深厚砂层下深基坑施工的实测分析_李钊_刘庭金.pdf

深厚砂层下深基坑施工的实测分析*摘要:结合深基坑工程实测数据，详细介绍了深厚砂层地质条件下，深基坑施工给周边环境造成的影响，并分析了深基坑支护结构的受力与变形规律。分析认为，基坑开挖过程中，立柱沉降小，地下连续墙嵌入段水平位移较小。基坑支护结构体系最大内力在砂层底面处附近出现。强风化岩中含有裂隙水将会对基坑支撑受力产生影响，本文应用理正深基坑软件分析手段，分别对强风化岩进行水土分算与水土合算来分析其对支撑内力所产生的影响。水土合算分析结果与工程实测数据比较吻合，表明强风化岩层采取水土合算较为合理，从而为实际工程的设计施工提供一定的理论和计算依据。关键词:深厚砂层;实测分析;水土合算Measurement Analysis on Construction ofDeep Foundation Pit in Deep Thick Sand LayerLi Zhao1，Liu Tingjin1，2(1 School of Civil Engineering and Transportation，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China;2 State Key Laboratory of Subtropical Architecture Science，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China)Abstract:Combined with the measured data of deep foundation pit engineering，the authors introduce in detailsthe deep sand geological conditions，the impact of the deep foundation pit construction to the surroundingenvironment，and analyze the stress and deformation law of the deep foundation pit supporting structure According toanalysis，the post settlement and horizontal displacement of embedded part of underground continuous wall is small inthe process of foundation pit excavation The maximum internal force of foundation pit supporting structure systemappears near the bottom of sand layer It will have impact on the foundation pit support force when strong weatheringrock contains crevice water The authors applied the deep foundation pit software analysis method for the strongweathering rock to analyze the impact of the internal force on support by separate calculation and combined calculationof water and earth pressures The combined calculation of water and earth pressures analysis results and engineeringmeasured data are consistent，so for the strong weathering rock to take combined calculation of water and earthpressures is more reasonable This conclusion provides certain theoretical and computational basis for actualengineering design and constructionKeywords:deep thick sand layer;measurement analysis;combined calculation of water and earth pressures城地课外研学2 0 1 4 年3 月（中南大学城市地下空间工程1 0 0 2 班）陶俊亦1引言近年来，我国城市建设开发速度加快，特别是在环境复杂的老城区的开发力度不断加大。深基坑开挖不可避免的对周边环境产生影响1。当遇到深厚砂层地质条件下，基坑工程的设计施工面临诸多难题2。目前，研究主要涉及有深厚砂层下，深基坑工程对周边地下管线3，4、既有建筑物5，6 的影响以及基坑支护和止水帷幕7 9 等。本文根据广州侨务中心大厦项目深基坑工程的场地周边环境条件、工程地质条件及基坑支护结构设计特点，并结合监测数据，分析在深厚砂层地质条件下，基坑开挖对周边环境造成的影响，详细研究了基坑立柱的沉降变化规律、地下连续墙水平位移的变形规律，并采用基坑设计通用软件研究强风化岩采用水土分算与水土合算对支撑内力的影响，并与实测进行比较，提出一些有益的结论，以期为类似工程提供一定的借鉴意义。2工程概况广州侨务中心大厦位于广州市海珠广场东北侧。基坑距离回龙路路边线最近距离为 8 8 m，路基下埋设有煤气管、排水管、电力线缆和给水管;距离泰康路路边线最近约 11 6 m，路基下有煤气管、给水管和电力线缆;距离侨光路路边线最近约10 2 m，路基下埋设有排水管。基坑平面位置关系见图 1。图 1深基坑平面位置关系图Fig 1Plan of location relationshipof neighboring deep foundation pit广州侨务中心大厦项目基坑开挖面积约为2 493 m2，基坑周长约为 230 m，基坑开挖深度为21 75 m。基坑支护采用地下连续墙+内支撑结构支护体系，地下连续墙厚度为 1 0 m，第一至四道内支撑主撑截面尺寸分别为 0 8 m 0 8 m、1 0 m 1 0 m、1 0 m 1 0 m、0 8 m 0 8 m。基坑 地 下 连 续 墙 外 侧 采 用“四 搅 四 喷”550 400 400 搅拌桩作止水帷幕。基坑支护剖面见图 2。图 2深基坑剖面位置关系Fig 2Section of relationship of deep foundation pit3工程水文地质条件本工程场地位于广州市海珠广场东北测，属珠江三角洲冲积平原地貌单元。项目场地地形平坦开阔，原为二层商铺和六层住宅楼，现已拆除。根据地质钻探分析，场区内覆盖层自上而下依次为第四系人工填土层(Qml4)、冲积层(Qal4)和残积层(Qel)，下伏基岩为白垩系(K)红层岩系，各主要岩土层特征如表 1 所示。地下 水 为 第 四 系 孔 隙 水 和 基 岩 裂 隙 水，2 2 粉细砂、2 3 中砂为主要含水层，在场地呈层状连续分布，且具有一定厚度，第四系孔隙含水层涌水量较大。下伏基岩强风化或中风化泥质粉砂岩，在裂隙发育部位，有一定水量，但水量一般不大。地下水水位埋深为 1 50 3 70 m。城地课外研学2 0 1 4 年3 月表 1地层参数统计Table 1Statistic of strata parameters编号名称层厚(m)凝聚力c(kPa)内摩擦角()重度(kN/m3)1 人工填土2 50 5 50/17 52 1 淤泥、淤泥质土2 50 7 9011 05 816 52 2 粉细砂0 60 7 00/2418 52 3 中砂3 60 7 30/2719 03 粉质粘土1 20 5 3030 020 019 54 1 强风化岩0 70 18 8045 02519 74基坑环境影响分析广州侨务中心大厦项目基坑场地复杂。超深基坑开挖必然会引起基坑周边土体应力场发生变化，从而导致土体发生变形。由于地层沉降而造成对邻近道路、地下管线以及周边建筑物的破坏和影响，往往损失巨大。根据工程水文地质分析，在本项目场地内存在深厚淤泥土层和砂层，且砂层平均厚度达到7 m 左右，并且深厚砂层下为遇水易软化的强风化泥质粉砂岩。因此在基坑设计与施工过程中，要求基坑开挖过程中采取严密的止水措施。基坑三面环绕道路，路面车辆荷载出现的时间和大小的随机性给基坑安全带来影响。紧邻基坑东侧马路对面与南侧均有一栋高层大厦，造成基坑开挖后，基坑周边土压力分布不均，且基坑整体平面呈长弧形，基坑腹部与背部受力大，两头受力小，支护体系受力不均匀。因此加强基坑施工变形控制和尽量减小因基坑施工所造成的对周边环境的破坏十分重要。5基坑监测与分析基于基坑环境影响分析，做到信息化施工就显得尤为重要。实施基坑实时监测，能及时反馈基坑对周边环境的影响，也为基坑安全评价提供重要依据。基坑在土方开挖施工到地下室结构施工完成期间，重点加强了以下九个方面的监测:(1)基坑顶部水平位移;(2)周边建筑物沉降;(3)路面沉降;(4)地下管线沉降;(5)立柱沉降;(6)支护结构侧向位移(测斜);(7)支撑轴力;(8)地下水位;(9)建筑物倾斜。基坑监测平面布置见图 1。5 1基坑周边环境监测与分析基于现行基坑周边环境与不良地质的风险分析，在基坑土方开挖施工到地下室结构施工完成期间，开展基坑的变形监测工作。目前，基坑0 00 以下施工已经完成。根据监测数据结果整理如下:(1)基坑顶部水平位移监测:经监测数据统计显示:累计位移量最大的点是向基坑内位移了 11mm;累计位移量最小的点向基坑内位移了 4 mm。此时基坑处于开挖到底阶段，各测点的水平位移量均未超过设计要求的水平位移控制值。(2)基坑周边建筑物沉降监测:经监测数据统计显示:累计沉降量最大的点下沉了 7 64 mm;累计沉降量最小的点下沉了 1 98 mm。此时基坑处于回填阶段，各测点的沉降量均未超过设计要求的沉降控制值。(3)路面沉降监测:经监测数据统计显示:累计沉降量最大的点下沉了 6 54 mm;累计沉降量最小的点下沉了 4 54 mm。此时基坑处于回填阶段，各测点的沉降量小且较均匀。(4)地下管线沉降监测:经监测数据统计显示:累计沉降量最大的点下沉了 5 40 mm;累计沉降量最小的点下沉了 4 27 mm。此时基坑处于回填阶段，各测点的沉降量小且较均匀。(5)地下水位观测:最终变化最大的测孔上升了 1 355 m，变化最小的测孔下降了 0 140 m。此时基坑处于开挖到底阶段，各测孔变化量较小，基坑围护结构止水状况良好。(6)建筑物倾斜监测:最大倾斜测点倾斜率为0 016%，最小倾斜测点倾斜率为 0 011%。此时基坑处于开挖到底阶段，各测点的倾斜率均处于安全控制范围内。从以上监测数据可以看出，基坑开挖施工未对周边环境造成较大影响。5 2支护结构受力与变形的监测与分析鉴于基坑场地下方存在深厚砂层，并且基坑整城地课外研学2 0 1 4 年3 月体平面呈长弧形，基坑周边土压力分布不均，从而导致基坑支护体系受力不均匀。加强基坑支护体系的变形控制有利于实时掌握基坑的安全状态，对于预判和处置基坑安全起着重大指导作用。基坑于 2009 年 9 月开始实时监测，自 2010 年4 月开挖，中间历经广州亚运停工，于 2011 年 3 月基坑成功回填，整个过程基坑支护体系受力与变形无异常。监测数据结果如下:5 2 1基坑立柱沉降监测与分析经监测数据统计显示:累计变化量最大的点是LZ10 及 LZ11，上升了 4 9 mm;累计变化量最小的点是 LZ1 及 LZ5，上升了 3 7 mm。各测点的变化量小且较均匀。主要立柱最终沉降量见立柱沉降曲线图 3。图 3立柱沉降曲线图Fig 3Curve of post settlement随着基坑开挖深度的增加，上部土体卸载以及内支撑的施作，都将影响立柱的沉降，从立柱沉降变化曲线可以看出:(1)基坑施工过程中，立柱沉降总体表现为先下降后上升。立柱最大沉降量为 1 9 mm，基坑开挖到底;最大上升量为 4 9 mm，第一道支撑拆除。(2)LZ8、LZ11 最终上升量大于 LZ1、LZ5 的上升量，这主要与基坑场地地层差异性有关。LZ1、LZ5 下部岩层风化程度相对较弱，有利于减小立柱沉降量。(3)在基坑开挖过程中，立柱与坑底隆起变化量尽管数值有差异，但规律一致，根据工程经验10，本工程坑底隆起量不大，这对于基坑下部建(构)筑物的保护是有利的。5 2 2支撑轴力监测与分析支撑轴力在支撑施工布置初期变化较大，支撑施工完成后，基坑施工期间各测点应力在变化缓慢，轴力值趋于稳定，无突变异常现象。支撑最终的轴力监测结果见表 2。表 2支撑轴力统计Table 2Statistic of support axial forces道数测点轴力(kN)道数测点轴力(kN)一三15913172137111519231 915 33 725 44 556 74 436 14 635 64 412 03 842 55 208 45 155 35 916 25 368 75 021 7二四23 438 667 751 7107 946 2147 535 0187 731 8225 648 843 366 983 385 6121 699 8162 803 2184 158 3245 100 2基坑施工过程以及开挖顺序对基坑内支撑轴力影响较大，从最终的轴力值可以看出:(1)靠近基坑东南侧和西北侧的两头四道支撑轴力值均分别小于靠近基坑东北侧和西南侧的两边四道支撑轴力，表明靠近基坑东北侧和西南侧的两边所受土压力大于基坑东南侧和西北侧的两头。(2)靠近基坑东北侧和西南侧的两边四道支撑轴力分别相近，表明靠近基坑东北侧和西南侧的两边的土压力相近。(3)随着开挖深度的增加，在基坑底部以上，地下连续墙结构所受主动土压力也在增加。基坑中部第二、三道支撑轴力，均大于第一、四道支撑轴力，表明基坑中部地下连续墙结构所受主动土压力最大。在基坑底部以下，地下连续墙结构被嵌固在基坑底，靠近基坑内侧土体的被动土压力形成对靠近基坑底以下的地下连续墙本身结构变形的约束作用，并且随着深度的增加，当地下连续墙结构进入强风化泥质粉砂岩后，其所受土压力合力作用迅速减小。而由于地下连续墙结构本身具有较大抗弯刚度，所以在一定程度上减小了第四道支撑的轴力，使得第四道支撑的轴力小于第三道支撑的轴力。(4)基坑第三道支撑轴力大于第二道支撑轴力，表明在深厚淤泥土层和砂层，且砂层厚度平均达到7 m 左右的不良地质条件下，第三道支撑布置的位置，水土压力大，因此其所受最大轴力的也较大。城地课外研学2 0 1 4 年3 月(5)根据勘察结果显示，强风化泥质粉砂岩中含有裂隙水，而目前关于强风化岩采取水土分算与合算存在一些争议，此处结合实测数据进行分析。采用深基坑设计与计算通用软件理正深基坑6 01 版中单元计算模块，分别对 ZL13-16 位置剖面进行计算，分析强风化泥质粉砂岩在水土分算与水土合算中支撑反力，计算结果如图 5 所示。根据图 4 计算结果可以看出，同地层与支护条件下，强风化泥质粉砂岩水土分算与水土合算对结果支撑内力产生影响主要体现在第三、第四道支撑。图 4支撑反力比较Fig 4The comparison of support counter-forces与实测支撑轴力值对比，水土分算将导致第三、第四道支撑轴力明显增加，采用水土合算计算结果相对合理。5 2 3地下连续墙结构侧向位移监测地下连续墙结构侧向位移是衡量基坑变形大小的重要依据，也是直接反映基坑施工对周围环境影响的重要指标。经监测数据统计显示:各测斜孔的累计位移量较小，未超过设计要求的位移控制值。在基坑开挖到底后，各主要测斜孔的监测结果见支护结构侧向位移曲线图 5。基坑内土体开挖施工顺序以及支撑刚度对地下连续墙水平位移产生重要影响，故通过依据基坑全部开挖到底后，主要测斜孔的监测结果来重点分析基坑地下连续墙水平位移的变化规律。从地下连续墙水平位移曲线图可以看出:(1)基坑内土体开挖到底后，由于基坑内侧土体卸载，地下连续墙均发生一定程度的水平位移，图 5地下连续墙水平位移曲线Fig 5Curve of horizontal displacementof underground diaphragm wall其中最大水平位移为 11 9 mm，深度正好位于第三道支撑的位置。(2)CX3、CX4、CX5 号测斜孔的水平位移相近，且均大于 CX1 号测斜孔的水平位移，由图 1 可知，CX1 号测斜孔位于基坑西北侧，此处除支撑数量密度大以外，还增加了一道 300 mm 厚的支撑板。表明较大的支撑刚度有利于控制地下连续墙的水平位移。(3)基坑东北侧(CX3 号测斜孔)和西南侧的水平位移(CX5 号测斜孔)在深度约为 19 0 m(约为第四道支撑与基底中间处)时相等。当深度大于 19 0 m 时，东北侧地下连续墙的水平位移量大于西南侧地下连续墙的水平位移量;当深度小于19 0 m 时，恰好相反，表明平面为长弧形的基坑，围护结构所形成的拱效应有利于控制基坑外侧的水平位移。(4)基坑支护结构体系最大水平位移在第三道支撑处附近出现，而该深度处为砂层底面。这一规律可以为基坑设计人员在类似地质条件下的基坑设计提供有益参考。(5)在基坑底以下约大于 2 m 后，地下连续墙水平位移已小于 2 mm，而地下连续墙嵌入基坑底以下 6 m，有较大富余。城地课外研学2 0 1 4 年3 月6结论通过结合广州侨务中心大厦项目深基坑工程的场地周边环境条件、工程地质条件及基坑支护结构设计特点，结合现行设计方案下的监测数据，分析在深厚砂层条件下，基坑平面形状和支撑位置等因素对深基坑地下连续墙水平位移的变形规律的影响，得到了以下主要结论:(1)深基坑施工与周边环境密不可分。加强基坑支护体系的变形控制，做到信息化施工就显得尤为重要。实施基坑实时监测，及时反馈基坑安全状态，为基坑环境影响评价提供重要依据。(2)在深厚砂层地质条件下，基坑支护结构体系最大水平位移在第三道支撑处附近出现，而该深度处为砂层底面，这一规律可以为基坑设计人员在类似地质条件下的基坑设计提供有益参考。(3)强风化泥质粉砂岩中含有裂隙水，根据理正深基坑软件模拟计算，并结合实测数据分析认为，基坑设计时，强风化岩采取水土合算较为合理。(4)平面为长弧形的基坑，围护结构所形成的拱效应有利于控制基坑外侧的水平位移。(5)根据实测数据显示，基坑开挖过程中，基坑对周边环境影响小，立柱沉降小，地下连续墙嵌入段水平位移较小，基坑设计比较成功。参考文献(eferences)1 王强 敏感环境下深大基坑开挖实测分析及数值模拟 J 土木工程学报，2011，44(增):98-101 2 郑庆怀，闫长虹，何长鸣 粉细砂层在高层建筑基坑开挖中岩土工程问题探讨 J 高校地质学报，1998，4(1):109-114 3 张陈蓉，俞剑，黄茂松 基坑开挖对邻近地下管线影响的变形控制标准J 岩土力学，2012，33(7):2 027-2 034 4 张陈蓉，蔡建鹏，黄茂松 基坑开挖对邻近管线的影响分析 J 岩土工程学报，2010，32(增 2):154-157 5 覃卫民，逄铁铮，王浩，等 深基坑附近房屋出现裂缝的施工监测分析J 岩石力学与工程学报，2009，28(3):533-540 6 胡琦，蒋军，严细水 软土地基上建筑物沉降的三维数值模拟分析J 岩土力学，2005，26(12):2 015-2 018 7 朱爱国，石汉生 深厚粉细砂层中深基坑支护设计实例 J 岩石力学与工程学报，2005，24(增 2):5 438-5 442 8 王志义，贾力强，罗卫，等 厚砂层的基坑支护和止水帷幕 工 程J 岩 土 工 程 学 报，2010，32(增 1):489-492 9 张在喜 深厚粉细砂层中深基坑支护与止水设计与技术 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