張小輝 王勇華 楊麗娜 卜崇鵬 王明皎

（機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西西安 710043）

0 引言

黃土地區(qū)工程實(shí)踐常遇飽和軟黃土地層，在該類地層進(jìn)行深基坑開挖施工需要采取降水措施。目前，基坑降水措施分為兩類。一是封閉式降水，即采用“截水帷幕+坑內(nèi)疏干井”降水方案，該類方案對(duì)周圍環(huán)境影響較小，但截水帷幕工程造價(jià)較高，施工周期較長(zhǎng)，而且坑內(nèi)、外形成的附加水土壓力差增加了支護(hù)體系的側(cè)向受力。二是敞開式降水，即管井群降水，優(yōu)點(diǎn)是工程造價(jià)較小，施工短，坑內(nèi)、外水位同時(shí)下降，附加的水土壓力差小，有利于基坑穩(wěn)定，節(jié)省支護(hù)工程費(fèi)用。然而，在富含飽和軟黃土地層進(jìn)行敞開式降水時(shí)，地下水位大面積降低必然會(huì)引起含水層失水固結(jié)而產(chǎn)生附加沉降[1-4]，對(duì)于變形控制要求嚴(yán)格的城市地下結(jié)構(gòu)，開挖支護(hù)施工時(shí)常引發(fā)一系列工程災(zāi)害事故，如鄰近建筑物出現(xiàn)不均勻沉降及變形拉裂、地表凹陷、鄰近管線破壞等。

飽和軟黃土是一種浸水后黃土結(jié)構(gòu)并未徹底破壞的欠壓密狀態(tài)的飽和黃土，在西安地區(qū)分布較為廣泛。由于長(zhǎng)期在地下水位以下及毛細(xì)水上升影響范圍內(nèi)而處于飽和狀態(tài)，多呈現(xiàn)軟塑或流塑狀態(tài)，具有高含水量、高壓縮性和低承載力的工程特性[5-10]。飽和軟黃土的工程特性較之濕陷性黃土、飽和壓密黃土存在顯著差異。對(duì)于富含飽和軟黃土地層的典型基坑支護(hù)體系，在敞開式降水過程中飽和軟黃土的工程特性的變化的研究較少。為此，以西安地區(qū)某典型飽和軟黃土深基坑工程為依托，探討在降水的動(dòng)態(tài)過程中飽和軟黃土地層強(qiáng)度參數(shù)與極限粘結(jié)強(qiáng)度變化，并對(duì)基坑變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，查明敞開式降水對(duì)飽和軟黃土地區(qū)深基坑影響的基本特征，為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

擬建場(chǎng)地位于西安市東郊，基坑?xùn)|西長(zhǎng)約216.0 m，南北寬約175.0 m，周長(zhǎng)約780.0 m，支護(hù)深度為8.42～11.52 m。周邊緊鄰建（構(gòu)）筑物（2～6 F）及小區(qū)道路，其下分布污水管線。

場(chǎng)地地貌單元屬黃土梁洼?；佑绊懛秶鷥?nèi)地層自上而下依次由第四系全新統(tǒng)填土（Q4ml）、上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土（Q3eol）、上更新統(tǒng)殘積古土壤（Q3el）、中更新統(tǒng)風(fēng)積黃土（Q2eol）、及中更新統(tǒng)殘積古土壤（Q2el）等構(gòu)成，各土層的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。受周邊人工湖注水的影響，該區(qū)域地下水位有所抬升，致使原地下水位以上的非飽和Q3黃土地層形成欠壓密的飽和軟黃土地層。在勘察期間，場(chǎng)地地下水位埋深為8.5～10.5 m，地下水屬潛水類型，水位年變化幅度約2.0 m。

表1 土的基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

根據(jù)前述資料可知，場(chǎng)地地下水位位于基坑槽底之上，為有效控制地下水位，確?；痈刹圩鳂I(yè)，擬采用敞開式管井降水方案，設(shè)計(jì)降深約5.0 m，地層綜合滲透系數(shù)約為4 m/d。因此，需要考慮降水引起飽和軟黃土層失水固結(jié)沉降，即欠壓密飽和黃土失水而產(chǎn)生變形。選取基坑西側(cè)進(jìn)行降水對(duì)基坑變形影響分析?；游鱾?cè)臨近多棟住宅（筏板基礎(chǔ)埋深約2.0 m，條基埋深約1.5 m），基坑支護(hù)深度約9.88 m，基坑開挖底邊線距建筑物外墻最小距離為2.5 m（見圖1）。為保證基坑及鄰近建筑物、管線安全，需嚴(yán)格控制該側(cè)基坑變形，為此，對(duì)該側(cè)基坑采用了護(hù)坡樁+二次壓漿錨索的支護(hù)（見圖2），具體支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)如下：（1）護(hù)坡樁及冠梁：樁徑0.8 m，樁長(zhǎng)18.0 m，樁間距1.50 m；冠梁尺寸為0.8 m（寬）×0.5 m（高）；均采用C30 鋼筋混凝土。（2）錨索：共設(shè)置兩道錨索，錨孔直徑150 mm，桿體采用3 束1860 級(jí)7φs15.2 鋼絞線，錨索長(zhǎng)度15.0～19.0 m，采用了二次高壓注漿工藝。

圖1 基坑西側(cè)平面示意圖

圖2 基坑西側(cè)支護(hù)設(shè)計(jì)典型剖面圖（單位：mm）

（3）降水井：為避免降水引起飽和軟黃土的固結(jié)對(duì)周邊多層建筑物的影響，將降水井布置在坑內(nèi)，距基坑開挖線約10.0～15.0 m；降水井孔徑800 mm，無(wú)砂混凝土濾水管徑600 mm，井深35.0 m，井間距25.0 m。

2 降水前、后飽和軟黃土工程特性

為確定飽和軟黃土地層中錨索的極限承載力以及注漿固結(jié)體與土層的粘結(jié)強(qiáng)度，并驗(yàn)證錨索設(shè)計(jì)參數(shù)及施工工藝的合理性，對(duì)錨索進(jìn)行了拉拔試驗(yàn)。在錨索成孔的施工過程中，發(fā)現(xiàn)飽和軟黃土地層縮孔嚴(yán)重，孔內(nèi)土層多呈流塑狀向外流出（見圖3），調(diào)查發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)只開啟部分降水井，未形成封閉降水效應(yīng)，并且未按設(shè)計(jì)預(yù)降期（30 天）提前降水。經(jīng)多方溝通、協(xié)調(diào)后，要求降水井全部開啟形成封閉降水，并確保持續(xù)降水15 天后方可開展錨索成孔和注漿，以盡可能降低③層飽和軟黃土的含水量，使③層飽和軟黃土的物理力學(xué)性能在降水后獲得改善，以利于錨索的成孔和錨索拉拔力的提高。

圖3 錨索成孔施工情況

在錨索大面積施工前開展了3 組錨索拉拔試驗(yàn)，試驗(yàn)錨索長(zhǎng)度16.0 m，自由段6.0 m，錨固段10.0 m，錨索現(xiàn)場(chǎng)基本試驗(yàn)見圖4。3 組試驗(yàn)的抗拔力與位移關(guān)系的Q-s曲線見圖5，隨著變形的增加，抗拔力整體上呈現(xiàn)線性單調(diào)增長(zhǎng)趨勢(shì)，尚未出現(xiàn)變形拐點(diǎn)，即在試驗(yàn)的范圍內(nèi)，錨索的自由段與錨固段皆處于彈性階段，尚未發(fā)生塑性屈服階段。根據(jù)拉拔試驗(yàn)結(jié)果，確定出錨索抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值為315 kN，相應(yīng)地反算出錨固體與土層的平均極限粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值約為66 kPa，該值比勘察提供的極限粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（40 kPa）提高了65%，表明降水后飽和軟黃土地層的物理力學(xué)性能得到了改善，有助于錨索拉拔力的提高。

圖4 錨索現(xiàn)場(chǎng)基本試驗(yàn)

圖5 錨索基本試驗(yàn)Q-s 曲線

待地下水位整體降至坑底以下1.0 m，且降水達(dá)到穩(wěn)定后，鉆取基坑側(cè)壁③層飽和軟黃土土樣，與降水前同土層土樣的物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)指標(biāo)對(duì)比（見表2）。由表2 可見，降水后③層飽和軟黃土所取土樣含水量降低約27.4%，重度降低約7.0%，飽和度降低約29.7%，土體失水固結(jié)由軟塑變?yōu)榭伤埽筛邏嚎s性土變?yōu)橹袎嚎s性土，黏聚力提高了62.5%，內(nèi)摩擦角提高了24.0%。而降水后③層飽和軟黃土的孔隙比和干重度變化不大，反映了上覆土層的自重應(yīng)力尚無(wú)法使失水后黃土的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，該層黃土仍處于欠壓密狀態(tài)。

表2 降水前、后③層飽和軟黃土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

根據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑基坑工程安全技術(shù)規(guī)程》（JGJ 167-2009）[11]，按照土的狀態(tài)或密實(shí)度查表，本場(chǎng)地降水后的③層黃土對(duì)錨固體的極限粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值約為50 kPa，據(jù)此計(jì)算錨索的極限抗拔承載力標(biāo)準(zhǔn)值為236 kN。而錨索拉拔試驗(yàn)實(shí)測(cè)極限抗拔承載力標(biāo)準(zhǔn)值為315 kN，極限粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值約為66 kPa，較規(guī)范建議值提高約32%。

3 現(xiàn)場(chǎng)變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)基坑與鄰近建筑變形，沿基坑西側(cè)坑頂設(shè)置了變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)。選取監(jiān)測(cè)點(diǎn)d32、d36、d42監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，坑頂水平位移與沉降時(shí)程線如圖6 所示。由圖6 可見，基坑開挖期間，坑頂水平位移與沉降隨著開挖工況逐漸增大，開挖深度較小時(shí)增幅較小，隨著開挖深度增大時(shí)幅度較大，監(jiān)測(cè)點(diǎn)中部水平位移相對(duì)兩邊較大；沉降變化規(guī)律大體一致，并且差異沉降很小。2020 年10 月2 日基坑開挖至坑底后，坑頂水平位移與沉降逐漸趨于穩(wěn)定，水平位移最大值約19.0 mm，沉降最大值約7.5 mm。

圖6 基坑變形監(jiān)測(cè)成果圖

圖6 中基坑變形存在2 個(gè)拐點(diǎn)，將變形曲線劃分為3 個(gè)階段，2 個(gè)拐點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)于第一道錨索施工及張拉鎖定節(jié)點(diǎn)（2020 年1 月7 日）和第二道錨索施工及張拉鎖定節(jié)點(diǎn)（2020 年6 月30 日），曲線發(fā)展變化特征反映出錨索張拉、鎖定可有效控制基坑變形，改變支護(hù)結(jié)構(gòu)受力條件。基坑開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，坑頂沉降相對(duì)于水平位移更先趨于穩(wěn)定，說明降水處于穩(wěn)定狀態(tài)后，坑頂鄰近建筑物固結(jié)附加沉降變形逐漸減??；而受施工荷載影響，坑頂水平位移繼續(xù)小幅度增加而趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 降水前、后基坑變形計(jì)算對(duì)比分析

基于理正深基坑計(jì)算分析軟件，采用平面桿系結(jié)構(gòu)彈性支點(diǎn)法，土壓力模型采用彈性法土壓力模型，沉降變形計(jì)算采用指數(shù)法，選用降水前、降水后的土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)計(jì)算，與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析降水對(duì)開挖工況下基坑變形的影響，基坑變形對(duì)比情況如圖7 所示?；涌禹斔轿灰婆c沉降隨著開挖深度增大而逐漸增大，降水前、后計(jì)算值整體大于變形監(jiān)測(cè)值。降水后理論計(jì)算水平位移比降水前小29.6%，更接近變形監(jiān)測(cè)值。表明降水穩(wěn)定后，降低飽和軟黃土等土層的含水量，土層的物理力學(xué)性能得到改善，基坑側(cè)壁土壓力變小，基坑實(shí)際變形小于理論計(jì)算值，基坑變形得到有效控制。降水后理論計(jì)算沉降比降水前小25.9%，約比實(shí)測(cè)變形監(jiān)測(cè)值大2 倍?？禹敵两道碚撚?jì)算與實(shí)際出入較大，實(shí)際沉降約為計(jì)算值的0.3 倍。據(jù)此，后期類似基坑沉降理論分析時(shí)，沉降經(jīng)驗(yàn)系數(shù)可參考此數(shù)值做適當(dāng)調(diào)整。

圖7 基坑變形理論計(jì)算與實(shí)測(cè)對(duì)比圖

5 結(jié)論

（1）在富含飽和軟黃土地層進(jìn)行基坑降水時(shí)，為使軟黃土更好地完成失水固結(jié)，應(yīng)于開挖前提前降水，具體預(yù)降期可根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)結(jié)合局部開挖驗(yàn)證確定。

（2）富含飽和軟黃土地層基坑降水穩(wěn)定后，黃土地層物理力學(xué)性能得到較大改善，含水量降低約27.4%，重度降低約7.0%，飽和度降低約29.7%，土體失水固結(jié)由軟塑變?yōu)榭伤?，由高壓縮性土變?yōu)橹袎嚎s性土，黏聚力提高62.5%，內(nèi)摩擦角提高24.0%。

（3）根據(jù)錨索拉拔試驗(yàn)，飽和軟黃土地層失水固結(jié)后對(duì)錨索注漿固結(jié)體的極限粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值約為66 kPa，較規(guī)范建議值提高約32%。

（4）敞開式基坑降水降低了飽和軟黃土地層的含水量，使其物理力學(xué)性能得到改善，基坑側(cè)壁土壓力變小，錨索抗拔承載力提高。經(jīng)對(duì)比分析，基坑實(shí)際變形值小于理論計(jì)算值，基坑變形得到了有效控制。