深回填土砂泥岩组合地层桩锚围护基坑的变形规律*

2024-02-23周启宏

城市轨道交通研究 2024年1期

冯虎黄锋周启宏

(1.重庆交通大学土木工程学院, 400074, 重庆; 2.重庆交通大学省部共建山区桥梁及隧道工程国家重点实验室, 400074, 重庆; 3.中铁二十局集团第三工程有限公司, 400065, 重庆)

近年来,基坑工程向着更复杂的方向发展,因工程现场情况复杂及地质条件差异,采用传统的支护结构分析方法所得的内力和变形理论计算结果与实际相差较大。因此,实际工程需要通过现场监测,来反馈各施工工况下支护结构及周边环境的变形情况,从而及时采取措施,降低基坑施工过程中的风险。

国内外不少学者基于现场实测的数据,对基坑变形规律进行了研究。文献[1]以基坑开挖的“时空效应”为根据,对上海市陶家宅深基坑工程的监测数据进行统计分析。文献[2]研究了硬黏土、残积土和砂土地层中基坑围护结构最大侧移、最大地面沉降同开挖深度H之间的关系,最大地面沉降平均值约为0.15%H。文献[3]研究了上海软土地区58个深度为19 m以上的超深基坑,得出最大地面沉降与最大墙体测斜的平均比值为0.83。文献[4]对成都市某砂卵石地层的深基坑进行了现场监测,研究分析了开挖过程中土压力、桩身内力及锚杆拉力的分布和变化规律。

可见,目前工程界针对此类地层基坑的研究大多数仍是基于软土基坑和岩质基坑的经验。由于不同地区的地质差异较大,以往的研究成果无法适用于重庆地区回填土砂泥岩地层。对此,本文以重庆轨道交通10号线二期兰花湖停车场基坑为背景,通过现场监测,分析施工过程中基坑的侧向位移及周围地面沉降等变形规律,以期为深回填土砂泥岩组合地层条件下的基坑支护设计提供参考。

1 工程概况

兰花湖停车场位于重庆工商大学兰花湖校区东北侧,南侧紧邻兰花路,东侧紧邻回龙路,北侧紧邻兰湖天小区。兰花湖停车场东西向长约395.0 m,南北向最窄处长约13.4 m,最宽处长约81.4 m。兰花湖停车场基坑周围环境及平面图如图1所示。图1中的南Ⅰ区—南Ⅶ区及北Ⅰ区—北Ⅶ区为基坑开挖分区。

注:ZTS—桩体测斜孔;DBC—沉降监测点。

兰花湖停车场场地原始地貌属构造剥蚀浅丘斜坡地貌,其地面呈宽缓的沟槽及丘坡相间分布。场地内大部分为填方区,局部存在岩质斜边坡,且坡角达40°。场地东侧有高约1～14 m的土质边坡,且坡角为20°～30°。基坑地层由上而下依次为填土层、砂质泥岩层和砂岩层,属于深回填土砂泥岩组合地层。

2 围护设计与监测方案

2.1 基坑围护设计

兰花湖停车场基坑围护结构采用预应力锚索加钻孔灌注桩的形式:灌注桩桩长7.95～32.40 m,插入比为0.17～0.83,采用C30混凝土;预应力锚索采用1860级7～18束钢绞线,共设置6～10排,竖向间距为2.5 m或3.0 m,均锚固于岩层中。其围护结构的典型断面如图2所示。

图2 兰花湖停车场基坑围护结构的典型断面图

2.2 监测方案及施工工况

兰花湖停车场基坑开挖采用分层、分区开挖,主要施工阶段如表1所示。由于北侧基坑靠近兰湖天小区,且未开挖至基底,故本文主要对南Ⅰ区—南Ⅶ区一侧基坑开挖进行监测分析。在停车场段共设置了9个测斜孔(ZTS1—ZTS9),用于监测围护结构的水平位移,并设置了12个沉降监测点(DBC1—DBC12),用于监测桩后地面沉降。测斜孔及沉降监测点布置见图1。

表1 兰花湖停车场基坑主要施工阶段

3 监测结果分析

3.1 围护结构水平位移

在开挖过程中,不同部位的围护结构侧移情况不尽相同。根据测斜孔的监测数据,绘制不同阶段部分围护桩桩体的水平位移曲线,如图3所示。由图3可明显看出,ZTS5处围护桩顶部在背离基坑方向发生了位移。经分析, ZTS5断面处上覆回填土层较厚,结合图2可知,开挖初期随着预应力锚索的施工,锚索的锚固力大于桩后土体压力,故导致围护桩向基坑外侧方向发生位移。

a) ZTS2处围护桩

结合图3 a)进一步分析可知:由于ZTS2所在断面桩底处于顺层层状砂泥岩互层岩体中,其岩层倾角约为20°;在基坑开挖卸荷作用下,岩体应力得到释放;在约束不足的情况下,岩层易向基坑方向发生变形,导致岩层间发生错动;同时,受上部锚索的锚拉作用,导致支护桩底部发生位移。由此可见,施工过程应加强桩底监测频率,并增大桩体刚度。

绘制ZTS2、ZTS5、ZTS7、和ZTS8处的围护桩的最大水平位移时程曲线,如图4所示。由图4可见,在整个施工过程中,围护桩最大水平位移基本呈先增大、后逐渐趋于稳定的特点。

图4 围护桩最大水平位移随时间的变化

经分析,场地上层土体的压缩性大、抗剪强度较低,故随着开挖深度的增大,上层土体在高剪应力水平下变形速率大。因此,在土层开挖阶段发生的水平位移占总位移的63.69%～92.19%。下层岩体的抗剪强度高,故围护桩嵌入段受到刚度较大的岩体的约束,位移逐渐收敛。因此,岩层开挖阶段发生的水平位移为2.07 ～6.55 mm,仅占总位移的7.81%～36.31%。

由图4可见,不同测斜孔处围护桩最大水平位移存在很大差异。根据9个测斜孔的监测数据,总结围护桩最大水平位移δh终值与开挖深度H的关系,并绘制拟合曲线,如图5所示。

图5 围护桩δh终值与H的关系

从图5中可看出, 0.048%H≤δh≤0.103%H。图5中δh明显小于文献[5]的δh(上海软土基坑,0.1%H≤δh≤1.0%H)。

3.2 围护桩后的地面沉降

按工程实践经验,围护桩后的地面沉降形态一般可分为凹槽型和拱肩型。为了分析兰花湖停车场基坑围护桩后的地面沉降形态及沉降影响区,本文选取了不同沉降监测点对应断面的围护桩后地面沉降情况进行研究。地面沉降监测数据及沉降形态曲线如图6所示。由图6可知:基坑周边地面沉降整体分布形态近似于凹槽型;地面沉降主要发生在基坑外30 m以内区域,且集中发生在基坑外20 m以内区域。由此,本研究认为,基坑外20 m以内区域为地面沉降主要影响区,基坑外20～30 m区域为次要影响区。

图6 地面沉降监测数据及沉降形态曲线

为进一步分析不同监测点的沉降规律,选取DBC7、DBC9和DBC2的沉降监测数据进行分析。绘制不同阶段部分监测点的地面沉降曲线如图7所示。

a) DBC2

由图7可看出,DBC7的最大沉降值达到62.00 mm,明显大于DBC9和DBC2的沉降值(分别为16.95 mm、10.40 mm)。由围护桩水平位移分析可知,邻近DBC7的围护桩桩体水平位移明显大于邻近DBC9和DBC2的围护桩桩体水平位移,而围护桩水平位移会显著引起地面沉降。图7中部分沉降监测点地面出现隆起,且隆起值大多在5 mm以内,隆起区域多在距基坑5 m以内。经分析,当开挖深度较浅时,锚索锚拉作用较大,使围护桩向背离基坑方向发生位移,进而导致靠近桩体地面有隆起。此外,相邻桩间土体的土拱效应也抑制了地面沉降。

图8为地面最大沉降δv和H的分布及关系曲线。由图8可知,0.033%H<δv<0.220%H。由文献[6],在上海软土地区,0.10%H<δv<0.80%H。对比可知,深回填土砂泥岩组合地层条件下的δv小于软土地层条件下的δv,而文献[7]中,青岛土岩组合地层条件下,0.034%H<δv<0.100%H,与本文结果较接近。

图8 δv和H分布及关系曲线

学者R.B. Peck通过实测数据分析,提出了不同土层条件下墙后地面沉降分布包络线。为了分析砂泥岩回填土地层桩后地面沉降规律,对地面沉降监测数据进行量纲一化处理,并绘制地面沉降的包络线,如图9所示。

图9 地面沉降量纲一化值及包络线图

由图9可知:最大沉降发生于xm=0.51H(xm为测点与基坑的水平距离)处;地面沉降量纲一化最大值约为0.238;沉降影响距离为H～1.5H,远小于软土地区的沉降影响距离(3.0H～4.0H)。结合图9进一步计算可得,对于深回填土砂泥岩组合地层基坑,周边地面沉降包络线为:

(1)

3.3 围护结构水平位移与桩后地面沉降相关性

基坑周边地面的沉降或隆起受围护结构水平位移影响,故δv与δh存在着某种函数关系。由文献[8],对于厦门地区基坑,δv为0.40δh～3.50δh,δv的均值为1.00δh～2.00δh;由文献[9],对于金华土岩组合地层基坑,δv为0.13δh～6.33δh,均值为1.14δh。

兰花湖停车场及文献[8-9]的基坑周边地面沉降与水平位移关系如图10所示。由图10可知,对于深回填土砂泥岩组合地层基坑,δv为0.45δh～2.35δh,均值为1.31δh。可见,本研究所得δv下限值与文献[8-9]的结论较为接近,而上限值远小于文献[8-9]的结论。据分析,这应是受土层条件的影响所致。文献[8-9]涉及的软土地层具有孔隙率高、压缩性高和承载力低的特点,故其水平变形和地面沉降效应明显;而兰花湖停车场基坑的上部填土为压缩性较小的土石混合体,故开挖引起的土体变形较小。

图10 兰花湖停车场及文献[8-9]的基坑周边地面沉降与水平位移关系

目前,基坑开挖地面沉降估算方法可分为经验法和半经验半理论法。半经验半理论法以《日本道路工程规范》方法为主,该法假定桩后地面沉降曲线与地面所围面积Sw和围护结构变形前后所围面积Sp相等,但实际工程中,Sw与Sp则是存在一定比例关系。文献[10]在大量实测数据的基础上得到,Sw与Sp比值β=0.85;文献[11]得到徐州地铁某土岩组合地层基坑β≈1.89。

为了研究深回填土砂泥岩组合地层基坑β,需先对兰花湖停车场基坑监测数据进行拟合。地面沉降和水平位移曲线计算简图如图11所示。