坑面积大、地质条件复杂，所以基坑施工期间边坡的失稳监测及其加固就显得十分重要[2]。施工单位借助FLAC3D软件对基坑开挖的全过程进行数值模拟，通过模拟数据与现场施工实测数据进行对比，分析基坑可能出现的失稳状态，进而采取相应的加固措施。

2.1 模型参数取值的确认

FLAC3D软件是一种基于有限差分数值计算法的建模软件，该软件可以根据项目基坑的有关技术参数，对基坑开挖过程中岩土和结构之间的相互作用进行建模[3]。由于软件建模需要以基坑的有关技术参数作为重要依据，因此施工方通过查阅文献和现场测量，得到的项目基坑岩土体的物理力学参数如表1所示。

表1 项目基坑岩土体的物理力学参数表

2.2 模型的建立

由于该项目的基坑面积大，南北方向之间跨度范围690m～710m，东西方向之间跨度范围140m～165m，且为极其不规则的长方形。由于东西方向的跨度范围方便建立模型，且经现场测算其模拟结构也较为准确，故而选择东西跨度方向155m处的基坑剖面进行软件建模，该位置处基坑剖面的模型尺寸为740m×115m。该模型依照基坑土岩层的分布特点，从地坪地面至基坑底部，土岩层的分布及其平均厚度如表2所示。在对基坑的开挖步骤进行模拟时，依照基坑土岩层的分布特点分三步开挖，第一步挖至室外地坪以下5m处（挖至粉质黏土层底部），第二步挖至室外地坪以下7m处（挖至含黏性土粗粒砂层底部），第三步挖至室外地坪以下18m处（挖至细粒花岗岩层底部）。

表2 项目基坑模型土岩层分布及其平均厚度

在软件建立的模型中，将开挖部分的土岩通过网格划分为1m×1m的土岩单元，以便于对土方内外部的应力和边坡受力状况进行分析[4]。

2.3 开挖过程基坑变形模拟监测

通过软件，对三个开挖步骤期间的基坑位移进行模拟监测。

如图1所示，当基坑在开挖至室外地坪以下5m处时，没有发生明显的较大变形，基坑状态稳定，边坡安全。但是受面积图形不规则、网格划分不均匀等因素影响，基坑存在西负东正（即基坑两侧向后收缩）的较小位移变化。经现场实测，位移量还不到1mm，对于后续的模拟计算无误差影响。

图1 基坑开挖至5m深度处位移变化

如图2所示，随着基坑开挖深度的逐渐增加，基坑的位移变形也在逐渐增大，经过软件反应的数据和现场实测确认，当基坑开挖深度达到12m，即第二步骤土体完成开挖时，在基坑的东侧顶部出现的最大位移变形为72mm，在基坑的西侧顶部出现的最大位移变形为25mm，位于东侧的位移变形相对较大，且基坑东侧的边坡失稳隐患也较大。

图2 基坑开挖至7m深度处位移变化

如图3所示，随着基坑的进一步开挖，在基坑东西两侧顶部的位移变形进一步增大，但是由于地下岩层相对比较稳定，使得东西两侧顶部位移变形的速率有所减慢，而且位移变形多处于土层空间位置，岩层空间的位移较小。但是东侧的位移变形是明显大于西侧的，特别是当开挖深度达到30m时，基坑东侧顶部的最大位移变形已达110mm，而基坑西侧顶部的最大位移变形仅有26mm。

图3 基坑开挖至18m深度处位移变化

综合上述分析，通过软件模拟和现场实测，基坑东侧的边坡失稳隐患较大。

3 基坑边坡支护加固模拟

由于在基坑变形的模拟与监测过程中，确认该基坑的东侧存在边坡失稳隐患，故而同样借助软件进行支护加固模拟并应用于边坡的加固维护。

综合考虑该基坑的岩土物理力学参数，以钻孔灌注桩和预应力锚杆作为边坡失稳加固的处理手段[5]，对三个步骤挖运土方过程中的基坑东侧边坡进行加固维护。

在所建立的支护加固模型中，钻孔灌注桩长度28m，桩与桩之间的距离为3m，第一排预应力锚杆和钻孔灌注桩桩顶的距离为6m，从第二排预应力锚杆位置起，每排预应力锚杆之间的距离为5m，预应力锚杆的长度为15m，锚固段长度为5m，倾斜角为30°。

在支护加固模拟后，基坑位移云图如图4所示，此时基坑顶部横向的位移都是负值，即基坑整体是由南侧向北侧发生了微小位移形变，且位移最大值仅有1.41mm；在基坑的纵向方向上，最大位移变形为1.15mm。以上软件模拟和现场实测结果显示，采取支护加固措施后，基坑在水平方向上产生了由外向内的微小位移变形，但是基坑边坡是稳定的，不存在失稳安全隐患。

图4 基坑开挖至5m深度处时的位移云图

如图5所示，当基坑的开挖深度达到13m时，此时土岩深基坑上部的土层已经全部挖出完毕，虽然钻孔灌注桩和预应力锚杆起到了一定的边坡加固作用。但是由于基坑深度较大，此时软件云图显示的位移量对于边坡的稳固而言，存在一定隐患。经现场复核，此时基坑纵向的最大位移变形量为6.6mm，位于基坑东侧地下约11m深度位置处，横向最大位移变形量为5.3mm，发生在基坑南侧地下约11m深度位置处。由此说明，基坑边坡在采取加固措施后，其位移变形开始向基坑壁的中部转移，但是最大位移均在同一深度位置处，这对于加固施工是有利的。

图5 基坑开挖至13m深度处时的位移云图

如图6所示，当基坑挖至底部标高时，钻孔灌注桩和预应力锚杆支护完成。根据软件云图和现场实测，此时基坑横向位移变形量最大值为15mm，发生在基坑的南侧地下深度约20m位置处；基坑纵向的位移变形量最大值为25mm，发生在基坑的东侧地下深度约20m位置处。特别值得注意的是，此时基坑位移变形趋势开始由基坑的中部向基坑的东部开始延展，这和软件模型云图显示的图像数据是吻合的，尽管如此，基坑的位移变形都在可控范围内，基坑边坡的稳定性安全得到了保障。