敞开式降水对富含饱和软黄土地层深基坑变形影响分析.pdf

文章编号：1007-2993（2023）04-0481-05敞开式降水对富含饱和软黄土地层深基坑敞开式降水对富含饱和软黄土地层深基坑变形影响分析变形影响分析张小辉王勇华杨丽娜卜崇鹏王明皎（机械工业勘察设计研究院有限公司，陕西西安710043）【摘要】饱和软黄土是一种有别于湿陷性黄土、饱和压密黄土的特殊地层。为分析敞开式降水对富含饱和软黄土地层深基坑变形影响，选取西安地区某典型深基坑为剖析对象，分析降水前、后土层物理力学性能变化，探讨降水前、后饱和软黄土地层的粘结强度，对比研究降水前、后对深基坑变形的实测值与计算值。研究成果可在物理力学性能变化、粘结强度提升和变形控制方面为富含饱和软黄土地层深基坑设计参数选取时提供参考，为类似项目积累地区经验。【关键词】敞开式降水；深基坑；饱和软黄土；变形【中图分类号】TU 46；TU 44 【文献标识码】Adoi:10.3969/j.issn.1007-2993.2023.04.019Influence of Open Dewatering on the Deformation of Deep Foundation Pitin Saturated Soft Loess AreaZhang XiaohuiWang YonghuaYang LinaBu ChongpengWang Mingjiao(China JIKAN Research Institute of Engineering Investigations and Design Co.,Ltd.,Xian 710043,Shaanxi,China)【Abstract】Saturated soft loess is a special stratum different from collapsible loess and saturated compacted loess.In order toanalyze the influence of open dewatering on the deformation of deep foundation pits in strata rich in saturated soft loess,a typical deepfoundation pit in Xian was selected for analysis.The changes of soil physical and mechanical properties before and after dewateringwere analyzed in detail,the bond strength of saturated soft loess strata before and after dewatering was discussed,and the measured andcalculated values of deformation of deep foundation pits before and after dewatering were compared.The research results provide a ref-erence for the selection of design parameters for deep foundation pits in layers rich in saturated soft loess in terms of changes in physic-al and mechanical properties,bond strength improvement and deformation control,and provide regional experience for similar projects.【Key words】open dewatering；deep foundation pits；saturated soft loess；deformation 0 引言黄土地区工程实践常遇饱和软黄土地层，在该类地层进行深基坑开挖施工需要采取降水措施。目前，基坑降水措施分为两类。一是封闭式降水，即采用“截水帷幕+坑内疏干井”降水方案，该类方案对周围环境影响较小，但截水帷幕工程造价较高，施工周期较长，而且坑内、外形成的附加水土压力差增加了支护体系的侧向受力。二是敞开式降水，即管井群降水，优点是工程造价较小，施工短，坑内、外水位同时下降，附加的水土压力差小，有利于基坑稳定，节省支护工程费用。然而，在富含饱和软黄土地层进行敞开式降水时，地下水位大面积降低必然会引起含水层失水固结而产生附加沉降14，对于变形控制要求严格的城市地下结构，开挖支护施工时常引发一系列工程灾害事故，如邻近建筑物出现不均匀沉降及变形拉裂、地表凹陷、邻近管线破坏等。饱和软黄土是一种浸水后黄土结构并未彻底破坏的欠压密状态的饱和黄土，在西安地区分布较为广泛。由于长期在地下水位以下及毛细水上升影响范围内而处于饱和状态，多呈现软塑或流塑状态，具有高含水量、高压缩性和低承载力的工程特性510。饱和软黄土的工程特性较之湿陷性黄土、饱和压密黄土存在显著差异。对于富含饱和软黄土地层的典型基坑支护体系，在敞开式降水过程中饱和软黄土的工程特性的变化的研究较少。为此，以西安地区某典型饱和软黄土深基坑工程为依托，探讨在降水的动态过 作者简介：张小辉，男，1987 年生，安徽阜阳人，硕士，工程师，主要从事岩土工程勘察、设计等工作。E-mail： 第 37 卷第 4 期岩土工程技术Vol.37 No.42023 年8 月Geotechnical Engineering TechniqueAug，2023程中饱和软黄土地层强度参数与极限粘结强度变化，并对基坑变形监测数据进行分析，查明敞开式降水对饱和软黄土地区深基坑影响的基本特征，为类似工程提供借鉴。1 工程概况拟建场地位于西安市东郊，基坑东西长约 216.0m，南北宽约 175.0 m，周长约 780.0 m，支护深度为8.4211.52 m。周边紧邻建（构）筑物（26 F）及小区道路，其下分布污水管线。场地地貌单元属黄土梁洼。基坑影响范围内地层自上而下依次由第四系全新统填土（Q4ml）、上更新统风积黄土（Q3eol）、上更新统残积古土壤（Q3el）、中更新统风积黄土（Q2eol）、及中更新统残积古土壤（Q2el）等构成，各土层的物理力学性质指标见表 1。受周边人工湖注水的影响，该区域地下水位有所抬升，致使原地下水位以上的非饱和 Q3黄土地层形成欠压密的饱和软黄土地层。在勘察期间，场地地下水位埋深为 8.510.5 m，地下水属潜水类型，水位年变化幅度约 2.0 m。表 1 土的基本物理力学性质指标层号层厚/m土层类别重度/（kNm3）黏聚力c/kPa内摩擦角/（）液性指数IL粘结强度标准值/kPa0.41.8填土18.51010252.08.1黄土14.820230.14651.74.6饱和软黄土18.416180.90402.04.3古土壤19.930210.30608.710.3黄土19.622210.5650 根据前述资料可知，场地地下水位位于基坑槽底之上，为有效控制地下水位，确保基坑干槽作业，拟采用敞开式管井降水方案，设计降深约 5.0 m，地层综合渗透系数约为 4 m/d。因此，需要考虑降水引起饱和软黄土层失水固结沉降，即欠压密饱和黄土失水而产生变形。选取基坑西侧进行降水对基坑变形影响分析。基坑西侧临近多栋住宅（筏板基础埋深约2.0 m，条基埋深约 1.5 m），基坑支护深度约 9.88 m，基坑开挖底边线距建筑物外墙最小距离为 2.5 m（见图 1）。为保证基坑及邻近建筑物、管线安全，需严格控制该侧基坑变形，为此，对该侧基坑采用了护坡桩+二次压浆锚索的支护（见图 2），具体支护设计参数如下：（1）护坡桩及冠梁：桩径 0.8 m，桩长 18.0 m，桩间距 1.50 m；冠梁尺寸为 0.8 m（宽）0.5 m（高）；均采用 C30 钢筋混凝土。（2）锚索：共设置两道锚索，锚孔直径 150 mm，杆体采用 3 束 1860 级 7s15.2 钢绞线，锚索长度15.019.0 m，采用了二次高压注浆工艺。（3）降水井：为避免降水引起饱和软黄土的固结对周边多层建筑物的影响，将降水井布置在坑内，距基坑开挖线约 10.015.0 m；降水井孔径 800 mm，无砂混凝土滤水管径 600 mm，井深 35.0 m，井间距25.0 m。2 降水前、后饱和软黄土工程特性为确定饱和软黄土地层中锚索的极限承载力以及注浆固结体与土层的粘结强度，并验证锚索设计参数及施工工艺的合理性，对锚索进行了拉拔试验。在锚索成孔的施工过程中，发现饱和软黄土地层缩孔严重，孔内土层多呈流塑状向外流出（见图 3），调查发现现场只开启部分降水井，未形成封闭降水效应，并且未按设计预降期（30 天）提前降水。经多方沟通、d326F5120北2500基坑坑深 9.88 m基坑开挖底边线水平位移监测点沉降观测点2F2F6F6Fd36d42 图 1 基坑西侧平面示意图482岩土工程技术2023 年第 4 期协调后，要求降水井全部开启形成封闭降水，并确保持续降水 15 天后方可开展锚索成孔和注浆，以尽可能降低层饱和软黄土的含水量，使层饱和软黄土的物理力学性能在降水后获得改善，以利于锚索的成孔和锚索拉拔力的提高。图 3 锚索成孔施工情况 在锚索大面积施工前开展了 3 组锚索拉拔试验，试验锚索长度 16.0 m，自由段 6.0 m，锚固段 10.0 m，锚索现场基本试验见图 4。3 组试验的抗拔力与位移关系的 Q-s 曲线见图 5，随着变形的增加，抗拔力整体上呈现线性单调增长趋势，尚未出现变形拐点，即在试验的范围内，锚索的自由段与锚固段皆处于弹性阶段，尚未发生塑性屈服阶段。根据拉拔试验结果，确定出锚索抗拔极限承载力标准值为 315 kN，相应地反算出锚固体与土层的平均极限粘结强度标准值约为 66 kPa，该值比勘察提供的极限粘结强度标准值（40 kPa）提高了 65%，表明降水后饱和软黄土地层的物理力学性能得到了改善，有助于锚索拉拔力的提高。图 4 锚索现场基本试验 0100200300400010203040实际加荷量/kN0100200300400010203040实际加荷量/kN0100200300400010203040实际加荷量/kN位移/mm(a)第一根荷载 Q-s 曲线(b)第二根荷载 Q-s 曲线(c)第三根荷载 Q-s 曲线位移/mm位移/mm 图 5 锚索基本试验Q-s曲线待地下水位整体降至坑底以下 1.0 m，且降水达到稳定后，钻取基坑侧壁层饱和软黄土土样，与降 18000基坑底降水后水位411.78 m5120现地面标高暖井检查井筏板基础底标高:421.10 m砖混 6F填土黄土降水前水位 414.00 m饱和软黄土古土壤黄土29201515410.78 m98808780 图 2 基坑西侧支护设计典型剖面图（单位：mm）张小辉等：敞开式降水对富含饱和软黄土地层深基坑变形影响分析483水前同土层土样的物理力学性质试验指标对比（见表 2）。由表 2 可见，降水后层饱和软黄土所取土样含水量降低约 27.4%，重度降低约 7.0%，饱和度降低约 29.7%，土体失水固结由软塑变为可塑，由高压缩性土变为中压缩性土，黏聚力提高了 62.5%，内摩擦角提高了 24.0%。而降水后层饱和软黄土的孔隙比和干重度变化不大，反映了上覆土层的自重应力尚无法使失水后黄土的结构发生改变，该层黄土仍处于欠压密状态。表 2 降水前、后层饱和软黄土的物理力学性质指标阶段/（kNm3）w/%eSr/%ILa1-2/MPa1c/kPa/()降水前18.632.90.943950.960.541619.2降水后17.323.90.96966.80.720.412623.8 根据湿陷性黄土地区建筑基坑工程安全技术规程（JGJ 1672009）11，按照土的状态或密实度查表，本场地降水后的层黄土对锚固体的极限粘结强度标准值约为 50 kPa，据此计算锚索的极限抗拔承载力标准值为 236 kN。而锚索拉拔试验实测极限抗拔承载力标准值为 315 kN，极限粘结强度标准值约为 66 kPa，较规范建议值提高约 32%。3 现场变形监测数据分析为实时监测基坑与邻近建筑变形，沿基坑西侧坑顶设置了变形监测点。选取监测点 d32、d36、d42监测数据进行分析，坑顶水平位移与沉降时程线如图 6 所示。由图 6 可见，基坑开挖期间，坑顶水平位移与沉降随着开挖工况逐渐增大，开挖深度较小时增幅较小，随着开挖深度增大时幅度较大，监测点中部水平位移相对两边较大；沉降变化规律大体一致，并且差异沉降很小。2020 年 10 月 2 日基坑开挖至坑底后，坑顶水平位移与沉降逐渐趋于稳定，水平位移最大值约 19.0 mm，沉降最大值约 7.5 mm。图 6 中基坑变形存在 2 个拐点，将变形曲线划分为 3 个阶段，2 个拐点分别对应于第一道锚索施工及张拉锁定节点（2020 年 1 月 7 日）和第二道锚索施工及张拉锁定节点（2020 年 6 月 30 日），曲线发展变化特征反映出锚索张拉、锁定可有效控制基坑变形，改变支护结构受力条件。基坑开挖至设计标高后，坑顶沉降相对于水平位移更先趋于稳定，说明降水处于稳定状态后，坑顶邻近建筑物固结附加沉降变形逐渐减小；而受施工荷载影响，坑顶水平位移继续小幅度增加而趋于稳定状态。4 降水前、后基坑变形计算对比分析基于理正深基坑计算分析软件，采用平面杆系结构弹性支点法，土压力模型采用弹性法土压力模型，沉降变形计算采用指数法，选用降水前、降水后的土层物理力学性质指标计算，与监测数据对比分析降水对开挖工况下基坑变形的影响，基坑变形对比情况如图 7 所示。基坑坑顶水平位移与沉降随着开挖深度增大而逐渐增大，降水前、后计算值整体大于变形监测值。降水后理论计算水平位移比降水前小 29.6%，更接近变形监测值。表明降水稳定后，降低饱和软黄土等土层的含水量，土层的物理力学性能得到改善，基坑侧壁土压力变小，基坑实际变形小于理论计算值，基坑变形得到有效控制。降水后理论计算沉降比降水前小 25.9%，约比实测变形监测值大 2 倍。坑顶沉 02019-09-022019-10-292019-12-262020-02-212020-04-192020-06-162020-08-122020-10-092020-12-062019-09-022019-10-292019-12-262020-02-212020-04-192020-06-162020-08-122020-10-092020-12-065101520水平位移/mm(a)坑顶水平位移西侧 d32西侧 d36西侧 d42第一道锚索施工第二道锚索施工西侧 d32西侧 d36西侧 d42第一道锚索施工第二道锚索施工1086420沉降/mm(b)坑顶沉降监测时间(年-月-日)监测时间(年-月-日)图 6 基坑变形监测成果图484岩土工程技术2023 年第 4 期降理论计算与实际出入较大，实际沉降约为计算值的 0.3 倍。据此，后期类似基坑沉降理论分析时，沉降经验系数可参考此数值做适当调整。01020302020-01-072020-06-222020-12-062020-01-072020-06-222020-12-06水平位移/mm(a)坑顶水平位移3020100沉降/mm(b)坑顶沉降降水前计算降水后计算西侧 d32西侧 d36西侧 d42降水前计算降水后计算西侧 d32西侧 d36西侧 d42工况节点时间(年-月-日)工况节点时间(年-月-日)图 7 基坑变形理论计算与实测对比图 5 结论（1）在富含饱和软黄土地层进行基坑降水时，为使软黄土更好地完成失水固结，应于开挖前提前降水，具体预降期可根据工程经验结合局部开挖验证确定。（2）富含饱和软黄土地层基坑降水稳定后，黄土地层物理力学性能得到较大改善，含水量降低约27.4%，重度降低约 7.0%，饱和度降低约 29.7%，土体失水固结由软塑变为可塑，由高压缩性土变为中压缩性土，黏聚力提高 62.5%，内摩擦角提高 24.0%。（3）根据锚索拉拔试验，饱和软黄土地层失水固结后对锚索注浆固结体的极限粘结强度标准值约为66 kPa，较规范建议值提高约 32%。（4）敞开式基坑降水降低了饱和软黄土地层的含水量，使其物理力学性能得到改善，基坑侧壁土压力变小，锚索抗拔承载力提高。经对比分析，基坑实际变形值小于理论计算值，基坑变形得到了有效控制。参考文献 郑刚，魏少伟.坑内降水基坑底不同位置土体变形性状的室内试验研究J.岩土工程学报，2011，33（2）：247-252.1 亢佳伟.饱和软黄土降水前、后物理力学性质研究D.西安:西安理工大学,2021.2 孙文娟，沈文龙，李耀良，等.基坑开挖前降水引起的地面沉降的工程实例分析J.岩土工程学报，2008，30（S1）：314-318.3 刘建伟，李冀伟，卢志强，等.饱和软黄上地层降水及引起周边环境沉降特点以西安地铁5号线为例J.科学技术与工程，2019，19（25）：334-340.4 段真富，徐洪安，张玲.西安地区软黄土工程地质特征和分布规律雏议J.西安地质学院学报，1992，14（1）：64-70.5 任澎华，李忠明.湿陷性黄上地区人工湖渗漏引发的环境工程地质问题以西安兴庆湖对湖周建筑地基条件的影响为例J.工程地质学报，2002，10（S1）：569-572.6 于国新，白明洲，许兆义.西安地区饱和软黄土工程地质特征研究J.工程地质学报，2006，14（2）：196-199.7 武乾，赵浩，林源，等.黄土地区某深基坑工程降水试验研究J.施工技术，2010，39（9）：78-381.8 高虎艳，邓国华.饱和软黄土的力学与工程性质分析J.水利与建筑工程学报，2012，10（3）：38-42.9 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