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软土地质深大基坑变形的监测规律研究

334 2020-06-30 13:17:21


摘要:以上海嘉兴路139地块工程为背景,对基坑开挖过程中围护墙体的水平位移、立柱隆沉和支撑轴力进行监测,并对数据进行了分析,研究了基坑开挖对周边环境的影响。结果表明,基坑开挖对周边的环境具有明显的时间效应和空间效应,围护墙体变形、土体沉降、支撑轴力均随开挖的进行出现一定的规律变化。总结的经验对保护周边环境、保障基坑施工的安全有一定的借鉴作用。

关键词:软土地质;基坑变形控制;监测;时空效应

随着城市的发展,在城市核心区的新建建筑中超高超深的结构越来越多,基坑的规模和开挖深度也不断增加,基坑常出现在环境敏感和复杂的区域,周边的地铁、轨道交通、地下管线等对其影响极其显著。

目前国内的学者对深基坑的监测做过很多分析研究,赵林杰等[1]以工程实例为背景,从测点布置、测点保护与补救、现场测试和数据修正与分析等4个方面对深基坑测斜工作全过程进行系统性的技术总结,蔡干序[2]针对基坑监测工程中的测距、起算点及位移方向等问题,对测斜技术进行了探讨,张尚根等[3]通过对20个软土深基坑监测数据的分析,研究了支护结构侧移、基坑地表沉降及两者的关系,徐中华等[4]对上海银行大厦深基坑工程施工阶段支撑轴力、地下连续墙水平位移、立柱桩的沉降等进行了监测,并对基坑的实测数据作了分析,验证了基坑的设计是成功的。

此外,国内很多机构和学者对基坑变形规律也进行了分析和研究。

本文以上海嘉兴路139地块工程为例,对基坑开挖过程中的环境进行监测,分析了围护墙水平位移、立柱隆沉和支撑轴力等规律,通过对基坑的监测数据进行跟踪和分析,保证了施工过程中基坑与周边环境的安全。

1、工程概况

嘉兴路街道139街坊商办综合开发项目位于上海市虹口区,场地北侧为岳州路,西侧为舟山路,东侧为安国路,南侧为周家嘴路。该地块在建商业、办公综合体,总建筑面积为89 351 m2,基坑开挖面积约10 691 m2,项目用地面积13 671 m2,基坑开挖深度约20.8 m。

本工程周边环境复杂,基坑北侧为紫虹嘉苑小区,距离基坑19.7~ 21.8 m;西侧为老式砖混住宅及老厂房,距基坑约19.8 m;东侧为虹叶茗苑小区,距基坑约32.69 m;南侧为周家嘴路900弄小区。北侧隔岳州路为运营中的轨道交通4号线区间隧道,在基坑50 m保护线以外;周边道路下埋设有大量的市政管线。

2、基坑变形类型及影响因素

本工程的基坑开挖坚持“分层、分区、尽早形成支撑或底板、留土护壁、盆式开挖”的挖土原则;基坑共分5层开挖,第1~4层皆挖至支撑底,第5层挖至基坑底;第1层土方采用大开挖方式,由场地中间向东西2个方向退挖;第2~4层土方采用盆式开挖(图1),即盆中土分2个阶段、3块挖土,盆边土分3个阶段、12块挖土;第5层土按基础底板抗震缝及后浇带分块开挖(图2)。

图1 第2~4层挖土分块示意

图2 第5层土开挖分块示意

本工程基坑内设置4道钢筋混凝土水平支撑系统,围檩及支撑栈桥混凝土强度等级为C30,第1~4道钢筋混凝土支撑中心标高分别为:-1.70、-7.20、-12.30、-17.20 m。基坑中设有φ700 mm(800 mm)钻孔灌注桩作为立柱桩,用以支撑混凝土支撑与栈桥。

2.1、围护结构变形

围护结构体侧向位移,是引起周围建筑物、道路、地下管线变形的一个主要原因。通过对围护结构侧向位移监测,可以掌握围护结构的整体稳定与安全。根据设计单位出具的监测点布置图,围护体顶部位移测点与围护深层水平位移测孔成对布设,布置测斜孔34个,编号CX1~CX34(图3)。

图3 围护结构水平位移监测点布置

由各施工阶段围护墙体水平位移(图4)可见,采用分块开挖的方式,当开挖到相应区块时,墙体的位移变化较敏感。由于第1层土开挖深度较浅,因而对围护墙水平位移总体影响较小,墙体水平位移的变化趋势随着开挖深度的增加而变大,且均向基坑内侧位移,当开挖至基坑底部时,围护墙的位移达到最大,开挖深度以下的水平位移随着深度的增加呈现减小的趋势。

图4 围护结构水平位移变形

CX7和CX11测点位于基坑南侧长边中间部位,空间效应明显,故水平位移最大,最大位移为83 mm,与开挖深度的相对值为0.4%。测点CX13位于基坑的西南角点,在同一层土中最后开挖,空间拱效应较明显,故该点的水平位移较小,其水平位移为53 mm,与开挖深度相对值比为0.25%。CX27测点位于基坑北侧的中部,受到开挖空间效应的影响也较大,其最大水平位移为66 mm,与开挖深度相对值比为0.317%。测点CX29和CX33均位于基坑的东北侧,且CX33点位于东北侧的短边上,受空间效应的影响较小,测点CX29的水平位移为72 mm,与开挖深度相对值比为0.35%,CX33的水平位移为69 mm,与开挖深度相对值比为0.33%。监测结果表明,围护结构的水平位移会受到基坑开挖时间和空间效应的影响。

对所有监测点而言,最大水平位移点的位置随着开挖深度的增加而逐渐下移,一般出现在开挖面以上0.6 m左右。各测点的位移增量主要发生在底板开挖阶段,原因是底板开挖的深度较深且工期较长,各种荷载也在增加,使得该施工阶段的位移增量较大。

2.2、坑底隆起变形监测

地基土大面积开挖后,由于地基土自重应力的卸除,使地基土回弹隆起,引起地基土结构产生破坏,以致对主体建筑物以及邻近建筑物造成一定影响。为保证基础设计的可靠和保护邻近建筑的安全,对基坑底面的回弹变形进行监测(图5)。

图5 立柱桩监测点布置示意

从基坑立柱位移曲线(图6、图7)中可以看出,最大的隆起点为LZ4点,位于基坑的中部,最大的位移为43 mm,位移最小的地方出现在LZ6、LZ7、LZ15和LZ20点。数据表明,随着开挖深度的增加,坑底的隆起变形不断地增大,且第1层土开挖时,由于土体的突然卸载,立柱的隆起变形较大,随着挖深的加大,曲线逐渐趋于平缓,在开挖的同一层土中,先期开挖部分的隆起也明显高于后开挖部分,LZ4点因位于中间部位,立柱临空面大,受到的约束较弱,因而隆起较大,LZ6、LZ7、LZ15和LZ20因位于角部,且开挖较晚,受到的空间效应影响较小,所以基坑隆起较小。

图6 基坑北侧立柱垂直位移

图7 基坑南侧立柱垂直位移

2.3、支撑轴力

为监控基坑开挖过程中支撑体系的受力状态,选取支撑监测断面主要分布于有可能出现应力集中的杆件,布置若干应力传感器,将压弯构件简化为轴心受压构件,根据平截面假定,测量计算支撑轴向受力(图8)。

图8 支撑轴力监测点布置示意

从支撑轴力的变化(图9~图12)可以看出,第1道支撑的轴力在第1层土开挖、第2道支撑的轴力在第2层土开挖、第3道支撑的轴力在第3层土开挖、第4道支撑的轴力在第4层土开挖时迅速增加,随着后续土层的开挖,其变化逐渐趋于平缓。各道支撑的最大轴力分别为4 900、8 800、10 500、11 000 kN,第1~4道支撑的报警值分别为5 000、10 000、12 000、12 000 kN,各道支撑的轴力均未超过报警值。随着基坑的开挖,由于支撑受到更大的形变压力,因而随着深度的增加,支撑的轴力也逐渐增大。

图9 第1道支撑轴力

图10 第2道支撑轴力

图11 第3道支撑轴力

图12 第4道支撑轴力

3、结语

通过分析背景项目的监测数据,得出了如下的结论:

1)基坑施工引起的围护结构及坑底的位移具有明显的空间效应:开挖面中部的位移较大,角部的位移较小。

2)基坑施工引起的围护结构位移、坑底的位移、支撑轴力具有明显的时间效应,同一层土先期开挖部分的变形和轴力较大,不同层土暴露时间越长,变形和轴力越大。

3)支撑轴力在支撑相对应的土层开挖时急剧增加,随着后续的开挖,轴力的变化趋缓,而由于支撑受到更大的形变压力,因而随着深度增加,支撑的轴力也逐渐增大。


参考文献

[1]赵林杰,赵明龙,江志安,等.深基坑监测中的测斜技术应用[J].铁道标准设计,2012,32(6):109-111,116.

[2]蔡干序.基坑监测工程测斜技术的探讨[J].建筑科学,2009,25(11):99-102.

[3]张尚根,袁正如.软土深基坑开挖地表沉降分析[J].地下空间与工程学报,2013,9(Z1):1753-1757.

[4]徐中华,王卫东,王建华.上海软土地区上海银行大厦深基坑工程的实测与分析[J].岩石力学与工程学报,2004,23(Z1):4639-4644.


作者:俞建强 张 旭 金在保

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