復(fù)雜環(huán)境下基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計與施工關(guān)鍵技術(shù)研究

0 引言

城市發(fā)展離不開新建建筑物，大多數(shù)的城市發(fā)展都是基于老城的規(guī)劃。新建建筑物的施工會受到周邊建筑的影響[1]，尤其是基坑開挖，既要保證不影響原有建筑物的穩(wěn)定性，還要保證新建建筑物能正常施工。對于深大基坑工程，由于狹小場地的影響，基坑很難采用傳統(tǒng)的分級放坡開挖形式進(jìn)行施工[2]。排樁支護(hù)是將樁基礎(chǔ)先打入地基，待地下水位降至安全范圍內(nèi)，再進(jìn)行基坑開挖。這類開挖形式既保證了開挖過程基坑的穩(wěn)定性，又節(jié)省了工期，同時周邊建筑物的穩(wěn)定性也得到了保證。本文以某中學(xué)的人防工程為例，重點(diǎn)分析復(fù)雜環(huán)境下，基坑的排樁支護(hù)對基坑變形的影響[3]。

1基坑圍護(hù)類型

1.1 深層攪拌樁

深層攪拌樁是將水泥、固化劑等原材料通過施工機(jī)械與地下土體攪拌在一起，以此來提高地基土強(qiáng)度。此類基坑支護(hù)用于軟土地基較多，由于軟土地基中含水率高，土的抗剪強(qiáng)度低，利用施工的剪切作用，可以充分的將固化材料與地基拌和。該技術(shù)常用于安全等級為二級或三級的基坑，對周邊建筑物密集且基坑開挖深度過大的工況，采用深層攪拌樁更為經(jīng)濟(jì)。

1.2錨桿支護(hù)

錨桿支護(hù)是一種常見的邊坡支護(hù)方式，在深大基坑中，基坑開挖往往采取分級開挖，每級開挖完成后要做相應(yīng)的支護(hù)。錨桿一端與邊坡土體連接，另一端與支護(hù)結(jié)構(gòu)相連，通過在外部施加預(yù)應(yīng)力，以此提高土體的抗拉強(qiáng)度，可廣泛應(yīng)用于各種類型的基坑。

1.3 地連墻支護(hù)

地連墻適用于基坑土質(zhì)復(fù)雜的地區(qū)，具有整體強(qiáng)度較高、止水效果好的特點(diǎn)。在施工中，地連墻一方面作為基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)，另一方面也可以作為建筑結(jié)構(gòu)的外墻，實(shí)現(xiàn)“一墻兩用”，具有較好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

2工程概況

2.1工程基本情況

本文依托某地下物資儲備庫項(xiàng)目，該工程結(jié)構(gòu)為混凝土框架結(jié)構(gòu)，基坑周長 650m ，面積約 11000m² ，基坑安全等級二級。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁支護(hù)（樁長分別為12.8m和 15.8m） ，搭配內(nèi)支撐體系。其中，人防出口部位及其周邊采用兩種規(guī)格的SWM工法樁：一種攪拌樁采用“隔一插二”的方式插入H型鋼，有效樁長 12m ；另一種攪拌樁采用密插的方式插入H型鋼，有效樁長 14m 。

2.2工程水文地質(zhì)條件

根據(jù)業(yè)主提供的《巖土工程勘察報告（詳細(xì)勘察階段）》，土層力學(xué)參數(shù)如表1所示。其中 q_sik 表示樁極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值， q_pk 表示樁極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值。需要注意的是，鉆孔灌注樁 q_pk 值僅適用于孔底回淤土厚度 ?10cm □

2.3基坑工程的重難點(diǎn)

本工程周邊環(huán)境復(fù)雜，具體狀況如下：基坑西北側(cè)緊鄰新辦公生活區(qū)樓，該樓為條形基礎(chǔ)3層磚混結(jié)構(gòu)，距基坑邊約 10.92m ；正北側(cè)為教工住宅樓，采用條形基礎(chǔ)6層磚混結(jié)構(gòu)，距基坑邊約33.15m；東北側(cè)為小區(qū)住宅樓條形基礎(chǔ)6層磚混結(jié)構(gòu)，距基坑邊約 8.79m ，周邊建筑均建于20世紀(jì)80年代中期；東側(cè)為公園，距基坑圍墻 9.3m ；南側(cè)為道路綠化帶，距基坑邊約 5.77m 。在基坑開挖過程中，若出現(xiàn)降水不當(dāng)或滲漏水情況，可能對周圍環(huán)境產(chǎn)生不利影響，導(dǎo)致周邊建筑物裂縫及路面裂縫等情況。

表1土層力學(xué)參數(shù)

3現(xiàn)場監(jiān)測及結(jié)果分析

3.1 現(xiàn)場監(jiān)測

3.1.1 現(xiàn)場監(jiān)測目的

本工程基坑周邊建筑物密集且基礎(chǔ)形式復(fù)雜，通過現(xiàn)場監(jiān)測獲取支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力及變形特性，既能驗(yàn)證設(shè)計方案的合理性，也能為后續(xù)類似施工提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。此外，支護(hù)結(jié)構(gòu)在破壞前，其結(jié)構(gòu)力學(xué)特性會發(fā)生突變，及時監(jiān)測現(xiàn)場情況，便于預(yù)測圍護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性。

3.1.2監(jiān)測報警值設(shè)置

基坑及支護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)測報警值應(yīng)根據(jù)圖紙設(shè)計、地質(zhì)條件等因素綜合確定。按照設(shè)計圖紙要求，樁頂水平位移預(yù)警值為 30mm ，樁身水平位移值預(yù)警值同樣為 30mm_c

3.1.3監(jiān)測頻率與檢測精度要求

監(jiān)測周期為基坑土方開挖到基坑施工至“ ±0 ”時間段。其中，開挖期間至開挖完成后一周內(nèi)，每天監(jiān)測不少于兩次；墊層及底板施工期間至底板混凝土澆筑后，改

圖1樁頂水平位移隨時間的變化

為每3d一次；底板混凝土澆筑后至回填至“ ±0^′′ 期間，每周一次（若位移量過小，則根據(jù)實(shí)際情況確定觀測間隔）；拆除支撐期間及支撐拆除后3d內(nèi)，每天監(jiān)測一次。

水平位移觀測應(yīng)避開強(qiáng)日照和風(fēng)荷載影響大的時間段。基坑支護(hù)樁樁頂水平位移監(jiān)測精度，應(yīng)根據(jù)其水平位移報警值按表2確定。

表2水平位移監(jiān)測精度要求

3.2 監(jiān)測結(jié)果

3.2.1樁頂水平位移檢測值

現(xiàn)場排樁樁徑 0.8m ，樁長 12.8m ，底層標(biāo)高 7.08m 。整個基坑施工工期45d，開挖分3個階段：第一階段開挖至 1.8m ，第6d完成；第二階段段開挖至 3.5m ，第12d完成；第三階段開挖至 7.08m ，第30d完成。排樁完成且地下水降至基坑底部1m以下，基坑開始并監(jiān)測。樁頂水平位移隨時間的變化如圖1所示。

由圖1可知，當(dāng)基坑開挖至1.8m時，樁頂出現(xiàn)明顯的水平位移。繼續(xù)開挖至 3.5m ，樁頂水平位移的增大速率逐漸增大，但并未超過水平位移預(yù)警值。當(dāng)基坑開挖至坑底標(biāo)高7.08m后，采取人工開挖，此階段工期較長，樁頂水平位移仍在不斷增大。最終樁頂水平位移穩(wěn)定在6.5mm，在可控范圍內(nèi)。

3.2.2樁身位移監(jiān)測值

整個開挖階段分3個階段完成，得到樁身位移在不同開挖階段的變化如圖2所示。從圖2可以看出，基坑開挖至1.8m時，樁身位移隨樁體埋深越來越小。這是因?yàn)闃堕L 12m ，而基坑開挖不到 7m ，樁下部埋置于土層中，位移變化不大，此時樁基礎(chǔ)可近似的認(rèn)為是“懸臂梁”。

隨著開挖深度不斷增大，樁身上部水平位移越來越大，當(dāng)基坑開挖至 7.08m 時，樁身最大位移是 4.8mm 待基坑穩(wěn)定一段時間后，樁身位移最大穩(wěn)定在 6.5m ，仍屬于安全范圍。

圖2樁身位移在不同開挖階段的變化

圖3樁頂豎向位移隨施工工期的變化

3.2.3豎向位移監(jiān)測值

圖3為樁頂豎向位移隨施工工期的變化圖，由圖3可知，樁頂位移隨施工工期逐漸增大，最終沉降穩(wěn)定在2.8mm ，變化幅度較小。這是由于樁體施工后靜置20d，地下水位下降至基坑底1m以下，使得樁基礎(chǔ)基本完成固結(jié)沉降，樁身結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定。施工第30d，樁頂豎向位移出現(xiàn)回彈現(xiàn)象。這是因?yàn)橥馏w變形具有彈塑性特征，在基坑開挖階段，基坑底部土體發(fā)生彈性變形。當(dāng)上部土體挖除后，即上部荷載消失，土體產(chǎn)生向上的回彈變形，進(jìn)而導(dǎo)致樁頂豎向位移出現(xiàn)回彈。

基坑開挖后，樁基礎(chǔ)主要是橫向變形，豎向位移變化相對較小。因此，在基坑支護(hù)施工過程中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注基坑水平位移變化，確保排樁后方產(chǎn)生的土壓力小于排樁的橫向承載力。

3.3數(shù)值模型分析

3.3.1 模型建立

為了補(bǔ)充完善現(xiàn)場監(jiān)測的變形位移，基于FLAC3D建立數(shù)值仿真模型，模擬排樁的分階段開挖過程。結(jié)合地勘資料中土體的基本參數(shù)，基坑開挖過程如圖4所示。

3.3.2數(shù)值模擬與現(xiàn)場試驗(yàn)對比分析

對建立的數(shù)值模型進(jìn)行分析，得到樁頂豎向位移隨

開挖過程的變化情況，將其與現(xiàn)場監(jiān)測進(jìn)行對比，得到現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬對比如圖5所示。

從圖5可知，現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值仿真得到的豎向位移基本一致。數(shù)值仿真結(jié)果呈現(xiàn)出較強(qiáng)的規(guī)律性，而現(xiàn)場監(jiān)測因受各種因素的影響，在第20d出現(xiàn)豎向位移回彈現(xiàn)象，至第40d恢復(fù)正常變化趨勢。因此，數(shù)值仿真結(jié)果能夠有效補(bǔ)充現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，為工程分析提供更全面的依據(jù)。

圖5現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬對比

4基坑開挖關(guān)鍵施工技術(shù)

4.1土方開挖原則與方法

基坑土方開挖方案，總體按照“豎向分層、水平分段、由上至下、先支后挖保持基坑圍護(hù)體受力均衡”的原則進(jìn)行作業(yè)。施工中以機(jī)械開挖為主，人工修整邊角部位、清理坑底。開挖過程中應(yīng)保持均勻、平衡、對稱，確保土體應(yīng)力均勻釋放，保障基坑安全。

圖4基坑開挖過程

4.2開挖設(shè)計要求

本工程基坑面積 11000m² ，底板部位開挖深度 6.68m 承臺部位 7.28m ，開挖土方量 85000m³ ，基坑支護(hù)設(shè)置一道水平鋼筋混凝土支撐結(jié)構(gòu)。結(jié)合工程特點(diǎn)及基坑支護(hù)情況，采用中心島式開挖方案進(jìn)行開挖，即由四周向中部開挖。根據(jù)圖紙設(shè)計標(biāo)高，擬利用自然土體由場外地坪向坑內(nèi)修筑一條寬 10m 的汽車運(yùn)輸臨時道。

4.3施工流程

第一階段在帽梁、環(huán)梁及對稱支撐結(jié)構(gòu)的范圍采用跳槽開挖，開挖出其對應(yīng)部位土方至下皮標(biāo)高，開挖方量為 8000m³ ，并保留基坑環(huán)梁中心土方。隨后進(jìn)行冠梁、水平支撐梁結(jié)構(gòu)的施工，待支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計強(qiáng)度后，進(jìn)行下一階段土方開挖。

第二階段采用分層退挖，遵循先四周后中央順序，分層厚度 3.2m 。即第一步開挖至-3.5m標(biāo)高，第二步開挖至槽底標(biāo)高（底板 -7.08m 、承臺 -7.68m） 。對局部較深的集水坑部分進(jìn)行放坡護(hù)壁，最后采用人工清槽的方式清除剩余土方，并安排挖掘機(jī)退場。

5結(jié)束語

本文以某地下物資儲備庫項(xiàng)目為依托，基于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，系統(tǒng)分析了排樁基礎(chǔ)在基坑開挖過程中的結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布和變形規(guī)律，并將其與設(shè)計預(yù)警值進(jìn)行對比驗(yàn)證。研究結(jié)果表明，排樁基礎(chǔ)適用于基礎(chǔ)深度較大的狹小場地基坑開挖，有助于提高基坑的穩(wěn)定性。需要注意的是，基坑開挖前應(yīng)靜置足夠時間，可顯著降低后期排樁基礎(chǔ)變形量，保障施工安全與工程質(zhì)量。

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