膨胀土深基坑变形及支护方案设计

苑宁宁

(中铁十八局集团 第五工程有限公司,天津 300222)

0 引 言

随着国家城市建设发展速度日趋加快,对城市商业建筑用地的需求量持续增长[1],但在现有土地资源总量有限的情况下,建筑逐渐向高层发展,出现了大量的深基坑施工[2-4]．基坑深度的增加,一方面增加支护难度,基坑深度越大,发生基坑垮塌的可能性就越大[5-6];另一方面,对复杂工程地质条件下,如赋存有膨胀土或软土等强度较小的土体,更加大了施工难度[7-8]．对于膨胀土基坑稳定性研究,文献[9]考虑不同含水率条件下膨胀土的抗剪强度参数变化关系,建立基于膨胀土体抗剪强度劣化特性的膨胀土深基坑支护设计方案;文献[10]对于多种不同膨胀土深基坑支护方案,基于层次分析法与模糊综合评价法相结合的方式,对基坑支护方案进行优选;文献[11]利用ANSYS有限元软件建立膨胀土深基坑模型,分析设计支护手段的有效性,从而根据数值分析结果制定深基坑安全措施;文献[12]研究降雨或地下水浸入引起膨胀土体含水率变化引起的土体附加应力场,对膨胀土深基坑土体压力的影响规律;文献[13]针对膨胀土卸荷与含水率的变化引起的土体性质变化,对多种形式的基坑支护结构受力变形特点展开研究,得到基坑膨胀土范围对基坑围护结构变形的影响;文献[14]采用数值模拟方法,对排桩支护、排桩+斜撑等多种联合支护方式的适用性进行研究;文献[15]采用深基坑边坡稳定性极限平衡法,研究膨胀土体参数、内部裂隙影响以及支护方式等指标,优选安全、经济基坑支护方式;文献[16]基于支持向量机理论,研究膨胀土深基坑水平位移的变化规律,并对未来一定时期内位移变化进行预测;文献[17]根据成都东郊某膨胀土深基坑,对采用微型桩复合土钉墙进行支护效果进行评价;文献[18]对膨胀土深基坑采用放坡+桩锚支护方式的可行性进行研究;文献[19]采用SMW工法桩与单轴旋喷搅拌斜桩锚杆联合支护技术,并对方案的数值模拟结果与现场监测进行对比分析;文献[20]利用有限差分软件FLAC对膨胀土抗剪强度值进行衰减,并对膨胀土深基坑开挖对邻近建构筑物的沉降影响进行分析．

膨胀土对深基坑变形具有不利影响,通过对深基坑现场监测数据分析,研究膨胀土深基坑的变形规律,并设计多种深基坑支护方案,对比分析支护前、后深基坑变形规律,对支护方案的效果进行评价,为邻近区域膨胀土深基坑支护提供参考．

1 膨胀土深基坑变形

为了研究膨胀土深基坑变形及支护方案,需要到实际建设工地中,以真实建筑物为对象,通过实验测试的方式进行研究,这种方式能够有效确保研究的准确性、真实性和有效性．

拟建场地位于四川成都某建筑小区,该建设项目主要包括6幢22层高的高层住宅小区,并且部分高层建筑附近有3层商品裙房,建筑结构均为框剪结构．地下室基坑开挖深度为16～20 m,深基坑周围南北两侧为道路,距离为8～10 m,东西两侧为商场或写字楼．因此,对深基坑开挖引起的周围建筑物沉降具有较高要求,且深基坑存在部分膨胀土,因此需要制定合理的支护方案．

施工场地工程地质条件较为复杂,且赋存有膨胀土等软弱土层,地下水位位于地表以下4.5～6.2 m,主要为第四系孔隙水及地下基岩渗透水．施工场地揭露土层自上而下为:上部为素填土,主要为含植物根系及建筑垃圾等结构松散土层.土层为黄褐色黏土,为具有中等以上膨胀特性的膨胀土,分布范围较广泛,土层平均厚度为2.30 m;灰褐色粉质黏土,具有弱膨胀特性,土层平均厚度为0.55 m;含灰岩砾石的黏土,为具有弱膨胀特性的膨胀土层,土层平均厚度为4.00 m;膨胀土体,土层平均厚度为0.85 m;强风化泥灰岩,泥质结构,具有弱膨胀特性,分布于整个施工场地,土层平均厚度为5.20 m；中等风化泥灰岩,泥质结构,具有弱膨胀特性,分布于整个施工场地,土层平均厚度为16.10 m．基坑开挖揭露各土层力学性质如表1所示.

表 1 土层物理力学性质Table 1 Physical and mechanical properties of soil layers

基坑开挖内侧为临空面,基坑土体内侧无约束,土体产生水平位移．基坑开挖后对周围土体变形进行监测,土体变形规律如图1所示．从图1可知，因为膨胀土体的存在,基坑最大水平位移出现在基坑坑底附近,基坑最大变形约为75 mm,当基坑开挖至具有膨胀土体的土层范围时,深基坑水平位移增大明显,当开挖范围为无膨胀性土层时,基坑水平位移增量较小．

2 膨胀土深基坑支护设计

本工程基坑面积约为14 500 m2,开挖深度为12 m,基坑保护等级为一级,针对基坑开挖范围内存在的膨胀土,拟采用双排桩、排桩+锚索、土钉墙支护等3种支护方式．根据设计坑实际尺寸及土体力学参数建立分析模型,采用三角形单元划分网格,排桩、锚索、土钉墙的实现采用软件中生死单元命令实现,土体本构模型采用摩尔-库伦模型,支护结构采用线弹性模型．方案1采用悬臂双排桩支护结构,排桩半径0.5 m,桩长15.50,桩间距为2.5 m;方案2设置3排锚索,垂直方向间隔2.5 m,水平方向间距2 m,角度为15°～30°,排桩尺寸为半径0.5 m,桩长15.50 m;方案3设置5道土钉,土钉间距为1.5 m或2.0 m,两道预应力锚索,并喷射混凝土,形成土钉与锚索的复合土钉墙支护．不同支护方案水平位移如图2所示.

图 1 基坑水平位移监测值 图 2 不同支护方案水平位移 Fig.1 Foundation pit horizontal displacement Fig.2 Horizontal displacement of different monitoring value support schemes

对比分析3种支护方案水平位移值,方案1采用悬臂双排桩支护结构,水平最大位移为15.50 mm,方案2排桩+锚索支护方案水平最大位移为31.30 mm,方案3土钉墙支护方案水平最大位移为16.10 mm,双排桩、土钉墙支护方案支护效果较好,两者之间差值在5%以内,排桩+锚索支护方案得到的水平位移相比于双排桩、土钉墙支护方案较大,说明对膨胀土深基坑变形的控制能力较弱．因此,根据以上分析结果,对膨胀土深基坑支护可以选择双排桩、土钉墙支护,综合考虑经济成本、环境因素等外部条件,选择深基坑支护方式．

3 结 论

根据具体的膨胀土深基坑施工实例,对深基坑水平位移变形规律进行监测分析,并设计多种支护方案,利用ABAQUS软件对不同支护方案位移进行分析,主要得到以下结论:

(1) 基坑膨胀土体对基坑水平位移增量具有明显影响,基坑开挖至具有膨胀土体的土层范围内时,深基坑水平位移增大明显,无膨胀土范围,开挖水平位移增量较小,基坑最大水平位移出现在基坑坑底附近,无支护状态基坑最大变形约为75 mm;

(2) 设计双排桩、排桩+锚索、土钉墙支护等3种支护方案,建立不同支护设计的有限元模型,对比得到的支护后水平位移值,双排桩、土钉墙支护等2种方案支护效果较好,排桩+锚索支护效果次之．

虽然该研究能够有效控制基坑变形,且设计的支护方案效果较好,但还不够完善．在选取支护参数的过程中,无法确保选取参数的准确性,只能利用多次选取的平均值,这就对膨胀土深基坑变形规律的分析结果产生了直接影响,从而影响支护方案设计的有效性．未来将针对支护参数选取的准确性进行深入研究,以确保对膨胀土深基坑变形规律分析结果的准确性,使得设计的支护方案最佳,为膨胀土深基坑支护方案设计提供依据与参考．