复杂软土深基坑围护结构水平位移的时空效应分析

1 引 言

在软土地区进行基坑开挖,变形问题受到了人们越来越多的重视。软土通常具有强度低、压缩性高、含水量大的特性,软土地基中基坑围护设计不当,易造成过大的围护体侧向位移、周围地表沉陷及坑底隆起,进而影响基坑的稳定及其邻近设施的安全和正常使用。

通过大量软土基坑实践人们已经认识到:在基坑施工过程中,每个开挖步骤的开挖空间几何尺寸、围护墙无支撑暴露面积和时间等施工参数对基坑变形具有明显的相关性。

深基坑本身是一个具有长、宽和深尺寸的三维空间结构,加之软土地区地基土的流变性,使得围护结构的内力与变形具有明显的时空效应,因而其围护系统的设计是一个复杂的三维空间受力问题。

国内外已有不少学者对基坑开挖的变形性状进行了研究[1,2],由于基坑开挖是一个复杂的系统工程,影响变形的因素有许多:土体的性质、基坑开挖的深度和宽度、围护结构及支撑的刚度、支撑预加轴力、入土深度、施工工况等。

2 工程概况

某市地铁二号线的海珠广场站基坑由三部分组成:车站主体部分为147m×21.1m和27.5m(盾构井)的矩形基坑,开挖深度分别为24.5m和26m(盾构井)。东南端水处理用房部分为26.5m×15.8m的矩形基坑,开挖深度为12.8m。车站西北端风道及小站厅部分为23m×17.5m的矩形基坑,开挖深度为16m,三部分连成一片,采用明挖法整体施工(见图1)。海珠广场站基坑采用地下连续墙加钢支撑的围护结构,连续墙是5m一个槽段,墙厚800mm,设五道Φ609的钢管钢撑。土层主要的分布情况如表1所示,基坑南端距珠江边平均约40m左右,地下水丰富,与珠江水位密切相关。

工程地质情况如下:

(1)基岩以上以冲积层为主,在淤泥层以下出现一个厚度较大的砂层,由上而下分别为粉细砂层和中粗砂层(见表1)。

(2)地下水丰富,在砂中的地下水与珠江河水连通,地下水位的变化与土体稳定密切相关。

(3)强风化岩普遍出现在地下13~15m深处,主要是泥岩及砂质泥岩,中风化和微风化出现在地下15~20和30m以下处。这种岩属软质岩,失水后易因龟裂而导致基强度变得很低。

3 施工的复杂性

从横向看,基坑土石方的分层开挖施工可分为六个步骤(如图2):第1步,挖至约6m深(这里指的是最深处,下同);第2步,架第1道支撑,然后挖至10.5m;第3步,架第2道支撑,挖至15m;第4步,架第3道支撑,挖至约21m;第5步,架第4道支撑,挖至25.5m;第6步,架第5道支撑,挖至最终开挖面。在实际施工中,开挖面与预定开挖面有出入,进入岩层以后,有普遍超挖现象。

从纵向看,基坑土石方的分层开挖施工可分为三期(如图3):开挖自南向北进行,第1期位于靠近珠江的一侧。如图3中所示坡度大约在1∶3左右。在每一期范围内,土体分层开挖,也是自南向北进行。

4 施工监测

施工监测是动态设计的一部分,是设计的完善和补充,通过监测收集各种数据,准确地掌握施工期间结构各部位的实际工作状况及邻近建筑物的安全情况,以便及时地反馈信息,采用相应的必要的工程措施,确保工程建设的安全可靠。同时,通过对监测数据的分析,可以检验设计理论和计算模式是否符合实际,从而不断完善设计理论和提高设计水平。

本基坑工程在开挖及支撑施工过程中,对以下内容进行了监测:支撑的轴力;地下连续墙的变形和地层位移(包括墙体变形及墙体沉降);地层基底反力和孔隙水压力。这里主要就地下连续墙墙体的变形的监测进行分析说明。

4.1 地下连续墙墙体变形监测

墙体变形监测采用精密光学测量滑动测斜仪进行监测,沿地下连续墙通长布置,其中在NB3、ZA10、YB10、ZA17、YB17、ZA24、YB24等墙段(见图1)都设有测斜管进行监测,在开挖过程中每天测试2次。测试过程中,测斜管固定在地下连续墙钢筋笼应有足够刚度的部位,防止起吊时钢筋笼变形导致测斜管破裂;测斜管应密封,防止水泥浆、泥浆、杂物进入,导致测斜仪难以进入;混凝土达到龄期后、土方开挖前及时读取实读数,测斜仪读数应在0和180°时各测读一次,以消除仪器误差。地下连续墙墙顶的位移观测点设于圈梁顶上。

4.2 实测位移分析

本文在基坑的标准段选取了位于同一侧的三个墙段YB10、YB17、YB24为研究对象,这三个墙段工程地质条件相差不大,只是进入强风化层的先后(在地表以下15m~17m处),即岩层的厚度有差异,但这对于上部分的围护结构位移影响不大。图4是该三个墙段的墙顶水平位移随着土体的开挖而变化的情况,其中纵坐标是墙顶的水平位移,而横坐标是表示从本墙段开挖时算起的累计时间。由于各个墙段开始开挖的时间不一,因此每个墙段墙顶的水平位移不是在同一个时间里发生的,而是在各自的时间段里变化的情况,以此来比较各个墙段水平位移的变化幅度。同时,图4还给出了YB24墙段在各个时刻的最大水平位移,在前55天最大水平位移发生在墙顶之后,最大水平位移点下移。

通过对实测位移的分析,可以得出以下规律:

(1) 刚开挖未加支撑时,墙顶水平位移—时间曲线的变化规律 从图4可以看出,刚开挖未加支撑时,墙顶的水平位移增加很快。以YB10墙段为例,从开始开挖到第10天,墙顶水平位移从0增加到20.85mm,平均每天增加2.085mm,并在第31天时达到30.2mm,超过警戒值,且导墙与连续墙之间有2cm的裂缝;而YB17墙段从开始开挖到第10天,墙顶水平位移从21.9mm增加到44.1mm,超过警戒值14.1mm,平均每天增加2.22mm;YB24墙段在5天内从36.1mm增加到43.8mm,平均每天增加1.54mm。由此可知,墙段从刚开挖到加第1道支撑时位移—时间曲线的斜率一般是最大的。这主要是因为基坑开挖是一个荷载释放的过程,特别是在刚开挖时,荷载释放的速率是最快的。

(2) 基坑开挖的时空效应,对墙段变形和土体蠕变变形的影响 由图4和图5可知,YB10墙段的水平位移明显小于YB17和YB24。YB10墙段与YB17墙段的开挖刚好相差一个月,YB17墙段在未开挖时,墙顶已有了21.9mm的初始水平位移。再比较YB24和YB17墙段,它们之间的开挖相差了3个月,YB24墙段刚开挖时,YB17墙段已挖至约13m处,需加第3道支撑,而与YB10墙段更是相差了4个月,此时YB10墙段已挖至约25m处,需加第5道支撑,YB24墙段的墙顶初始水平位移更是达到了29.19mm。

分析其原因,主要是由于时空效应所产生的:

①空间效应:从纵向开挖剖面图3可知,基坑开挖是由南向北进行的,YB10和ZB10墙段位于第1期开挖区内,而YB17和ZA17墙段正好位于第1期开挖边线上,与该边线大约相交在第1、6工况的时间-位移图于地面以下13m处,YB24墙段位于第2期开挖区内,YB17墙段正好位于基坑标准段的中间,由于基坑开挖的空间效应,该墙段的变形是最大的。

②时间效应:YB17墙段比YB10墙段开挖晚一个月,YB17墙段在土体未开挖时墙顶的水平位移就达到了21.9mm,而在后面的土体开挖中,由于为了保证南面盾构井早日开挖,第1期开挖区内土体开挖较快,同时第2期开挖区内的支撑未及时加上(主要为了出土方便),土体蠕变变形很大。

(3)在深大基坑的开挖过程中,开挖深度对墙段中间位置附近的水平位移的影响 从图4可知,墙段在加了第1道支撑以后,墙顶的水平位移的总趋势是随着时间(开挖深度)的增加而逐渐减小的。但在刚开挖到加第3道支撑之间大约挖深为12~15m左右,没有大的变化,比较平稳,这时墙段的最大水平位移点是在墙顶。但大约从第3道支撑以后,墙顶水平位移就逐渐下降,也就在这时,墙段的最大水平位移点开始由墙顶转到开挖面至墙顶的一半高度左右。YB24墙段从开始开挖到加第1道支撑时,墙顶的水平位移为34.31mm,与加第1道支撑时相差不大。而这时整个墙段的最大水平位移发生在地面以下6.5m处,其值为35.12mm,此后这个墙段的墙顶水平位移逐渐减小,整个墙段的最大水平位移的位置虽然在变动,但数量改变不大。由此可以推断,开挖的深度是造成这一现象的主要原因,因此在深大基坑的开挖过程中,不能光控制墙顶的位移,特别当开挖至15m以下时要注意和控制墙段中间位置附近的水平位移。

(4)支撑的及时架设,对墙顶的水平位移的影响从图4可知,支撑的及时架设对墙顶的水平位影响很大,支撑架设前后有一个峰值,架设支撑的当天或前1~2天的水平位移几乎就是这一段时间内的极值。以YB10墙段为例,在架设第1道支撑时,墙顶的水平位移为30.8mm,即图4中的A点;在架设第2道支撑的前2天,墙顶的水平位移为29.04mm,在图4中用B点表示;在架设第3道支撑的前3天,墙顶的水平位移为25.04mm,图4中用C点表示;在架设第4道支撑的当天,墙顶的水平位移为18.72mm,在图4中用D点表示;在架设第5道支撑的前2天,墙顶的水平位移为12.6mm,在图4中表示为E点。从图可以看出,A、B、C、D、E五点都是这些点附近的极值点,由此可以推断,架设支撑能很好地控制墙体的水平位移。