基于监测数据的引水工程基坑变形和内力变化规律分析

毛景晖

(广东华迪工程管理有限公司,广州 510600)

0 引 言

随着城市地下空间的进一步开发与利用,城市地下工程不断涌现,深基坑工程也得到大量修建。在实际工程建设过程中,由于各种因素的影响,基坑产生严重变形的现象层出不穷,给工程的安全稳定性造成极大威胁。因此,对基坑工程变形和内力变化进行监测与分析,是保障工程建设质量和安全的基础。

目前,许多学者对基坑工程中的变形和内力变化规律进行了相关研究。朱炜强等[1]结合勘察报告和剖面图等材料中的参数,利用MiDAS XD软件建立有限元模型,分析了基坑开挖、混凝土浇筑及拆换撑过程中的内力和位移变化,并模拟了支护结构的受力和位移情况,为项目的正常开展提供了参考。何平等[2]采用ABAQUS建立弹性地基梁模型,研究了基坑围护结构的变形和内力变化规律,结果表明,三轴固结不排水条件下,基坑围护结构的变形和内力变化最小。李镜培等[3]以极限平衡法为理论基础,建立了能同时考虑渗流条件变化和临近基坑施工下的土压力理论计算模型,并利用实测数据验证了所建模型的有效性与合理性。冷伍明等[4]基于实测数据和三维有限元仿真模拟,研究了工程桩对基坑变形和地连墙内力的影响机制,主要针对工程桩布设间距、桩长、桩径等变量展开了分析与讨论。肖景平等[5]于某地基坑布置多个测点,基于实际监测数据,对该基坑围护结构的多处变形与内力进行了分析,结果表明,葫芦形地连墙相较于圆形地连墙更易满足设计中对内力与变形的要求。

上述文献主要针对基坑的内力与变形方面开展了相关研究,但对于圆形深基坑的变形与内力变化规律分析还未多见。因此,本文在已有研究基础上,依托某引水工程中的基坑实测数据,对该圆形深基坑施工过程中的变形与内力变化规律进行分析。

1 基坑工程概况

本文依托国内某地引水工程中的基坑工程。根据工程实地勘察报告,基坑工程施工深度范围内,主要包括黏土、粉质黏土、粉土、素填土等土层。该基坑施工深度58.3m,采用直径8m的圆形结构进行基坑围护,地下连续墙厚度1m,内衬墙采用厚度1m、直径7m的圆形结构。整个圆形接收井基槽分两期施工,采用铣接方式开展接头工作。

整个基坑的施工过程分阶段开展。第一阶段主要针对40m范围以内的深度,每开挖5m左右的深度后,需对地连墙同步进行凿毛与种筋处理,以保证结构的稳固,此外还需及时对该段底部及上部进行内衬结构的施工。第二阶段主要针对40～55m范围以内的深度,每开挖3.5m左右的深度后,进行一次内部衬砌,与第一阶段的局部顺做不同,第二阶段采用全逆作法进行施工。第三阶段主要针对55～58.3m范围以内的深度,此阶段已接近目标深度,除了机械挖土,在目标深度以上3cm左右的范围内,应采用人工挖掘的方式进行土方挖除,以免造成超挖。基坑施工完成后,及时封闭底板并处理渣土。

2 测点布置方案

为了对基坑施工过程中的变形与内力变化规律进行分析,在多处关键部位,如基坑周边地表、内衬结构及地连墙等处埋设传感器,以监测基坑周围土体的沉降变形情况、地连墙及内衬结构的变形和内力变化情况。图1为坑周地表测点布置图。在相互垂直且经过基坑圆心的两条垂直线上,距离基坑外围0、8、24、48m处分别布设监测点,共计16处。

在地连墙钢筋笼的主筋位置,分别布设PVC测斜管,以监测地连墙横向位移。PVC测斜管是一种常用的地下工程监测仪器,也叫“测斜孔管”或“倾斜孔管”,具有良好的耐腐蚀性、耐酸碱能力和密封性能,一般安装在地下或结构内部,可以实时监测地面或结构物的倾斜情况,从而为工程管理和维护提供精确、及时的数据支撑。此外,在地连墙钢筋笼的主筋位置,另外埋设竖向与横向钢筋计,以监测地连墙钢筋内力的变化,钢筋计布设间距由浅入深,逐渐减小。

3 监测数据分析

3.1 坑周地表纵向变形分析

基坑开挖至不同深度时,距基坑外边缘不同距离地表的纵向变形变化曲线见图2。由图2可以看出,所有测点产生的纵向变形值基本为正值,表明整个施工过程中地表以凸起变形为主。随着距基坑外边缘距离的不断增大,坑周地表纵向变形数值整体呈下降趋势。离基坑外边缘最远的测点距其48m,由图2可知,开挖至不同深度时,该测点纵向变形值均小于1mm,表明基坑施工对48m及其以外范围的土层影响较小,可忽略不计。基坑的开挖过程对地连墙顶部的纵向变形影响程度最大,当基坑开挖深度10m时,地连墙顶部纵向凸起0.12mm;在开挖至40m深度后,则快速增至2.76mm;此后增长速率放缓,在开挖至50m时,达到最大值2.85mm。

图2 不同开挖深度下坑周地表纵向变形曲线

图3、图4分别为坑周1号测点和13号测点的地表纵向变形历时曲线。可以看出,这两处测点的地表纵向变形均随着施工过程的进展,整体呈现先凸起后沉降的现象,且沉降时间点均发生在160天左右,这可能是由于开挖后期地质条件、材料特性以及工程施工等因素导致的。

图3 测点1#地表纵向变形历时曲线

图4 测点13#地表纵向变形历时曲线

3.2 地连墙横向变形分析

基坑开挖至不同深度时,不同深度处地连墙横向变形曲线见图5。其中,正值表示地连墙向基坑圆心方向发生收缩变形;负值表示地连墙向背离基坑圆心方向发生扩张变形。可以看出,在开挖至20m深度前,地连墙横向变形数值为正值,表明此阶段地连墙整体发生向基坑方向移动的趋势。当开挖深度大于20m后,浅层区域尤其是地连墙顶部横向变形数值变为负值,且快速减小,表明此阶段地连墙浅层区域变形方向发生变化。这可能是由于基坑周边的土体对地连墙产生的约束力较弱所导致的,且土体深度越浅,该约束力越弱,因此地连墙顶部产生的横向变形最大。

图5 不同开挖深度下地连墙横向变形曲线

3.3 地连墙钢筋内力分析

图6为不同深度处地连墙横向钢筋计内力随着施工历时的变化曲线。可以看出,不同深度处地连墙横向钢筋计应力值基本保持正值,表明地连墙始终朝向基坑圆心方向受拉,这与3.2一节地连墙保持向心内凹的状态相符。图6中虚线上方数值表示开挖深度,由图6可知,在基坑还未开挖至20m深度前,3处测点横向钢筋计应力均保持持续增长的趋势,且距离开挖面越近的测点钢筋计应力增长速率越快。当开挖面到达测点附近后,横向钢筋计应力开始下降,这可能是由于内衬结构承担部分荷载所导致的。随着开挖过程的持续进展,深度25m处测点的横向钢筋计应力值开始急速增长;开挖至35m时,升至其应力峰值11.68MPa;开挖35～40m的过程中,又迅速下降至2.12MPa。观察较深土层的测点,在基坑开挖后期,其横向钢筋计的应力值虽有增长,但增长速率较小。这可能是由于上部钢筋横向应力减小,导致下部钢筋横向应力上升,其间发生了内力迁移。

图6 地连墙不同深度横向钢筋计应力变化曲线

图7为不同深度处地连墙纵向钢筋计内力随着施工历时的变化曲线。可以看出,不同深度处地连墙纵向钢筋计的应力值基本呈现先增大后减小的趋势。这是因为随着基坑内部土方的挖除,坑周土体的压力逐渐转移到地连墙及其内部钢筋上,导致地连墙纵向钢筋计的应力不断上升,当内衬结构施工完成后,由于其可承担部分荷载,于是地连墙纵向钢筋计的应力开始下降。在基坑施工前期,由图7可以观察到,不同深度处地连墙纵向钢筋计的应力值均为正值,表明地连墙在此阶段朝向基坑圆心方向受拉,这与3.2一节地连墙保持向心内凹的状态相符。到施工后期,25m深度处测点的地连墙纵向钢筋计应力值开始变为负值,并不断下降,表明施工后期浅层区域地连墙由朝向基坑圆心方向受拉状态,转变为远离基坑圆心方向受压,这与3.2一节浅层地连墙由向心内凹变为离心外凸的过程相符。这可能是由于基坑周边土体对地连墙产生的约束力较弱所导致的,且土体越浅,该约束力越弱,因此地连墙顶部所产生的应力最大。在实际基坑工程中,应重点关注地连墙浅层尤其是顶部区域的加固。

图7 地连墙不同深度纵向钢筋计应力变化曲线

4 结 论

本文基于某引水工程基坑的实际监测数据,对基坑施工过程中产生的变形和内力变化规律进行了分析,结论如下:

1)坑周地表纵向变形随着施工过程的进展,整体呈现先凸起后沉降的现象。距离施工中心地带越远,纵向变形的影响程度越小。

2)开挖至20m深度前,地连墙整体产生向基坑内移动的变形。开挖深度大于20m后,地连墙浅层区域横向变形数值变为负值,且快速减小,地连墙浅层区域产生向基坑外移动的变形。

3)不同深度处地连墙钢筋的纵向应力值,基本呈现先增大后减小的趋势。在基坑施工前期,不同深度处地连墙纵向钢筋计的应力值均为正值,地连墙朝向基坑圆心方向受拉;施工后期,浅层区域地连墙钢筋的纵向应力值开始变为负值,并不断下降,地连墙浅层区域由朝向基坑圆心方向受拉的状态,转变为远离基坑圆心方向受压。

4)地连墙顶部所产生的变形与内力最大,应重点关注地连墙浅层尤其是顶部区域的加固。