软土基坑变形的施工影响因素分析及控制措施

2023-02-03

基坑开挖不仅要保证基坑本身的安全与稳定, 而且要有效控制基坑系统的变形以保护周围环境。基坑系统变形主要包括支护结构水平位移, 周边地表沉降, 坑内土体隆起。影响基坑变形的因素有很多, 大体上可以分为三类:设计因素、施工因素和自然土质情况。基坑开挖施工必然会引起基坑的稳定问题、支护结构和周围地表的变形以及对周围环境的影响。因此在建筑物密集的市区施工, 对基坑稳定、变形和环境的影响限制提出了更严格的要求。根据对基坑变形影响因素的研究, 可以从施工入手找到控制基坑变形的一些方法, 防止发生过大基坑变形及地表沉降。本文结合工程实例就基坑变形的施工影响因素进行分析, 并就此提出相应的控制措施。

1 工程概况

某基坑工程设计总建筑面积为2万m2, 其中地下部分分三层, 基坑呈不规则多边形, 开挖面积约9000m2, 平均开挖深度13.40m。基坑施工本着先撑后挖的原则, 分四层进行挖土。开挖前采用井点降水。基坑围护结构采用地下连续墙及三层钢筋混凝土平面框架支撑体系。地下连续墙厚0.8m, 深26m, 按6m标准分幅。三道钢筋混凝土支撑断面分别为800×800mm、1200×1000mm、1200×1000mm。三道支撑的中心标高为第一道-2.8 m, 第二道-7.15 m, 第三道-11.3 m。为保证基坑稳定和控制基坑变形及对邻近公共设施的影响, 连续墙内侧被动区土体采用水泥搅拌加固。主要地层情况为:黄褐色粉质粘土3m, 容重18.7kN/m3, 内摩擦角12.50, 灰色淤泥质粉质粘土17m, 容重17.5kN/m3, 内摩擦角100以下为灰色粘土, 容重18.6kN/m3, 内摩擦角15.50。常年地下水位为地面以下1.4m~2.7m属潜水类型, 主要补给来源系地表径流。

2 基坑变形的施工影响因素分析

基坑施工引起的变形事故原因主要包括:施工质量差、管理混乱、相互协调关系处理不当、随意修改设计、不重视信息化施工、不严格遵守施工规程、治理水的措施不力、延误抢险战机等, 其中施工质量和施工工艺是影响基坑变形的重要因素。本文主要研究基坑开挖工艺和支撑工艺对于支护结构变形的影响, 前者包括基坑开挖的深度和宽度、开挖速度以及开挖分级、分块等因素;后者主要包括开挖后的无支撑暴露时间以及开挖支撑的先后顺序等因素。

(1) 开挖深度的影响。基坑分步开挖的计算结果如图1所示。由图1可以看出, 随着开挖深度的增加, 支护墙的水平位移和正弯矩逐渐增加。其中支护墙的顶端位移在未加支撑时达到了最大位移, 当第一道支撑施加以后有所减小并保持稳定。另外, 在土体开挖到6m的时候支护墙出现了最大的负弯矩。这是因为第一道支撑刚刚加上, 在墙体的变形下轴力迅速增加, 形成了较大的负弯矩, 而随后当第二第三道支撑加上以后, 第一道支撑轴力有所减小, 因而负弯矩也随之减小。

(2) 开挖宽度的影响。为分析基坑宽度对墙体位移的影响, 将基坑开挖宽度分别取为原值的0.5、1.0、2.0倍进行计算, 其它参数保持不变。第四工况结束时计算结果见图2。由图2可见, 基坑开挖宽度增大时, 墙体水平位移也增大, 反之则减小。同时墙体的弯矩也有比较明显的增大。因而在实际工程中, 为了保证墙体的安全, 不应使基坑开挖宽度过大。

(3) 支撑安装时间和基坑暴露时间的影响。软土基坑施工中, 周围土体均达到一定应力水平, 且有部分区域成为塑性区。软土一般有明显的流变特征, 开挖卸载后还存在固结现象。软土的固结和流变使土体在相对稳定的状态下随暴露时间延长而变形, 因此有内撑基坑每级开挖后安装支撑前的无支撑暴露时间长短和基坑坑底在浇筑地下室底板前的暴露时间都将使基坑围护墙侧向变形和墙后地表沉降变大。上述工程在基坑开挖至-6m时 (第二工况结束) , 将第二道支撑分为立即支撑、5天后支撑和20天后支撑三种情况进行计算, 结果如图3所示。由图3可见, 无支撑暴露时间越长, 支护墙的最大水平位移将越大, 而墙体的弯矩变化不大。

(4) 支撑与开挖顺序的影响。在基坑开挖中, 有“先撑后挖”和“先挖后撑”两种开挖方式。前者墙后上体在约束状态下卸载, 而后者是先卸载再加约束。本算例将每道支撑在开挖至2m以后再作用在墙上, 第五工况结束时, 支护墙的水平位移及弯矩曲线如图4所示。由图4可见, 采用“先挖后撑”方式进行开挖, 支护墙的最大水平位移明显增加。而墙体的正弯矩有所减小, 负弯矩明显增大。

(5) 基坑空间效应的影响。在基坑深度方向上, 围护结构的最大水平位移发生在基坑底面附近。而在沿基坑边的方向上角处围护结构的水平位移较小, 随后逐步增大, 至基坑中部达到最大值。但位移的变化率有明显的差异:在基坑边角附近约L/4处, 由于另一侧围护结构的约束作用, 水平位移增长较慢;在L/4~3L/4处, 约束作用减弱, 位移急剧增长;在3L/4~L处, 位移增加到一定值后逐渐趋于稳定。而主动土压力的分布与水平位移呈现出相反的规律:基坑边角附近的主动上压力最大, 然后逐步减小, 到基坑中部达到最小值。而被动土压力的规律则反之。随着基坑长宽比的增大, 围护结构长边的最大水平位移不断增大, 空间效应减弱。当长宽比超过一定值之后, 其最大水平位移己接近于按二维平面应变问题分析的结果。

(6) 其它方面的影响。 (1) 挖土机械停在基坑支护结构附近反铲挖土, 使支护结构所承受的荷载大大增加, 并且有较大的动荷载出现, 大大超出了设计计算的安全储备, 造成支护结构大变形。 (2) 基坑开挖过程中, 挖土机械随意碰撞支撑系统、锚杆系统及支护桩墙, 造成不应有的损失。 (3) 基坑开挖不符合规程, 挖土速度快, 且高差过大, 迅速改变了原来土体的平衡状态, 降低了土体的抗剪强度, 软土产生较大的水平位移, 造成基坑滑坡。 (4) 基坑施工期间, 在基坑边缘堆放大量的建筑材料, 以及从基坑中开挖出来的土石, 甚至在基坑边搭建临时建筑物, 这样对基坑支护结构产生很大的附加压力, 使支护结构大变形。 (5) 相邻基坑施工, 一方基坑开挖、另一方基坑打桩, 打桩产生的超静孔隙水压力, 造成严重的挤土作用, 使相邻基坑的支护桩和工程桩严重移位。 (6) 支撑设施的拆除前未采取换撑措施, 支撑拆除后引起挡土墙 (桩) 较大变形, 甚至失稳破坏。 (7) 基坑挖到设计标高后, 清底措施不力, 引发事故。

3 基坑变形的施工控制措施

(1) 合理确定开挖施工的顺序。严格按照规范原则进行开挖。在长条形的深基坑中, 必须按照一定长度分段开挖和浇筑结构, 在每一段中再分层, 每层分小段进行开挖和支撑, 随挖随撑, 施加支撑预应力, 每小段的支撑施工时间限制在一定范围之内。在不规则的大型地下室的基坑施工中, 采用分层盆式开挖法, 在每一层先挖中间部分并安装或浇筑此范围的支撑, 而后将各根支撑两端支撑挡墙的土堤, 分步、对称的挖除并即安装或浇筑其间, 顶住挡墙的部分支撑。

(2) 注意基坑工程的时空效应。重视时空效应规律不仅可以有效控制软土深基坑的变形, 而且如果能够严格施工工艺, 及时支撑以调动未开挖土体的部分承载力, 配以必要的地基加固, 还可以达到节省材料, 降低成本的目的。

(3) 保证相邻施工不互相干扰, 基坑周边无超载现象。采取有效的地下水处理措施, 做好排水, 防渗工作, 雨季施工要特别注意及时排水和排水的方式。

(4) 注重原型观测和信息化施工。由于目前支护设计的不成熟, 以及岩土地质的复杂性, 做好施工监测是十分重要且不可缺少的。在基坑工程开工后, 对土体和结构的位移、应力, 土中的孔隙水应力以及相邻建筑物、地下管线的位移都要进行跟踪监测, 及时发现问题。随着施工的进展, 根据定期监测得到的信息, 与原来的计算结果相比较, 并反演计算参数, 根据反演参数重新分析计算, 必要时适当修改设计或施工步骤, 再继续施工和监测, 如此反复趋于正确, 这就是信息化施工。这样也为今后改进设计和施工提供了依据。

4 结语

总之, 基坑开挖工程是一项系统工程, 每一起基坑事故都是由许多不利的因素共同引发的。基坑工程在开挖和维护过程中所涉及问题的复杂性和不确定性, 使深基坑工程成为一个高风险、高难度的岩土工程课题。但只要正确的认识基坑变形的原理和影响因素, 严格按照正确的理论进行设计和施工, 那么深基坑的安全性和经济性也是完全可以保证的。

摘要：影响基坑变形的因素有很多。本文结合工程实例就软土基坑变形的施工影响因素进行分析, 并就此提出相应的施工控制措施。

关键词：基坑变形,施工因素,影响分析,控制措施