软土地区圆环支撑体系基坑两次险情探析_倪政东.pdf

2023 年第 02 期总第 296 期福建建筑Fujian Architecture ConstructionNo 022023Vol296软土地区圆环支撑体系基坑两次险情探析倪政东(福建省建筑轻纺设计院有限公司福建福州350100)摘要:以某软土地区圆环支撑体系基坑开挖过程中出现的两次险情及其处理为研究背景。分析诱发险情的主要原因，应对险情的处理方案。利用有限元数值模拟技术，对险情处理方案进行分析，进一步验证险情处理方案的安全性。对软土基坑的两次险情处理经验进行总结，可为类似的工程设计以及险情预防与处理提供工程实例经验。关键词:软土基坑;圆环支撑体系;工程险情实例;有限元数值模拟中图分类号:TU4文献标识码:A文章编号:1004 6135(2023)02 0072 06Analysis on two dangerous situations of a ring support system foundation pit in soft soil areaNI Zhengdong(Fuijan Architecture Light textile Design Institute Co.，Ltd，Fuzhou 350100)Abstract:The research background is two dangerous situations in the excavation process of ring support system in a soft soil area and theirtreatment Analyze the main causes of dangerous situations and the solutions to dangerous situations The finite element numerical simula-tion technique is used to analyze the dangerous situation treatment scheme and further verify the safety of the dangerous situation treatmentscheme Summarizing the experience of treating two dangerous situations in soft soil foundation pit can provide practical experience for simi-lar engineering design，prevention and treatment of dangerous situationsKeywords:The soft soil foundation pit;ing support system;Examples of engineering danger;Finite element numerical simulation作者简介:倪政东(1984 01)，男，高级工程师。E-mail:114585116 qq com收稿日期:2022 08 290引言软土地区基坑支护一直是岩土工程界的难点之一。随着经济的发展，基坑开挖越来越深，工期要求也日趋缩短，给软土基坑支护设计带来了前所未有的挑战1。软土基坑对外部条件变化较为敏感，周边荷载、水文条件、开挖顺序等外部条件变化如未及时反馈即进行动态设计调整，极有可能造成险情2。而出现险情后，如何处理，又是岩土工程师的一个工作重点。是现场根据工程经验立刻处理，还是理论计算后再采取措施，仁者见仁、智者见智3 5。龚晓南院士在一次讲座提及:处理险情不能太主观，也不能全然客观。即处理现场的险情不能只凭个人主观经验，也不可全按计算结果，应是两者相结合的一个过程。本基坑工程在施工过程中发生过两次险情，在各方努力下，险情均被控制住，地下室完成施工，基坑顺利回填，并未发生任何安全事故。但在险情处理过程中的经验教训，仍然值得汲取与深思。1工程概况工程场地位于福州市仓山区城门镇，拟建建筑物包括一幢高 36 m 的八层办公楼，以及下设的两层连体满铺外挑地下室，采用桩基础。工程总建筑面积约46 337.26 m2，其中地下室面积约 15 589.25 m2，建筑占地面积约 4661.2 m2，建筑平面如图 1 所示。图 1建筑总平面与周边环境图2023 年 02 期 总第 296 期倪政东软土地区圆环支撑体系基坑两次险情探析73本工程标高 0.00 m，相当于罗零标高 9.60 m;地下室埋深约10.00 m，底板垫层底标高为 10.10 m;最终基坑开挖深度约为 7.0 m 9.2 m，周长约 405 m，面积约10 610 m2。基坑工程安全等级为一级。1.1工程及水文地质情况场地范围内，原始地貌属山前平原地貌单元。除表层土为人工填土外，其他岩土层主要为冲洪积、淤积及花岗岩风化岩层，基底母岩为燕山晚期的花岗岩。工程场地内典型的地质剖面如图 2 所示;与基坑工程后续计算有关岩土层物理力学参数值，如表 1所示。场地内地下水，主要有松散层孔隙潜水以及基岩风化带孔隙裂隙承压水。其中，影响到基坑开挖的地下水为松散层孔隙潜水，水位埋深为 0.30 m 4.13 m，主要赋存于杂填土层中。图2典型地质剖面图表 1岩土层物理力学参数表岩土层名称天然重度(kN/m3)压缩模量 Es(MPa)抗剪强度(快剪)c(kPa)()土体与锚固体极限粘结强度标准值 frbk(kPa)地基承载力特征值fak(kPa)杂填土17.5(2.50*)6.0010.001580粉质粘土18.14.4319.0811.2830140淤泥16.02.119.363.551040粉质粘土18.45.6828.0515.4535180淤泥15.62.0510.235.011040粉质粘土18.66.2024.8414.5340180全风化花岗岩20.0*(15.00*)25.00*28.00*80280强风化花岗岩20.5*(25.00*)30.00*32.00*150380强风化花岗岩21.5*(40.00*)40.00*35.00*260600中风化花岗岩24.0*(50.00*)50020001.2场地周边环境基坑北侧为已建市政公园，紧邻用地红线，再往北为已建市政路，距地下室边界最小净距约 45 m;南侧为在建市政道路，其边缘距地下室边界最小净距约12 m;西侧为已建市政道路，道路边缘距地下室边界最小净距约 9 m，再往西为燕浦河，距地下室边界最小净距约 40 m;基坑东侧为空地;周边环境具体位置如图 1 所示。该项目周边环境复杂，市政路下方埋设管线较多，且周边市政道路均为新近修建或正在修建，填方土层欠固结。2基坑支护方案该基坑工程属于一级基坑。根据场地土层分布情况，基坑开挖后，构成坑壁的岩土层为杂填土、粉质粘土、淤泥层，基底落在杂填土或淤泥上。根据场地周边环境、工程地质及水文地质、开挖深度等条件，经过综合比选，发现采用如下支护方案更为合理。支护方案:SMW 工法桩+一道圆环混凝土支撑+坑内加固。基坑支护结构典型剖面如图 3 所示。图 3典型支护结构剖面图74福建建筑2023 年上述支护方案可以在保证基坑安全性的前提下，达到缩短工期以及方便土方开挖等效果6 8。本工程支撑体系圆环直径为 80 m，采用放射状传力体系。基坑支撑体系布置如图 4 所示。图 4圆环支撑体系布置图3有限元软件计算3.1有限元模型的建立为了更好的保证工程施工的安全性，利用有限元分析软件 Midas/GTS 对该基坑工程开挖进行了动态数值模拟。该基坑长约110 m，宽约90 m，深约9.2 m;根据基坑开挖的影响范围，建立 X 方向长 330 m，Y 方向宽 330 m，Z 方向深 64m 的数值模型。土体采用六面体实体单元模拟。锚杆采用植入式桁架单元模拟，支护桩采用板单元模拟，内支撑采用梁单元模拟;模型共 8963 个单元，39 298 个节点，模型及其网格划分如图 5 所示。模型 4 个侧面和底面均约束法向的位移，顶面不施加约束9。土体采用修正摩尔 库伦模型进行计算，支护结构使用线弹性本构模型计算。支护结构详细模型图如图 6 所示。图 5有限元模型及其网格划分图图 6支护结构模型图3.2有限元计算结果按照设计工序进行基坑开挖。当开挖至基坑底时，土体沉降如图 7 所示;支护桩桩体位移如图 8所示。图 7土体沉降云图(a)X 方向(b)Y 方向图 8桩体位移云图根据数值模拟结果，可知土体最大沉降量为18.1mm，位于基坑南侧坑壁接近中点处，并未达到累计沉降报警值(30 mm);支护桩桩体位移均在基坑深度一半处左右达到最大，最大位移为 36.8 mm，并未达到累计土体深层位移报警值(40 mm)。可见，如果按照设计的工序进行开挖基坑，是安全可靠的。4第一次险情4.1第一次险情概况2020 年 11 月 30 日，根据现场监测数据，基坑北2023 年 02 期 总第 296 期倪政东软土地区圆环支撑体系基坑两次险情探析75侧 C2#测斜管测得的土体深层位移，较前一天增加了约 20 mm，远大于预警值 3 mm/d;总位移量达到了约26 mm，且位于坑底附近;位移增速远超规范规定的预警值。此时，C2#测斜曲线图如图 9 所示。图 9C2#测斜曲线图施工现场存在以下情况:土方并未严格按照设计要求进行分层开挖;土方开挖过快。根据现场施工记录，基坑东北侧土方(图 10 所示的阴影部分土方)仅用时两天便开挖至坑底;为赶工期，在基坑内加固区搅拌桩未达到设计强度的情况下，进行土方开挖。图 10发生第一次险情时开挖示意图4.2第一次险情分析及处理结合监测数据与现场情况，初步判断引发险情的主要原因有:(1)土方未按照设计严格进行分层开挖，且开挖过快，导致淤泥层应力释放过快;(2)基坑内加固区的搅拌桩未达到设计强度，导致被动区的作用无法完全发挥。对诱发险情的原因进行分析后，根据现场实际情况，采取以下措施:立即停止土方开挖作业;基坑北侧中部进行反压回填;对基坑东北角已经开挖至坑底的部分迅速进行封底;增加基坑监测的频率，一天两测。在处理险情的同时，在第3 节所述有限元模型基础上，按基坑内无加固搅拌桩的工况对模型进行修改，并进行模拟计算，计算得到的土体位移图如图11 所示。(a)X 方向(b)Y 方向图 11第一次险情工序土体位移云图根据数值计算结果可知:进行到该工序时，C2#测斜管处的最大位移量为28.1 mm，与监测数据(约26 mm)基本吻合;按照险情处理后的实际土方开挖计划进行数值模拟，结果表明，该基坑工程能够安全完工。5第二次险情5.1第二次险情概况第二次险情发生于 2020 年 12 月 19 日。此时在基坑东南角有一道钢筋混凝土支撑梁出现明显裂缝(图 12)，且裂缝有进一步发展的趋势。裂缝位置如图 13 所示。图 12现场梁裂缝图76福建建筑2023 年图 13裂缝位置示意图根据现场监测数据，此时基坑南侧部分区域支护结构冠梁存在反向位移的情况，反向位移最大值出现在 C6#测斜管区域，达 15.2 mm。C6#测斜管测斜数据如图 14 所示。第二次险情发生时，现场的土方开挖情况为:西侧基坑未开挖;东侧基坑除了东南角，均已开挖至基底;具体情况如图 15 所示，其中阴影所示区域已开挖至基底。图 14C6#测斜曲线图 15发生第二次险情时开挖示意图5.2第二次险情分析及处理综合现场实际情况与监测数据，初步判断，引发本次险情的主要原因为:现场土方未严格按照设计要求的均匀对称进行开挖，造成支撑体系受力错综复杂，实际受力情况与理论计算结果相去甚远。为更好地对险情进行处理以及研究，本节按照第二次险情发生时现场实际开挖工序，对第 3 节所述有限元模型进行修改，即将图 15 所示的阴影部分直接开挖至基底;数值模拟的计算结果表明:按此计划进行土方开挖，基坑北侧位移将达到 43.2 mm，此位移量已经远远超出了规范的要求，北