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深基坑变形规律的监测与分析
考虑空间效应的基坑
摘要
从基坑设计分析入手，结合石家庄某大型深基坑工程，对基坑支护结构进行设计验算。根据现行规范，建立考虑空间效应的监测方案;将光纤光栅传感器引入基坑边坡侧压监测中，实现在线，动态，实时监测。 现场试验结果表明，空间效应主要体现在变形，土压力等方面：中心沉降的基坑边坡比拐角大40％〜65％，中部水平位移比边角处大28％〜42％; 沉降和水平位移正向放大率分别达到48％和11％; 深部土体的最大水平位移位于开挖面下15％〜35％的深度处; 边坡侧向土压力随波动性变化。 每个测点的侧向土压力值随着时间的增加而增加。 在距离地面以下挖掘深度的0.2倍的距离处，基坑中部、阳角、阴角位置的实测值分别比计算值小42.10％，82.46％和108.77％; 在距离地面以下开挖深度0.5倍的位置，中间测量值比计算值大35.21％。 值阳角和阴角分别比计算值小49.06％和29.21％。在距地面以下开挖深度0.8倍的位置，基坑中部、阳角、阴角位置的实测值分别比计算值大6.29％，40.41％和23.27％;基坑边坡沉降较大时，周围地表沉降也较大。
关键词 - 深基坑，坑洞，空间效应，变形监测。
I.介绍
基坑施工项目向深层次，大方向发展。基坑的地质条件和周边环境越来越复杂。深基坑工程设计理论在国内外尚不完善。基于平面应变问题的设计方法使得深基坑支护结构设计不合理，造成浪费。采用有限元方法研究深基坑的空间效应，由于土体本构模型及其计算参数难以准确确定，有限元法不能作为实际的工程设计方法。
Dysli等人[1]（1982）通过实地观察得出了挡土墙中部地面沉降的结论。
Ou等人[2]（1993）证实二维计算结果大于三维计算结果和测量值，三维结果接近实测值,主要是为了抑制相邻区域位移的发展而存在的凹坑角度。
Liu等（1995）[3]认为三维有限元计算结果能很好地预测开挖面下方挡土墙的侧向变形，二维计算结果偏大，坑角效果只能在挖掘面下发生。
Fook-Hou Lee等（1998）[4]对软土地区高层建筑的基坑进行了监测，得到了加固效果的角落可以明显减少支护结构变形和地面沉降的结果。
Roboski（2006）[5]基于锚索支护的深基坑观测资料，提出了拟合误差函数来描述地层位移分布的方法。
Blackburn等（2007）对不同软土地基深基坑开挖过程进行了监测，得到了支护力，土体位移和地表位移具有空间效应的结果。
聂庆科，梁金国等（2008）[7]通过对现场观测资料的分析，理论研究和数值模拟，研究了深基坑双排桩支护体系的变形和土压力分布，并提出了考虑双排桩支护体系设计方法的空间效应。
丁继辉，袁曼，张勤[8-10]（2011，2012）引入弹性阻力法计算土压力利用系数，提出了悬臂和双排桩截面土压力利用系数的计算方法结构，提出了支撑结构空间分布的变形和内力。
深基坑是一个具有长度，宽度和深度的三维空间结构体系，现有的设计规范或规则可以简化为二维平面应变问题，不能充分反映基坑的空间特征和尺寸效应。基于石家庄土钉墙和桩锚支护的深基坑工程，在现场试验的基础上，研究了深基坑的空间效应系数，为深基坑支护结构优化设计提供了依据。
II.浅谈深基坑设计简介
2.1 工程地质学简介
在40.0m深度的钻井中，没有地下水。表1列出了土壤层的主要力学性能。
表1基坑支护土壤各层主要力学参数
|
层数 |
土壤层名称 |
层厚/ m |
单位重量/ kN / m3 |
内聚力/ kPa |
摩擦角度 /° |
|
1 |
杂填充 |
0.70 |
19.0 |
10.00 |
12.00 |
|
2 |
粘土 |
1.90 |
19.5 |
31.30 |
14.40 |
|
3 |
淤泥 |
4.60 |
19.1 |
23.30 |
17.90 |
|
4 |
淤泥 |
2.70 |
19.3 |
8.10 |
24.70 |
|
5 |
细沙 |
1.10 |
18.5 |
0.00 |
33.50 |
|
6 |
淤泥 |
1.20 |
19.3 |
8.10 |
24.70 |
|
7 |
中等沙子 |
2.60 |
18.5 |
0.00 |
34.50 |
2.2深基坑设计简介
拟建项目位于石家庄市，开挖深度10m，长120m，宽77m，开挖深度10m。基坑的安全等级为一级。3米范围内无载荷和车辆可堆放在基坑边缘。周围允许的负载是15kPa。
如图1所示，根据周围环境，基坑主要支护方式为土钉支护，采用桩锚组合支护。护坡桩的桩径为600mm，桩距为1.5m，埋深3.5m，桩长10.4m，设置两排地脚螺栓。第一个地脚螺栓为16.0m，自由长度为7.0m，锚固长度为9.0m，高程为-2.8m。第二个锚栓的自由长度为6.0m，锚固长度为10.0m，高程为-7.0m。
土钉墙的土钉水平间距为1.2m，垂直间距为1.5m。第一排土钉高程为-1.0m，孔径为100mm，倾角为10度，倾角为10°。基坑表面钢筋网为8@150，混凝土表面喷涂强度为C20。
图1
2.3监测监测点的目的和安排
监测基坑监测的目的是分析空间效应对深基坑变形和土压力分布的影响，分析基坑变形规律和土压力分布规律。结合实际情况，本项目决定监测下列事项：
- 基坑顶坡的沉降;
- 基坑坡顶水平位移;
- 深层土壤的水平位移;
- 坑斜坡的侧向土压力;
- 基坑周围的地表沉降。
监测位置如表2所示。
表2监视点的位置坐标（XY平面建立在表面上，Z轴向右下。）
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|
测量点 数 |
坐标位置（x，y，z）/ m |
测量点 数 |
坐标位置（x，y，z）/ m |
测量点 数 |
坐标位置（x，y，z）/ m |
|
S1 |
0, 60, 0 |
S10 |
73, 126, 0 |
S19 |
45, 0, 0 |
|
S2 |
0, 79, 0 |
S11 |
76, 122, 0 |
S20 |
31, 0, 0 |
|
S3 |
0, 98, 0 |
S12 |
76, 103, 0 |
S21 |
17, 0, 0 |
|
S4 |
0, 117, 0 |
S13 |
76, 84, 0 |
S22 |
3, 0, 0 |
|
S5 |
3, 120, 0 |
S14 |
76, 42, 0 |
S23 |
0, 3, 0 |
|
S6 |
20, 120, 0 |
S15 |
76, 23, 0 |
S24 |
0, 22, 0 |
|
S7 |
37, 120, 0 |
S16 |
76, 4, 0 |
S25 |
0, 41, 0 |
|
S8 |
39, 126, 0 |
S17 |
73, 0, 0 |
|
|
|
S9 |
56, 126,0 |
S18 |
59, 0, 0 |
|
|
|
C1 |
37,-1.5,0 |
C5 |
77.5,23,0 |
C9 |
39,127.5,0 |
|
C2 |
76,-1.5,0 |
C6 |
77,5,84,0 |
C10 |
37,121.5,0 |
|
C3 |
77.5,4,0 |
C7 |
73,127.5,0 |
C11 |
20,121.5,0 |
|
C4 |
77.5,23,0 |
C8 |
56,127.5,0 |
C12 |
3,121.5,0 |
|
P1-1 |
-0.5,44.25,-3 |
P2-1 |
-0.5,21,-3 |
P3-1 |
20, 121.5,-2 |
|
P2-2 |
-0.5,44.25,-6 |
P2-2 |
-0.5,21,-6 |
P3-2 |
20, 121.5,-5 |
|
P3-3 |
-0.5,44.25,-9 |
P2-3 |
-0.5,21,-9 |
P3-3 |
20, 121.5,-8 |
|
P4-1 |
37,126.5,-2 |
P5-1 |
73, 126.5,-2 |
|
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