杭州某高校学生公寓基坑施工监测分析

丁伯阳,李学鹏,王 哲

(浙江工业大学建筑工程学院,浙江 杭州 310032)

基坑开挖现场监测工作日益受到重视.杨林德[1]研究中有对基坑支护位移和安全性监测建立动态预报技术.深层土体水平位移随深度变化曲线,初始阶段成线性变化,当开挖进入后一阶段,呈非线性变化,姜忻良[2]发现位移曲线呈现“弓形”,覃卫民[3]研究中曲线类似“三角形”.关于支撑轴力,水伟厚[4]研究中有随着开挖深度的不断加深,支撑受力不断加大,下层支撑承担的荷载逐渐超过上层支撑,同时围护体变形最大点逐渐下移的理论;丁勇春[5]对多道支撑进行了分析,发现支撑轴力增量主要发生在挖土阶段,后续工况各支撑轴力基本趋于稳定并有下降趋势.关于地下水位,安关峰[6]提出在非雨季施工时,各水位观测孔基本呈线性下降趋势,且曲线基本平行.上述研究比较系统地分析了深层土体水平位移、支撑轴力、地下水位等内容,但是对单支撑轴力和多雨季节变化的研究较少.笔者以浙江理工大学下沙校区学生公寓加建2号楼为实例,通过对深层水平位移、支撑轴力和地下水位的动态变化,提出了深层土体水平位移在后阶段的变化曲线应该理解为“右括弧形”;关于支撑轴力,针对四步开挖阶段,提出了支撑轴力“缓慢下降”“迅速上升”“有升有降”“稳中有降”的四步曲结论;关于地下水位,降水的前部分也是呈现基本平行状态,但由于季节性变化,雨水天气使后部分水位有了回升,所以地下水位对季节性变化是比较敏感的.

1 工程概况

1.1 工程简介

浙江理工大学下沙校区学生公寓加建2号楼位于杭州经济技术开发区学林街北侧、文溯路东侧、浙江理工大学下沙校区生活(二)区内.加建2号楼为15到16层学生公寓楼.该工程采用框架剪力墙结构,采用桩基础,设置地下室一层,开挖深度约5 m.筑物用地长为46.8 m,宽为25.8 m.

本基坑工程±0.00相当于黄海高程为7.10 m.地面高程为6.50～6.64 m(黄海高程,下同),坑底标高为0.50 m.基坑最大开挖深度为7.90 m.

基坑围护区域地形较为平坦,其西侧为已建成使用的5号学生公寓楼,东侧为已建成使用的4号学生公寓楼,且基础边缘线距东西两侧建筑物基础间距较近,一般1.5～3 m;南北两侧距离建筑物相对较远,大于5 m,场地内及邻近区域内无市政地下管线布设.

1.2 工程地质及水文地质概况

场地地下水上部属空隙潜水,地下水受季节及大气降水条件控制,动态变化较大.勘探期间测得地下水位1.00～1.30 m.地下水位年变化幅度约0.5～1.0 m.土层以弱透水层和不透水层为主.根据2005年10月的勘察资料,场地地下水和土对砼无侵蚀性,对钢结构具弱侵蚀性.场地各土层的组成及主要物理力学指标见表1.

表1 地基土主要物理力学性能指标Table 1 Physical and mechanical properties of soil

2 基坑支护方案

基坑东、西侧距离待建4#,5#学生宿舍较近,若采用土钉墙围护,土钉打入4#,5#学生承台底,对管桩基础影响较大,土钉墙位移对管桩也有不利影响,因此,土钉墙存在一定的风险.若采用钻孔桩围护加内支撑围护,能较好的控制土体位移,对4#,5#学生宿舍相对影响较小;该侧原有4#,5#学生宿舍外挑阳台,没有桩基工作面,经甲方同意,在桩基施工前将外挑阳台拆除.

综上所述,如图1所示,确定本基坑主要采用钻孔灌注桩加支撑围护,局部采用土钉墙围护,基坑降水采用轻型井点结合自渗管井的围护方案.

图1 基坑支护结构剖面图Fig.1 Cross section of bracing system

3 监测方案

深基坑的开挖是一个动态过程,与之有关的稳定和环境影响也是个动态过程.因此,在施工过程中,对基坑围护结构及周边环境进行了全方位、全过程的监测.

文献[1]对基坑开挖采用了动态监测技术,笔者亦拟参照图2所示的过程对基坑变形及其安全性的预测建立动态预报技术.其特点是借助拟予采用的力学模型,根据任一开挖阶段的位移量测信息反演确定当前土体性态模型参数,据以对基坑体系在同一开挖阶段或下续工序中的力学状态作出预报,并通过监控量测验证预报计算结果的正确性,以及据以确定是否有必要对基坑围护结构采取适当工程措施进行加固或调整开挖步骤等.以同样的方法对各开挖阶段均作反分析计算和预报计算检验,直至开挖结束.

图2 基坑开挖动态预报示意图Fig.2 The dynamic prediction of foundation pit

3.1 监测项目

根据基坑的特殊情况,基坑监测主要项目见表2,监测点布置见图3.

表2 监测项目Table 2 The working content of the monitoring

图3 基坑监测布置图Fig.3 The sketch of monitoring points

3.2 监测频率

针对不同的监测内容,结合实际情况,制定不同的监测频率.其中,土体水平位移的监测频率为:在深基坑开挖时,正常情况平均每二天监测一次,如出现水平位移速率偏大,增加监测频率,可以每天监测一次,必要时可每天监测两次,如出现险情,则跟踪监测.施工时所得的测量结果及时反馈给有关方面并准确地进行分析.在基坑开挖及施工期间(2007.5—2007.7),依照监测方案以及基坑围护设计方案规定的频率进行监测,共进行41次监测,提供监测报告40期.

3.3 监测警报值的确定和处理措施

基坑工程中,本监测方案根据浙江理工大学下沙校区学生公寓加建2号楼基坑工程监测咨询合同以及本工程基坑支护结构设计方案,并结合JGJ120—99《建筑基坑支护技术规程》、DB33/T1008—2000《浙江省地基基础设计规范》中的规定,提出以下警报值:各测量警报值为:(1)水平位移最大速率3 mm/d,累计水平位移30 mm;(2)钢筋应力值2 000 kN,轴力达到设计值的80%;(3)基坑外水位下降不得超过5 m,每天不得超过0.5 m.

当测量值接近或超过警报值时,对整个工程情况进行了综合分析,提出了相应处理措施.在基坑开挖阶段,可以考虑的方案有:(1)墙后卸土;(2)设置临时支撑;(3)设置锚杆;(4)合理安排施工顺序;(5)加强监测密度等措施.

4 监测结果分析

4.1 深层土体水平位移

斜测管的布置见图3所示,共设4根测斜管,分两排布置, 每排各管连线平行于基坑边线.CX1 ,CX2,CX3,CX4监测结果见图4-7所示.

图7 CX4土体水平位移曲线Fig.7 The curve of displacements at No.4 slope

从图4-7可看出:(1)随着时间的增大,位移也基本处于增大状态.各阶段水平位移与时间变化规律有较大不同,5月15日开始时,水平位移随深度变化成近似线性关系,当开挖进入后一阶段成非线性关系,以上已讲述姜忻良[2]发现位移曲线呈现“弓形”,覃卫民[3]研究中曲线类似“三角形”,笔者认为,准确地讲应理解为“右括弧型”.(2)国内外研究表明,随着离基坑边周围距离的增大,土体水平位移变小.由于此工程中CX1—CX4四个测斜管是与基坑周边平行布置,距基坑距离相同,所以四测斜管的水平位移差异比距基坑周边不同距离的测斜管要小.特别是图5和图7,相似程度比较高.(3)CX1测斜管在6月25日时表现出负值,方向朝基坑外倾斜,主要原因有两点,一是由于该测斜管所处位置特殊,从图2和图8可知此处地下水位比较低,水位下降幅度也比较大,造成土体的附加沉降,致使测斜管往基坑外倾斜;二是考虑到人为因素和不可避免误差等因素,如斜测管顶端受施工干扰比较大.(4)CX1—CX4四个土体水平位移曲线中,CX1,CX2,CX4的最大位移量不超过10 mm,CX3的最大位移量为21.594 mm,均未超过警报值30 mm,水平位移最大速率也未超过3 mm/d,监测结果未超出警报值,表明深层土体水平位移变化小,属于安全范畴.

表3中,对每个测点位置来说,最大位移值均不是发生在土体的表面,而是在较深处接近开挖面,虽然CX2测点的最大位移值是发生在0.575 m,但在土体深5 m左右,其值也为7.5 mm,接近最大值7.815 mm,而其他三个测点的最大位移值均在基坑开挖面附近.另外,深层土体水平位移值的最大值一般发生在监测时间的中后期,CX1,CX2,CX3的最大位移值发生在6月25日,属于监测后期,即便是CX4,最大位移值却也发生在相对比较晚的5月29日.

表3 土体水平位移最大值Table 3 Max horizontal displacement of soil

4.2 支撑轴力

支撑对维护基坑稳定性、减小基坑围护桩向内发生水平位移、保证主体施工的尺寸空间具有重要作用.从图7可知,西边支撑最大轴力为1 155 kN(GJ1),为设计值的57.75%;东边支撑最大轴力为886 kN(GJ2),为设计值的44.3%,轴力大小均未超过设计值的80%,由此可见,轴力变化比较稳定.

图8 支撑轴力变化曲线Fig.8 The curve of supporting axial

水伟厚[4]研究的情况与此次研究不同,前者的每一支护桩有多道支撑,而笔者研究中除底板支撑外是每一支护一道支撑,水伟厚[4]得出的结论为:随着开挖深度的不断加深,支撑受力逐渐加大,下层支撑承担的荷载逐渐超过上层支撑,同时,围护体变形最大点逐渐下移.丁永春[5]发现支撑轴力增量主要发生在挖土阶段,后续工况各支撑轴力基本趋于稳定并有下降趋势.对比西两道支撑的轴力大小,可将轴力分成四阶段:(1)当开挖到支撑位置,架好支撑时,因为支撑的预加轴力使围护桩向基坑外发生微小变形,土层被动压缩,使轴力短时间内缓慢下降,命为“缓慢下降”;(2)随着开挖深度的不断加深,支撑承担更多的土侧压力,轴力处于增加趋势,命为“迅速上升”;(3)当开挖进入到更深的深度,底板没有浇注之前,外侧土层发生变形致使围护桩的受力重新分布,支撑轴力就会上下波动,表现为一会升一会降,命为“有升有降”;(4)开挖到基坑深度时,支撑轴力表现比较稳定,底板施工完成后,土侧压力由支撑和底板支撑及围护桩共同来抵抗,底板支撑分担了部分土侧压力,支撑轴力表现为基本稳定并有下降趋势,命为“稳中有降”.

4.3 坑外水位

安关峰[6]指出各水位观测孔水位基本呈线性下降趋势,且基本保持平行,而从图9可以看出,0～17 d这段时间水位下降,各观测孔水位下降曲线也基本保持平行,但从17 d以后,SW2等其他水位回升都很快,最后趋于稳定.其原因是安关峰[6]的研究是在非雨季节,而本文局部水位上升主要是季节性原因,监测期经常下雨,降雨引起水位变化较大.

图9 水位深度随时间变化曲线Fig.9 Underground water level-time curves

图10中,SW2测点的水位下降幅度最大,最大值为2.53 m,说明SW2所在的南侧墙体的止水功能相对较弱,从而导致坑外水位下降很大.地下水位下降会引起土体附加应力的增加,从而造成土体的附加沉降,故施工中应对坑外地下水位进行严格监测,控制地下水位的下降幅度不能过大,必要时可采用回灌措施.图9,10表明,地下坑外水位管的水位总体上发展比较稳定.

图10 水位下降最大值示意图Fig.10 Max underground water variation

5 结 论

测斜管的顶端由于受施工干扰比较大,为达到监测结果的准确性,应做好保护工作,如在管口砌方形砌槽,加混凝土盖板等,同时在其周围应严禁堆载、汽车的碾压和施工中的碰撞;深层土体水平位移随深度变化曲线可理解为“三角形”,也可以理解为是“弓形”,但笔者认为应更准确地理解为“右括弧形”;深层土体水平位移的最大值发生在基坑开挖面附近,并且最大值不是发生在监测前期,而是发生在监测后期或开挖后期;地下水位下降在非雨季节中基本为线性下降趋势,且各监测水位下降曲线呈平行状态,但地下水位变化受季节影响大,下雨天水位局部有回升,此时呈现非线性变化状态,地下水位下降幅度可在一定程度上反映附近墙体的止水功能.另外,地下水位的下降幅度不能过大,必要时可采用回灌措施;针对四步开挖阶段,提出了支撑轴力“缓慢下降”“迅速上升”“有升有降”“稳中有降”的四步曲结论,具有较强的实践借鉴意义.

[1] 杨林德,钟才根,曾进伦.基坑支护位移和安全性监测的动态预报[J].土木工程学报,1999,32(2):9-11.

[2] 姜忻良,宗金辉,孙良涛.天津某深基坑工程施工监测及数值模拟[J].土木工程学报,2007,40(2):80-83.

[3] 水伟厚,杨刘柱,孙斌.温州世贸中心基坑工程施工监测[J].岩土工程学报,2006,28(增刊):1812-1814.

[4] 覃卫民,张照仪,王浩.等.武汉团结小区商住楼工程基坑施工监测分析[J].岩土工程学报,2006,28(增刊):1830-1833.

[5] 丁勇春,王建华.上海软土地区某深基坑施工监测分析[J].西安建筑科技大学学报,2007,39(3):433-833.

[6] 安关峰,高峻岳.广州地铁公园前地下空间深基坑综合支护监测分析[J].岩土工程学报,2007,29(6):872-879.

[7] 周香莲,王建华.北仑电厂循环水泵基坑监测分析[J].岩土工程学报,2006,28(增刊):1802-1805.

[8] 亓乐,施建勇,顾士坦.南京地铁中和村车站基坑监测分析[J].工业建筑,2007,37(增刊):790-792.

[9] 李庆伟,陈龙华,程金明.北京某深基坑监测实例分析[J].施工技术,2008,37(9):30-32.