浅论台州某工程基坑监测及安全性分析
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摘要:随着城市建设的快速发展，带动了各类用途的地下空间快速发展，其开发利用的规模、深度和广度也日益增强，同时基坑开挖又受到了周边环境条件的限制,比如邻近已有民房或其他重要建筑设施等。因此基坑开挖过程中的监测显的尤为重要。
关键词:基坑监测沉降 水平位移 稳定性
1工程概况
台州某综合楼高9层,地下室1层,埋深约5m。基坑平面尺寸,长×宽约为58m×50m,开挖深度为6.3～8.7m,在基坑开挖深度影响范围内土层主要为①填土、①-1淤泥质土和②粘土。基坑设计分为三区段(立面):一区深6.3m,长17.4m；二区深8.7m,长10m,此段下方是电梯井的基槽,基槽长×宽约为7.775m×10m；三区深6.3m,长33.025m。周边环境：在基坑东侧距坑边0.3m处有一堵墙，墙厚约450mm，墙高约2.5m，从基坑一区延伸至基坑三区中部；在基坑北侧有一住宅楼正在进行主体施工,该楼基础也是桩基；在基坑东侧5.5m外有一汽车销售店，其工程桩为人工挖孔桩。场地工程地质情况见表1。
表1工程地质情况
基坑支护设计，方案采用土钉喷射混凝土结构支护形式：
一区基坑设置5层土钉:Φ16与Φ20,L=9m，垂直间距0.90～1.10m，水平间距1.0m，土钉内力设计值:40～60kN；
二区基坑设置7层土钉:Φ16、Φ20、Φ28,L=9m,垂直间距0.90～1.10m,水平间距1.2m,土钉内力设计值:60～150kN；
三区基坑设置5层土钉:Φ16与Φ20,L=9m,垂直间距0.90～1.10m,水平间距1.2m,土钉内力设计值:40～100kN。
实际施工时,建设方考虑工程造价结合工程实际经验,最终基坑在6.3m深度内只打了4层土钉。
基坑监测,共布置C1、C2、C3、C4共4个观测点进行沉降观测和水平位移观测。同时在基坑东侧汽车销售点的墙体上布置C5、C6、C7、C8共4个观测点进行沉降观测,监测总分布见图1。
基坑开挖深度近2m时,第一层土钉施工完毕,开始实施监测工作2008年3月16日,3月23日晚,因开挖速度过快导致边坡土体变形过大,使靠近C6测点处埋于地面以下约1m的自来水管被拉裂,大量的水灌入基坑周边土体。3月24日在C2点至C3点处的边坡出现“鼓肚子”现象,且在C3点附近基坑发生局部坍塌。在沉降观测点C5附近,室外墙脚处的混凝土地面发生了沉降,总沉降量约4mm；在C6、C7点附近,室外墙脚处的混凝土地面发生往外偏移3～10mm。
2基坑监测分析
基坑监测结果见下图2、3及图4。由图中可以看出:
①在整个水平位移监测过程中,有三次变形突变阶段。第一次在3月23日晚水管断裂之后,水平位移监测比较数据见表2。其中C4点本次位移及累计位移值均为最小值,本次位移占累计位移值的89%,同时观察其累计绝对位移值Σ|Si|和Si/Σ|Si|,C4点的Si/ΣSi与Si/Σ|Si|的值大小恰好相反的。由于基坑北端正在进行住宅楼的主体施工,前期施工对该处土体有扰动,同时该区域地下水含量丰富,造成了在基坑开挖过程中土体向基坑内外的反复运动,致使C4点处出现了累计绝对位移Σ|Si|很大而累计位移值ΣSi较小的情况。C2点与C3点都位于基坑中部,条件较为接近,从数据上其Si/ΣSi、Σ|Si|、Si/Σ|Si|也较为接近。C1点条件相较C2、C3点有利,其各项数据也相较C2、C3要小。水管修补好后,3月25日监测数据显示,位移量最大的C2点为3.3mm,与前日相比显著减小,表明了地下水对基坑的稳定起有重要作用。
②基坑开挖后期,基坑位移变形量显著加大,在图2曲线上反映为在4月5日至4月10日的下降段。随后基坑内回填部分土体,对基坑起到了反压的作用,使基坑壁的土体整体外移,基坑顶部随着整体外移,同时基坑滑裂面的可能向下滑动会使基坑顶部往外倾斜,从而形成了位移―时间曲线上的4月5日至4月15日的波谷图形,此为第二次突变阶段。4月26日,受特大暴雨影响,土体向基坑内位移,出现了第三次突变阶段。
③观察3月24日发生局部坍塌后沉降监测数据及比较见表3。C1、C2、C3、C4的沉降量分别为占各点累计沉降的1/4、1/2、1/2、1/2左右,表明基坑受地下水大量灌入的影响,在发生显著位移的同时也在迅速下沉,说明地下水是基坑破坏的一个重要因素。对于基坑周围的建筑物,受地下水影响也发生了大量沉降,占其累计沉降值1/3左右。
表23月24日水平位移监测数据分析
表33月24日沉降监测数据分析
④采取措施止水后,3月25日监测数据显示,沉降量最大的C3点为3.0mm,与前日相比显著减小,基坑边建筑物的最大沉降量为0.9mm,得到了有效控制,表明止水对基坑的稳定起有重要作用。在后续的基坑开挖过程中,基坑及周边建筑的沉降变化都比较平缓,整体为一个渐趋稳定的过程。在4月29日测得基坑边建筑的沉降远远小于基坑顶部的沉降,建筑物的沉降速率最大值为0.03mm/d,小于规范要求的0.04mm/d,此时基坑已经开挖完毕一段时间,认为建筑物沉降已经稳定。
3.1监测工作布置的影响
从监测方面来说,诸多因素会影响到监测结果的准确性,例如仪器、观测者、基准点的布置、观测路线等,本文仅考虑了观测点的布设。在本工程水平位移监测中,监测点都埋设于基坑顶部,监测数据直接反映的是基坑顶部的水平位移变化。基坑监测过程中会出现下述两种情况:①当基坑壁整体往外或是整体往内位移时,基坑顶部与基坑底部的位移方向一致,监测数据能反映实际变化情况;②当基坑壁土体沿着滑裂面向下滑动时,基坑顶部呈一个后仰的趋势,基坑顶部的位移方向与基坑底部的位移方向相反,监测数据不能反映基坑的实际变化情况。因此建议除在基坑顶部布置监测点外,尚应随基坑开挖逐步向下布置监测点来监测基坑中部和底部的位移或布置少量测斜孔,对数据进行对比分析,正确判断基坑实际位移变形情况。
3.2工程水环境的变化的影响
基坑外界注入大量水对基坑边坡土体的影响是巨大的,粘土饱和度增加,致使土体粘聚力c值和内摩擦角φ都有很大程度的降低,抗剪能力变弱。使原本因开挖速度过快而处于不稳定状态之下土体的自立能力又一次大大降低,同时土中水没有得到很好的排泄,造成了土体中静水压力增大,使土中主动土压力增大。土体抗剪能力变弱使得基坑滑裂面的抗滑力矩减小,使基坑滑裂面的安全系数大大减小。土体强度的降低也使得土钉锚固体与土体之间的摩擦力减小,土钉的作用得不到完全发挥。因此大量的水灌入是基坑发生局部破坏的主因。
3.3基坑支护设计的影响
据岩土勘察报告提供的参数对基坑支护进行了验算,选用参数如表4。采用有效应力法、考虑地下水的计算,采用瑞典条分法。基坑外地下水深度考虑为7.0m。基坑边上的围墙为超载,现分别按考虑超载和不考虑超载来进行计算并比较,计算结果如表5。
表4土钉支护设计参数
备注：在基坑边缺失土层及层位很薄的土层物理力学参数均没有给出,计算时忽略。
表5验算结果
在考虑超载的情况下,三区的基坑局部抗拉验算无法通过,各工况下的内部稳定安全系数比无超载下的安全系数约小17%。表明超载的存在十分不利于基坑的内部稳定,在基坑施工前应该首先拆除位于基坑顶部的围墙。从外部稳定分析看,超载在一定程度上增大了抗滑和抗倾覆的安全系数,但十分有限,可以忽略不计。
杂填土厚5.5m,其粘聚力和内摩擦角的正确选取对于土钉的设计十分重要。以考虑超载的二区基坑为例进行验算,粘聚力c=10kPa时其内部稳定平均安全系数为1.39,较c=5kPa增大了23%,所以杂填土物理参数的正确选取关系到整个基坑的安全稳定,在设计之前应进行土钉的基本试验,确定各土层的物理参数。因未事前进行土钉基本试验,不利于正确选取物理参数,增加了基坑的设计风险。实际施工时,在基坑开挖5.3m深度范围内只打了4层土钉,基坑顶部的围墙没有拆除,都是基坑引起失稳的主要因素。因用于计算的参数如抗剪强度、地下水分布、构成破坏面的不连续面的产状要素、重度等具有很大的变化性和不确定性;而安全系数计算所使用的参数值不可能代表该参数的真值。客观地质体的任何性质都不存在唯一的确定值,都有一定的随机性,数据的离散性会对计算结果产生很大影响。
4结束语
因填土松散、强度低、自稳性差,因此对于深挖填土基坑,在设计、监测及施工中应重视以下几个方面:
①合理选取填土层物理力学参数决定了基坑支护设计的成功与否。应进行土钉基本试验,以便合理调整填土层物理力学参数。
②基坑边例如围墙等超载,对基坑安全影响大,应拆除卸载。
③因杂填土,其自立性差,开挖速度不宜过快,防止土体长期处于不稳定状态之下。施工速度过快,土钉打入时间较短,对土体的锚固作用有限,钻孔施工扰动了土体的结构,影响土的应力状态。
④基坑环境水涌入填土边坡,使土体抗剪能力降低、土中静水压力上升,造成土中主动土压力增大,土钉与周围土体的摩擦力减小,客观上加速了基坑坍塌。
⑤基坑水平位移监测,除了在基坑顶部布置监测点外,尚应随基坑开挖监测点向下逐渐推移,有得于边坡安全性。
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