张 琳
(湖北煤炭地质局,武汉 430070)
某高层住宅项目位于湖北省武汉市洪山区板桥村南李路西侧,紧临京广铁路、武咸城际铁路,为7栋18层至34F高层住宅,整个场区下设置一层地下室,场地西北角设置两层地下室,一层地下室基础埋深-6.10~-6.70m,两层地下室基础埋深-10.30m。该项目场地上部分布厚层淤泥及淤泥质土层,基坑采用双排桩及桩撑支护方式,局部采用粉喷桩被动区加固方式。该基坑开挖过程中,由于淤泥等软弱土层的蠕变效应,支护结构发生大的变形。为研究基坑支护结构变形规律及土体蠕变特性,分析基坑变形过大的原因,为其他类似工程提供设计经验,特针对该软土地区基坑失稳原因进行研究。
研究区位于长江三级阶地低洼湖区,场区表层为杂填土,其下为软塑-流塑状态的湖积相的淤泥及淤泥质土,再往下为冲洪积相的黏性土层。在黏性土底部,有冲洪积相的细砂夹卵砾石层。场区基岩强风化层之上,存在一层残积黏性土层。下伏基岩为白垩-古近系强风化泥质粉砂岩、中风化泥质粉砂岩。场区存在厚度达15、16m的湖积相淤泥及淤泥质土层(表1)。
该场地地下水类型可分为三种:其一为上层滞水,其下各黏性土层为相对隔水层;其二为孔隙承压水;其三为基岩破碎带裂隙水。类型二及类型三地下水均为承压水,且两层地下水存在密切的水力联系。
1)上层滞水。赋存于第1-1层及1-2中,下部黏性土层为隔水层。补给来源为大气降水、巡司河地表水及生活用水,水量较小,钻孔稳定水位埋深为0.20 ~ 3.80m,高程在 17.41~22.15 m,无统一自由水面,对基坑或基槽开挖有一定的影响。
表1 场地地层
2)基岩裂隙水。赋存于第7层中。含水层为泥质胶结的非可溶性岩层,裂隙不太发育,勘探期间未测得该层地下水水位。由于该层地下水水位埋深大,对本工程影响较小。
场区附近无污染源分布,环境类型为Ⅲ类。根据所采取水样资料,场地地下水对混凝土及钢筋混凝土结构中的钢筋有腐蚀性较小。
场地内湖积相软土主要是由天然含水量大、压缩性高、承载能力低的淤泥沉积物及少量腐殖质所组成的土,主要为场地内的淤泥及淤泥质土层(表2)。
根据武汉地区建筑经验,在长江三级阶地低洼湖区,适宜的基坑支护方式有双排桩+桩间加固、单排桩+被动区加固和单排桩+内支撑等支护方式。本项目根据基坑各段不同的开挖深度,以及周边环境特点,采用不同的支护方案:基坑南侧,自然地面较高,采用双排桩+桩间粉喷桩加固支护方式;基坑东北侧,采用悬臂桩+粉喷桩被动区加固支护方式;一、二层地下室之间,采用悬臂桩+粉喷桩被动区加固支护方式;北侧及西侧方便设置内支撑的部位采用排桩+内支撑方式;二层地下室西侧采用双排桩+桩间粉喷桩加固+被动区粉喷桩加固支护方式。下面对基坑南侧基坑支护方式进行详细研究。
表2 场地软土层物理力学指标
基坑南侧采用双排桩+桩间粉喷桩加固支护方式,双排桩采用钻孔灌注桩,桩径φ800mm,桩长18.50~20.50m。双排桩采用4排φ500mm,桩长10.00m。设计支护结构计算变形量及安全系数均在规范允许范围之内。施工单位按照设计图纸要求进行了基坑支护结构施工。
基坑南侧区段于2017年元月上旬开始开挖。随着开挖进行,支护结构外软弱土体发生较大的蠕变变形,再加上南侧局部工程桩接桩,存在超挖现象。后由于基坑南侧场地外大量堆土,基坑南侧支护结构在土压力作用下,向基坑内侧发生较大的变形。
2017年3月26日在基坑南侧的CX1监测点累计变形为-60.4mm;变形速率为-2.8mm/d,累计变形已超规范允许值,且连续几天变形速率较大。同时,基坑支护结构坡顶出现拉张裂隙,支护桩之间土体出现渗水现象。
1)地表水平位移。累计最大位移测点为ZQS35测点。初测日期:2017年 4月7日; 至5月14日累计位移量:-532.9mm(图1)。
2)深层水平位移。累计最大位移测点为XZCX18测点。初测日期:2017年4月2日,至5月11日累计位移量:-430.9mm(图2)。
3)地表沉降监测。累计最大位移测点为CJ9测点。初测日期:2017提 2月11日,至5月14日累计位移量:-35.7mm(图3)。
各监测点累计位移值与平面位置的关系图4所示。
图1 地表水平位移监测 时间-位移Figure 1 Ground surface horizontal displacement monitoring time-displacement curve
图2 深层水平位移监测 时间-位移曲线Figure 2 Deep-seated horizontal displacement monitoring time-displacement curve
图3 地表沉降监测 时间-位移曲线Figure 3 Ground surface settlement monitoring time-displacement curve
图4 监测点累计位移值与平面位置关系Figure 4 Relationship between monitoring point cumulative displacement value and planimetric position
图4中纵坐标为各测点累计变化量,横坐标为各测点在南侧基坑由东向西的距离。
从图1、图2、图3来看,2017年4月中旬之前,支护结构变形速率较稳定,曲线呈直线段,这时,支护结构后土体处于主动土压力状态。4月底开始,土体由于蠕变作用,土体开始出现大变形状态,土体中滑动面连接起来,土体变形速率加大,土体产生深层滑移。土体变形量受裂隙面残余强度控制。土体下滑力大于裂隙面抗滑力,剩余下滑力作用下,支护结构向坑内产生大变形。也即,软土在时间作用下,会因为临空而产生较大的蠕变变形,同时也证明了软土的流变性、蠕变性较大。
图4表明,软土临空时,空间效应也会非常明显。在一个长的支护断面中,位于中间部位的支护结构变形大于角部约束部位。软土变形的空间效应明显。采取卸载基坑南侧堆载土体和回填反压后,各监测数据变形速率减缓,逐步趋于稳定。
本工程南侧支护结构变形过大的原因主要有如下几方面:
1)基坑南侧场外堆土高度达10余米,堆土的土方系旁边其他工程开挖的淤泥及淤泥质土层。基坑土方开挖后,南侧场外堆土在基坑坑底卸载后,产生较大的深层位移。当土体中滑移面连通后,土体下滑力作用下,支护结构变形量增大。
2)南侧双排桩间粉喷桩强度不能满足设计要求,粉喷桩与双排桩之间未采用高压旋喷桩进行密贴处理。支护结构后的土体产生大变形后,双排桩无法很好的传力以协同抵御土体变形。
3)土体中有机质含量较高。在有机质含量特别高的区段,粉喷桩无法正常固结,因此,土体抗剪强度较低。
4)方案设计,采用的是库伦主动土压力理论,虽然计算变形量满足要求,但由于计算软件的适用性问题,无法解决场外高堆土在剩余下滑力作用下产生的土体滑坡问题。
5)被动区存在深厚的淤泥及淤泥质土层,支护结构在剩余下滑力作用下产生大变形时,被动区土体可提供的被动土压力有限,进而产生剪切破坏。
本基坑南侧支护结构大变形造成基坑支护结构失稳的工程实例,可以给予我们一些警示:
1)对于深厚软土区的基坑,不管计算变形如何,当基坑被动区仍存在深厚软土时,应考虑设置坑内被动区土体加固措施。并且,一定要进行现场试桩试验,尤其是土体中有机质含量较高时,一定通过现场试桩结果确定水泥掺量以及成桩方法。建议优先选择成桩质量较好的高压旋喷桩或者是三轴搅拌桩进行被动区土体加固施工,必要时,可加入粉煤灰、生石灰等加固水泥固化。
2)对于基坑周边存在高差较大的堆土的基坑,或者是基坑周边地形标高差异较大时,应考虑堆土边坡或者是标高较大的桩顶放坡段边坡失稳、滑移的可能性,而不能简单的将这些堆土或者是高边坡考虑为地面超载按库伦主动土压力理论进行支护结构设计。若有滑移的可能性,应按照抗滑桩理论进行基坑支护结构设计。
3)在限制支护结构变形方面,排桩+内支撑对支护结构变形的可靠度最高,因此,当基坑形状、大小方便设置内支撑时,应尽可能采用这种支护结构。
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