不良地質(zhì)條件下深基坑開挖咬合樁支護安全性分析

賈正興

【摘 要】文章針對傳統(tǒng)分析方法在對不良地質(zhì)條件下深基坑開挖咬合樁支護安全性進行分析時，存在分析得出的評價結(jié)果與實際支護安全系數(shù)相差較大，無法為施工提供有效數(shù)據(jù)依據(jù)問題，開展對分析方法的設(shè)計研究。通過獲取不良地質(zhì)條件深基坑開挖咬合樁支護施工數(shù)據(jù)、劃分咬合樁支護安全性預警閾值、基于邊界條件計算咬合樁支護安全系數(shù)，提出一種全新的分析方法。通過對比測試證明，新的分析方法與傳統(tǒng)分析方法相比得出的分析評價結(jié)果與實際結(jié)果相符，分析結(jié)果的準確性更高。

【關(guān)鍵詞】不良地質(zhì)條件;深基坑開挖;咬合樁;支護安全性;分析方法

【中圖分類號】TP391 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2022）03-0070-04

0 引言

我國相關(guān)建筑施工文件標準提出，深度超過6.0 m基坑，或深度不超過6.0 m但具有支護結(jié)構(gòu)的基坑，被統(tǒng)稱為深基坑。在建筑施工過程中，為了確保基坑施工的順利實施，避免基坑主體結(jié)構(gòu)遭到周邊地質(zhì)環(huán)境的影響而被破壞，保障其安全性，通常會在深基坑內(nèi)采用增設(shè)支護結(jié)構(gòu)、防水層等方式，進行基坑的開挖與回填工作，保障施工安全[1]。隨著我國建筑產(chǎn)業(yè)相關(guān)施工文件內(nèi)容的逐步標準化，建筑工程施工的實施逐步向合理化與規(guī)范化方向推進。但在此過程中，考慮到深基坑施工與其他工程項目存在環(huán)境差異，例如深基坑施工地質(zhì)環(huán)境相對復雜、容易受到地下水的干擾與影響等，不良地質(zhì)條件對深基坑施工具有一定的影響[2]。因此，施工方提出了一種在基坑開挖過程中對其進行咬合樁支護的方法，提高施工的安全性和穩(wěn)定性。在施工過程中，使用機械設(shè)備在基坑內(nèi)鉆孔，此時多個坑內(nèi)支護樁呈現(xiàn)一種重合咬緊結(jié)構(gòu)，相比常規(guī)的支護結(jié)構(gòu)，此種支護結(jié)構(gòu)具有優(yōu)越的防水性能，可以更好地抵御雨水的侵蝕。與連續(xù)防水墻相比，該結(jié)構(gòu)施工造價成本更低，因此咬合樁支護已被廣泛應用到工程建設(shè)中。但在深入對此方面的調(diào)查與研究中發(fā)現(xiàn)，大部分基坑工程在使用此種結(jié)構(gòu)進行施工時，僅考慮咬合部位的防水性能，沒有關(guān)注到基坑擋土墻對支護結(jié)構(gòu)的外在作用力，因此極易導致支護結(jié)構(gòu)出現(xiàn)穩(wěn)定性與安全性差的問題。為了滿足深基坑施工要求，本研究基于不良地質(zhì)條件下，設(shè)計一種針對深基坑開挖咬合樁支護結(jié)構(gòu)的安全性分析方法，保障深基坑建成后具有更強的穩(wěn)定性與安全性。

1 不良地質(zhì)條件下深基坑開挖咬合樁支護安全性分析方法

1.1 獲取施工數(shù)據(jù)

為了確保咬合樁支護安全性分析結(jié)果的準確性，在開展相關(guān)工作前，需要針對性地獲取工程施工數(shù)據(jù)。本項目為吳圩機場至隆安段高速路二分部，位于崇左市扶綏縣，起止里程為K19+600～K31+000，全長11.4 km，主要由橋梁和路基組成。工程施工中，核心工程數(shù)據(jù)如下：路基區(qū)域填方超過74.0萬m2;挖方23.0萬m2，清淤換填面積為46.0萬m2，橋梁3座共1 369 m（含分離式立交）、涵洞51.0座共2 010.38 m，橋隧比為12%。

項目在實施過程中，其控制所屬項目為沙尾左江特大橋，橋址位于廣西崇左市扶綏縣龍頭鄉(xiāng)沙尾村附近，在沙尾渡口下游約300.0 m處跨越左江。其中，橋梁主要結(jié)構(gòu)的跨徑長度約360.0 m，屬于一種在鋼管與混凝土結(jié)構(gòu)支撐下的提籃拱橋，橋體全長約968.0 m，跨徑組合為9.0×40.0+360.0+6.0×40.0，是我國乃至全球最高跨度的橋梁。主橋南北岸拱座基礎(chǔ)均為分離式擴大基礎(chǔ)，北岸拱座基礎(chǔ)底設(shè)計標高為66.0 m，左右幅拱座尺寸（長×寬×高）均為33.0 m×15.7 m×8.5 m，中間不設(shè)連續(xù)梁。

北拱座距離左江岸約15.0 m，基坑自原地面總開挖平均深度為18.5 m，放坡空間有限，因此采用四面防滲咬合樁進行基坑支護。咬合樁頂標高為80.2 m，沿左右幅基坑四周布設(shè)，單樁直徑為1.5 m，樁中心距為1.25 m，相鄰兩樁咬合25.0 cm。咬合樁采用素砼樁和鋼筋混凝土樁搭配，單側(cè)拱座基坑設(shè)置83根咬合樁，總共設(shè)置166.0根咬合樁。樁頂設(shè)置冠梁，基坑內(nèi)部設(shè)置兩層內(nèi)支撐，四角設(shè)置角撐。

根據(jù)我國建筑市場《危險性工程施工安全管理條例》提出的深基坑開挖施工要求：在開挖深度超過5.0 m的基坑時，可將此種類型工程認定為危險工程類型。通過上述對深基坑開挖工程工況的描述可知，本工程屬于危險類型工程[3]。根據(jù)《建筑工程深基坑開挖支護技術(shù)標準》（JGJ 055—2018）第3.1.3條規(guī)定，本文研究的工程支護結(jié)構(gòu)，其側(cè)壁安全等級屬于一級，安全等級重要系數(shù)取值1.1。綜上所述，完成對不良地質(zhì)條件深基坑開挖咬合樁支護施工數(shù)據(jù)的獲取。

1.2 劃分咬合樁支護安全性預警閾值

在掌握與工程施工相關(guān)的數(shù)據(jù)后，引進數(shù)值模擬法，進行咬合樁支護安全性預警閾值的規(guī)劃[4]。在工程應用中，利用電子計算機結(jié)合有限元或有限容積的概念，通過數(shù)值計算和圖像顯示的方法，達到對咬合樁支護安全性問題研究的目的。數(shù)值模擬內(nèi)部程序有相應的計算方法，可以模擬較復雜的施工過程，通過計算將其數(shù)值結(jié)果顯示在熒光屏上，可以看到咬合樁支護安全性的各種細節(jié)。根據(jù)數(shù)值結(jié)果結(jié)合工程咬合樁支護施工要求，在工程現(xiàn)場使用旋挖鉆機開展施工，場地平整至設(shè)計標高后，采用隔樁跳打的方式施工咬合樁。通過隔樁跳打方式可以有效避免工程咬合樁支護施工時對相鄰已成樁質(zhì)量產(chǎn)生不利影響，通過間隔一根樁進行施工，保證施工的安全性和穩(wěn)定性。在劃分咬合樁支護安全性預警閾值時，需要結(jié)合數(shù)值模擬數(shù)據(jù)進行有效測量，然后根據(jù)測量數(shù)值準確放樣，保證樁基偏位不超出設(shè)計和規(guī)范的要求，鉆孔過程中要注意檢查鉆孔垂直度，確保相鄰樁咬合長度滿足要求，成孔后要進行徹底清孔。孔底部的沉渣清理干凈后，及時將混凝土等材料灌注到模子里進行澆筑，制成預定形體。如未能及時澆筑，需要對孔口進行適當?shù)姆雷o，保證無沉淀物留存孔底。

只有待所有咬合樁施工完畢，并完成冠梁和第一道內(nèi)支撐施工后，才能進行土石方開挖。土石方開挖采用分層臺階開挖，長臂挖掘機進行出土，要求施工至各級內(nèi)支撐時暫停開挖進行內(nèi)支撐施工，待內(nèi)支撐完成后方能繼續(xù)向下開挖[5]。巖層采用一種新型施工工藝對其進行靜態(tài)爆破施工，具有安全性、環(huán)保性、經(jīng)濟性、精確性和實用性。爆破過程中，沖擊力較小，不具有破壞性，不會對周圍環(huán)境產(chǎn)生污染，具有較高的分裂精度。在此過程中，需要使用斜距測量儀，將測線的位移進行檢測，在軸力檢測的支護架設(shè)前端，為了避免檢測中結(jié)構(gòu)應力過于集成，可在檢測過程中，在軸力與支護結(jié)構(gòu)中間增設(shè)一個鋼墊板，降低在模擬應力數(shù)值過程中，支護結(jié)構(gòu)應力值受到不良地質(zhì)條件的干擾[6]。在此過程中，軸力檢測儀與支護結(jié)構(gòu)銜接部分安裝示意圖可參照圖1結(jié)構(gòu)布設(shè)。73DE3AA1-EFCA-42F8-833B-0CA4474C5E8B

圖1中：（1）表示深基坑咬合樁鋼結(jié)構(gòu);（2）表示支撐頭;（3）表示軸力檢測儀;（4）表示加強墊板;（5）表示軸力檢測儀安裝架;（6）表示軸力檢測儀托架;（7）表示預制板。根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，規(guī)劃不同位置咬合樁支護安全性的預警閾值[7-8]（見表1）。

設(shè)定咬合樁樁體位置和咬合樁支撐軸力，可以有效測算咬合樁支護安全性。劃分深基坑沉降和支護結(jié)構(gòu)傾斜度閾值，可以有效分析咬合樁的防滲和防水能力。分析相鄰管線轉(zhuǎn)角和管線沉降情況，可以有效防止施工產(chǎn)生基坑裂縫、下塌現(xiàn)象。輸出表1中所有內(nèi)容，以此作為評價咬合樁支護是否處于安全范圍的依據(jù)，從而完成對安全性預警閾值的有效劃分。

1.3 基于邊界條件計算咬合樁支護安全系數(shù)

在完成上述相關(guān)工作的基礎(chǔ)上，可通過對深基坑開挖咬合樁支護邊界條件進行分析的方式，對咬合樁支護安全系數(shù)進行計算[9]。考慮到深基坑在不良地質(zhì)條件下，周邊地表層無固定超載現(xiàn)象，因此在對深基坑進行描述時，可從自由邊界面對其進行表達[10]，即深基坑長邊表示為x，也可將x定義為支護兩側(cè)的邊界條件，在x方向上施加法向約束作用力，此時限制邊界出現(xiàn)向x方向的水平位移。為了降低此種沉降現(xiàn)象，在深基坑的底部邊界施加一個固定約束力，這一作用力與x方向的作用力，呈現(xiàn)垂直狀態(tài)[11]。此時，在前后邊界位置處，施加一個法向約束作用力，此時，在不考慮地下水滲流的條件下，可對咬合樁支護穩(wěn)定性進行計算。計算公式如下。

f=τf-c-σntanφ（1）

公式（1）中：f表示咬合樁支護穩(wěn)定性;τf表示支護結(jié)構(gòu)在法向方向上受到的單元作用力;c表示支護結(jié)構(gòu)受到的正向應力值;σn表示承載作用力;φ表示支護結(jié)構(gòu)傾斜角度。輸出上述計算公式的計算結(jié)果，以此作為咬合樁支護安全系數(shù)，從而完成對不良地質(zhì)條件深基坑開挖咬合樁支護安全性分析方法的設(shè)計[12]，確保咬合樁支護具有安全性和穩(wěn)定性。

2 實驗論證分析

本文以南寧市某建筑施工工程項目為研究對象，針對該項目當中的深基坑開挖咬合樁支護安全性進行分析。結(jié)合當前咬合樁支護安全性的預警閾值，對其監(jiān)測內(nèi)容和監(jiān)測方法進行規(guī)定，按照圍護結(jié)構(gòu)和土體方位規(guī)定不同的監(jiān)測方法，具體見表2。根據(jù)上述論述內(nèi)容，在不良地質(zhì)條件下分別利用本文提出的分析方法和傳統(tǒng)分析方法完成其安全性分析，并將兩者得出的分析結(jié)論進行對比，以此驗證本文分析方法的應用優(yōu)勢。

從表2的監(jiān)測內(nèi)容與方法可以看出，監(jiān)測樁頂水平位移和基坑邊坡坡頂水平位移對咬合樁支護安全性具有基礎(chǔ)性意義，由此需要采用集光、機、電為一體的高技術(shù)全站儀對其進行監(jiān)測。根據(jù)Midas-gts-nx 2018軟件模擬分析得到10#墩左幅基坑開挖至基坑底部后，計算最大樁頂位移為16.4 mm，發(fā)生在圍護結(jié)構(gòu)長邊中部。計算短邊最大位移為4.8 mm，具體如圖2所示。

從圖2可以看到咬合樁支護不同位置的安全性數(shù)據(jù)，具有較強的直觀性。10#墩左幅基坑樁頂位移部分測點在整個施工周期位移實測值變化曲線如圖3所示。

通過圖3可知，2020年6月3日，左幅基坑進行第一次控制爆破施工后，支護樁失去巖層支護，長邊及短邊位移增量變大，曲線變陡。長邊實測值與計算值基本吻合，但因基坑挖深超深，導致位移進一步增加。因為基坑短邊受車輛移動荷載及水流影響，監(jiān)測位移波動較大，所以在今后設(shè)計計算時應注意考慮其影響。

根據(jù)Midas-gts-nx 2018軟件模擬分析工況“開挖至腰梁下方2 m位置”，得到鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)支撐最大軸力計算數(shù)值為2 520.38 kN，發(fā)生在第二層基坑中央鋼直撐位置，具體如圖4所示。

通過圖4位置圖對10#墩右幅基坑第二層基坑中央鋼直撐軸力進行對比分析，實測值變化曲線如圖5所示。

通過圖5可知，2020年5月13日，在10#墩右幅基坑開挖至腰梁下方2 m后，第二層基坑中央內(nèi)支撐現(xiàn)場實測最大軸力為2 339.6 kN，實測值與計算值基本吻合。由此表明，本文分析方法具有實際應用優(yōu)勢。

3 結(jié)束語

深基坑在工程建設(shè)中屬于一種地下工程，常被應用在城市地鐵工程、設(shè)防工程等市政類型工程建設(shè)中，在此種類型的工程中，施工方需要根據(jù)工程實際需求，設(shè)計深基坑的基底深度與基礎(chǔ)尺寸寬度，并以此為參照開挖基體結(jié)構(gòu)。為了進一步掌握與此方面相關(guān)的內(nèi)容，本文以不良地質(zhì)條件作為研究的前提條件，對深基坑開挖咬合樁支護安全性分析方法展開深入的設(shè)計與研究，分別從獲取工程數(shù)據(jù)、劃分安全性預警閾值、計算咬合樁支護安全系數(shù)3個方面展開設(shè)計，在完成對此方面的設(shè)計后，通過對比論證的方式，證明該設(shè)計方法相比傳統(tǒng)方法具有更強的適用性。

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