砂與淤泥互層地基中基坑邊坡變形特征

薛 翔，衛 宏，蔡貝特

(1.海南大學土木建筑工程學院，海南 ?？?70228;2.海南有色工程勘察設計院，海南?？?70206)

圖1 基坑形狀及周邊環境圖

國內外已分別對砂性和淤泥質地基有了較多的研究，也均取得一定的成果［1－6］，但對砂與淤泥互層地基中基坑邊坡變形特征的研究還很少，相關變形理論仍然匱乏，也缺乏足夠可實際指導工程建設的工程數理知識.為了充實基坑邊坡變形理論，完善不同地基中基坑變形特征的數據，本文通過對海南島內多處工程實例的對比分析，選取了海南島內具有代表性的和典型性的砂與淤泥互層地基中的基坑變形進行實時監測分析，得出了砂與淤泥互層地基中基坑邊坡的變形特征，這可為今后的相關工程提供參考.

1 工程簡介

1.1 工程概況 美和小區位于?？谑忻捞m區和邦路與振興路交匯處北側，由兩棟28層塔樓和一層地下室組成，其基坑長約100 m，寬約65 m，最小開挖深度為6.1 m，基坑形狀及周邊環境如圖1所示.

1.2 場地巖土工程條件 基坑支護影響范圍在內地層有:

表1 巖土工程設計參數表

1.3 基坑支護方案 該工程場地采用排樁+鋼花管支護體系，排樁為鉆孔灌注樁，樁徑800 mm，樁間距1 000 mm，通常配筋，排樁頂部均設冠梁，冠梁截面1 000 mm×600 mm;采用18a槽鋼梁，各段采用打入式鋼化管，管外壁焊角鋼作為倒刺，打入土體并注漿.

坑內被動土加固:坑底下為厚層淤泥質土，為保證支護體穩定，在止水樁施工的同時，在支護樁內側打攪拌樁，其樁頂標高同坑底標高，加固寬度3 000 mm，加固深度6 000 mm，樁徑600 mm，樁間距600 mm.

電塔地基加固:對東側圍墻內電塔基座外地基采用高壓旋噴樁(單管)加固，樁徑600 mm，加固深度7 000 mm，基坑支護剖面圖見圖2.

圖2 基坑支護剖面圖

1.4 基坑施工方案 基坑開挖是在鉆孔灌注樁(排樁)和止水樁完成28 d(養護周期)后開始，準確放線，分段分層開挖，每段長度不大于20.0 m;每層開挖深度不大于2 m.坑內挖土先挖周邊，留中部半島，倒退挖.基坑施工工況見表2.

表2 基坑施工工況

2 監測數據分析

2.1 基坑監測方案 本工程基坑最小開挖深度為6.1 m，根據《建筑基坑工程監測技術規范》［7］(GB50497—2009)中對基坑安全等級的分類，本基坑的安全等級為二級.本工程基坑的監測項目有:圍護墻墻頂的水平位移和豎向位移監測、周邊建筑物豎向位移監測、地下水位監測和周邊地面沉降監測等.

2.2 監測技術指標 根據《建筑基坑工程監測技術規范》(GB50497—2009)，美和小區基坑變形監測指標及精度要求如表3所示.據《建筑基坑工程監測技術規范》(GB50497—2009)，美和小區基坑變形監測頻率如表4所示.

表3 美和小區基坑變形監測精度及報警值

表4 美和小區基坑變形監測頻率

2.3 監測結果分析 圖3為美和小區基坑圍護結構頂部水平位移變形圖，為了清晰地顯示出變性特征，在圖中將各監測點水平位移變形量都擴大100倍，由圖3可以看出:

(1)圍護結構頂部水平位移累計變化量最大值發生在長邊中部，變化量最大值為44.2 mm;最小值發生在圍護結構的陰角處，變化量最小值為9.9 mm.

(2)按照基坑監測經驗［8］，圍護結構陽角處的水平位移變化量最大;而本基坑圍護結構陽角處監測點P9的變化量為38.5 mm，小于基坑頂部累計變化量最大值(44.2 mm).分析其原因，這是因為P9監測點的兩邊均打入了錨桿，在該陽角處的土層中形成了錨桿網狀結構，增強了土體的穩定性，從而減小了該監測點水平位移變形量的緣故.

基坑圍護結構頂部各監測點水平位移累計變化量的數據見表5(本文僅選取具有代表性的P1、P3、P5、P8、P11、P14 進行分析).

圖4為美和小區基坑圍護結構頂部的水平位移在監測點的累計變化量——時間折線圖，圍護結構頂部絕大部分的水平位移發生在基坑開挖的過程中，基坑開挖到設計深度后，水平位移的變化明顯變小，底板澆筑后，水平位移基本趨于穩定.所以，選擇合理的支護設計和施工方案以及及時澆筑底板，可以有效地控制圍護結構的水平位移，從而做到安全可行、經濟合理、施工便捷.

2.4 周邊建筑與地表沉降 基坑周邊建筑與地表各監測點累計變化量的數據見表6.

表5 圍護結構頂部各監測點水平位移累計變化量的數據表

表6 基坑周邊各沉降監測點累計沉降量的數據表

圖4 圍護結構頂部水平位移在各監測點的累計變化量—時間折線圖

圖5為美和小區基坑周邊建筑物、電塔和地表沉降圖，地表沉降最大值為－10.1 mm，發生在距離基坑圍護結構5 m處，約為0.8 H(H為基坑開挖深度);距離基坑圍護結構15 m(約為2.5 H)處，地表沉降為－1.0 mm;距離基坑圍護結構18 m(約為3 H)處，地表沉降為－0.2 mm，這說明，基坑開挖對周邊地表的影響范圍在距離圍護結構3 H內.位于基坑北側的民房沉降變化規律與地表沉降相似，但沉降量明顯大于地表沉降.距離基坑圍護結構5 m處的電塔沉降量明顯小于地表沉降，這說明對電塔地基的加固是有效的.

圖5 美和小區基坑周邊的建筑物、電塔和地表沉降圖

對圖5中的周邊地面沉降監測值進行曲線擬合，得出理想曲線的數學表達式為:

式中x為坑外某點距圍護結構外側的距離，單位為m;y為坑外距離圍護結構外側x米處的地面沉降量，單位為mm.

2.5 地下水位變化 海南島位于東南亞季風氣候區內，多年平均降雨量達1 720 mm，但降雨量分布并不均勻，年降雨量的80%集中于臺風季節，夏季雨量集中，冬春少雨.全島季節可分為雨季(5～10月)和干季(11月～翌年4月).?？谑薪涤曛饕l生在雨季，降雨量約占全年降雨量的80%.所以，?？谑谢庸こ虘?～10月份開工，這樣基坑開挖到設計深度之后就進入干季，減少了降雨對基坑的危害，提高了工程的安全性和經濟性.

圖6為美和小區水位累計變化量—時間圖，從圖6中可以看出:2012年10月2日至2012年11月13日(基坑開挖階段)，地下水位下降，且上下波動較大;11月13日之后，地下水位下降變慢，最后達穩定狀態.3個監測孔水位累計變化量分別為:－589 mm，－426 mm，－568 mm.1號監測孔水位在11月20日突然上升，至11月28日后又下降至11月19日的水位位置.以上兩種現象的原因是:

(1)在水泥土攪拌樁止水帷幕施工過程中，由于施工工藝、操作、地質條件復雜等問題，止水帷幕總是會出現漏水等問題;錨桿的施工中普遍存在涌水和涌砂的現象，基坑外部分地下水從鉆孔涌入基坑中，所以，基坑開挖引起周邊地下水位下降.

(2)在2012年10月份，?？诙啻纬霈F大雨或暴雨天氣，導致地下水位波動較大;11月份以后，?？谶M入干季，地下水位平緩下降，一段時間后進入穩定狀態.

(3)11月19日，施工單位在1號水位孔附近5 m處鉆孔打水井，造成11月20日的水位上升，待水井完工以后，水位呈下降趨勢.

(4)2號水位監測孔位于基坑北側，由于基坑北側距離民房最近處只有5 m，為保護該民房，在基坑開挖初期基坑外北側沒有進行輕型井點降水，并且北側圍護結構的施工比其他位置更謹慎，所以2號監測孔的水位變化較1號和3號監測孔的水位變化小.

圖6 美和小區水位累計變化量—時間圖

為了模擬基坑開挖對周邊水位的影響曲線，在不考慮降雨對水位影響的情況下，采用雙曲函數對圖6中的數據進行了修正，得出理想的水位變化隨時間的關系曲線，如圖7所示，相應的計算表達式為:

水位孔 W1、W3:a= －0.0257，b= －0.0015;

水位孔 W2:a= －0.0390，b= －0.0020.

3 結論

1)基坑開挖階段，基坑圍護結構的水平位移變化較為明顯，水平位移最大變化量發生在基坑長邊的中心處和陽角處;地下室底板澆筑后，基坑圍護結構的水平位移變化已趨于穩定.

圖7 理想的水位變化曲線圖

2)砂與淤泥互層地基中基坑開挖對周邊環境的主要影響區域是在3倍基坑深度的范圍內，且周邊地面沉降變形最大位于0.7～0.9倍基坑深度處.經對工程數據的分析和總結，得出了周邊地面變形的擬合公式(1).

3)鑒于?？诘貐^氣候的特殊性，?？诘貐^的基坑工程選擇合理的施工時間可以有效地提高工程的安全性和經濟性，比如在干季進行基坑工程的施工，在雨季來臨之前完成基坑的回填工作等.

4)基坑開挖會引起周邊水位的下降，對周邊環境復雜的一側應特別注意其水位的變化量，以保證周邊環境的安全性.經對工程數據的分析和總結，得出了周邊水位的擬合公式(2).

5)對監測數據進行了處理和分析，了解了在砂與淤泥互層地基中于基坑施工時基坑的變形特征，找到了在此種環境下施工時其基坑變形的規律，擬合出了相應的變形經驗公式，這對今后類似的基坑工程設計和施工具有一定的指導性意義.

［1］施成華，彭立敏.基坑開挖及降水引起的周邊地面沉降預測［J］.土木工程學報，2006，39(5):117－121.

［2］劉興旺，施祖元，益德清.軟土地區基坑開挖變形形狀研究［J］.巖土工程學報，1999，21(4):456－460.

［3］黃鐘輝，楊磊.廣西大學地鐵車站深基坑變形監測數據分析［J］.工程地質學報，2013，21(3):459－463.

［4］陳祖煜.深基坑穩定分析中幾個問題的討論［J］.巖土工程學報，2010，32(增1):1－8.

［5］劉興旺，益德清，施祖元.基坑開挖地表沉陷理論分析［J］.土木工程學報，2000，33(4):51－55.

［6］尹盛斌，丁紅巖.軟土基坑開挖引起的坑外地表沉降預測數值分析［J］.巖土力學，2012，33(4):1210－1216.

［7］中華人民共和國住房和城鄉建設部與中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB50497－2009建筑基坑工程監測技術規范［S］.北京:中國計劃出版社，2009.

［8］龔曉南.基坑工程實例［M］.北京:中國建筑工業出版社，2010.