土岩组合深基坑支护技术研究与分析

土岩组合深基坑支护技术研究与分析

银西达

四川正通工程试验检测有限公司 四川遂宁 629000

摘要：本文以某综合楼深基坑为研究背景，对超前肋柱支护土岩组合深基坑的监测数据进行了分析，并运用有限元软件MIDAS/GTS建立二维模型对超前肋柱端部约束对基坑变形的影响进行分析。结果表明：超前肋柱在土岩组合深基坑支护中具有较好的实用性，超前肋柱持力层的选择、端部约束的控制是影响基坑变形大小及安全性的重要因素。

关键词：超前肋柱；土岩组合深基坑；数值分析；基坑变形

The Advanced Column used to Supporting the Rock-Soil Foundation Trench

Chengdu Wen Mao building foundation detection co., LTD    Xida Yin    

Abstract: In this paper, research with one comprehensive building deep foundation pit in Guiyang, analyzed the monitoring data of the deep foundation pit, and set up two-dimensional model using the finite element software MIDAS/GTS, analyzed the deformation of foundation pit about restriction of the Advanced Column. The results show that: Advanced Column used to supporting the Rock-Soil Foundation Trench has better practicability; supporting course and restriction of the Advanced Column is an important factor to the deformation and safety of foundation pit.

Keywords: Advanced Column; Rock-Soil Foundation Trench; numerical analysis; deformation of foundation pit

引　　言

土岩组合深基坑也称之为“嵌岩”类深基坑,在整个基坑开挖深度范围内上部为土层，下部为岩层，经常出现在上覆土层较薄的地区。土岩组合深基坑上部土层与下伏基岩工程性质具有很大的差异性，上部土层一般强度低，抵抗变形能力差，而下部岩层强度较高，稳定性较好；土层支护方式在岩层中不再适用，不经济，且施工中将面临很多问题。在选择土岩组合深基坑支护方案时，单一的支护方案很难满足其安全性和经济性的要求，因此常常将土层和岩层支护技术分别进行研究，同时结合支护结构的整体性，以实现合理性与经济性的有机结合。[1]

1  超前肋柱+预应力锚索支护结构

超前肋柱+预应力锚索支护结构是在桩锚支护结构的基础上发展、演变而来的新型支护结构（见图1），它主要用于土岩组合深基坑中土层的支护。超前肋柱+预应力锚索支护结构与桩锚支护结构施工工艺相似：成孔、浇筑超前肋柱→分层分段开挖土体→制作锚索→浇筑连系梁→施加预应力→开挖土体→……→土层支护完成。超前肋柱+预应力锚索支护结构在开挖过程中的受力形式不断变化：开挖上层土体时，肋柱具有一定的锚固深度，其受力形式与桩锚支护结构相似；随着开挖深度的增加，岩土体对肋柱的锚固作用逐渐减小，其受力形式介于桩锚支护结构和预应力锚索肋梁支护结构之间；当开挖至岩土结合部位时，岩土体对肋柱端部的锚固作用降至最低，其受力形式接近于预应力锚索肋梁支护结构。此时超前肋柱受力进入“吊脚桩”阶段，支护结构处于相对“脆弱”的状态，容易出现安全隐患，甚至发生安全事故，设计、施工时须谨慎。

图1  超前肋柱+预应力锚索支护结构

Fig.1 The advance rib column & prestressed anchor cable supporting structure

朱祥山、刘红军[1]等以青岛某超高层建筑土岩组合深基坑（深约21m）工程支护结构设计为研究背景，综合考虑各方面因素后提出采用超前肋柱+预应力锚索支护结构对基坑土层进行支护，并采用高预应力锚拉构件解决超前肋柱开挖至岩土结合部位时出现的“吊脚桩”问题。

李华杰、史晓军[2]等以青岛某大厦土岩组合深基坑工程（深约23m）为研究背景，采用超前肋柱+预应力锚索支护结构对基坑土层进行支护，并在超前肋柱端部设计施工了钢筋混凝土预应力锚板墙对肋柱端部进行约束，成功地解决了在基坑下部岩层直立开挖情况下的“吊脚桩”问题。

青岛地区汇丰广场和乾豪国际广场深基坑工程（深约15m）、广州市东照大厦深基坑工程（深约20m）均为典型的土岩组合深基坑，均采用超前肋柱+预应力锚索支护结构对基坑土层进行支护，采用锚喷对岩层进行支护，取得了良好的效果[3]～[4]。

2  工程实例

2.1 工程概况

某综合楼深基坑位于市中心，场地周边为市区主干道、已建房屋以及市政电力、电信、供水、煤气等管网通过地段，工程环境复杂（见图2）。基坑北距市区主干道（人行道边缘）约15m，东距市区道路（人行道边缘）约16 m，距某在建高层住宅基坑约33 m，南距5层砖混宿舍（大约修建于上世纪80年代）约8 m，距1层临时建筑仅1 m，西距6～7层砖混房屋仅8 m。由于场地条件狭窄，无放坡条件，基坑采用直立开挖，形成土岩组合型深基坑，基坑深度约23m，平面尺寸为160m×74m。

图2  基坑平面示意图

Fig.2 Schematic diagram of the pit plane

2.2 工程地质条件

根据地勘资料，场地内岩土由第四系覆盖层（Qml、Qdl+el）和三叠系安顺组（T1a1）组成，第四系覆盖层主要为杂填土（Qml）和褐黄色残积红粘土（Qdl+el），三叠系安顺组（T1a1）主要为浅灰、灰白、紫红色白云岩及泥质白云岩。场地内岩土层分布情况如下：

（1）杂填土 结构松散，多为工程建筑垃圾，厚0～7.0 m，平均厚度3.5 m。

（2）红粘土 残坡积成因，厚度0～16.0 m，场地内均有分布。

①硬塑红粘土：巨块状，厚0.5～5.0 m，平均厚度3.5 m；

②可塑红粘土：碎块状，厚0.5～7.1 m，平均厚度4.5 m；

③软塑红粘土：碎块状，厚0.3～8.2 m，平均厚度6.4 m。

（3）泥质白云岩 中厚层夹薄层，节理裂隙发育～极发育，节理裂隙为岩屑夹泥质充填，按风化程度不同分为强风化泥质白云岩、中风化泥质白云岩、微风化泥质白云岩，主要分布在场地东侧。

（4）白云岩 厚层为主，夹中厚层及巨厚层，节理裂隙极发育~较发育，节理裂隙多为被方解石充填，主要分布在场地西侧。

2.3 基坑支护结构

基坑土层部分采用超前肋柱+预应力锚索+挂网喷射混凝土面板支护体系，超前肋柱采用直径为1.0m的圆形钢筋混凝土桩，桩中心间距为3.0m，超前肋柱采用人工成孔，底部嵌入中风化岩体不小于1.0m，预应力锚索竖向间距3.0m。岩层部分采用格构锚索+挂网喷射混凝土面板支护体系。

2.4 基坑变形监测

为了解基坑开挖过程中的变形情况，实现信息化施工，在超前肋柱顶部布设了多个观测点，对基坑开挖进行全程变形监测，监测数据统计见表1：

表1  基坑顶部最大变形监测值

Table1 Maximum deformation monitoring value of the pit top

    监测数据表明：①采用超前肋柱+预应力锚索支护结构对土岩组合深基坑土层部分进行支护，能较好地控制基坑变形。②基坑开挖至土岩结合部位阶段，基坑变形相对较大，出现“突变”现象。③基坑东侧和南侧在开挖至土岩结合部位阶段，个别超前肋柱成为“吊脚桩”，基坑变形增加较快，在对肋柱端部进行加固后变形得到有效控制。④妥善解决“吊脚桩”问题是超前肋柱支护土岩组合深基坑成功的关键。

3  有限元分析

针对超前肋柱用于支护土岩组合深基坑常出现的“吊脚桩”问题，本文以上述工程实例为背景，采用有限元软件MIDAS/GTS建立二维模型对超前肋柱端部约束对基坑变形的影响进行分析，以期为解决超前肋柱“吊脚桩”问题提供一些思路。

建立数值模型时岩土、支护结构材料参数取值见表2、表3，计算模型见图3：

表2  岩土材料参数取值

Table2 Rock and soil material parameter value

表3  支护结构材料参数取值

Table3 Supporting structure material parameter value

图3  计算模型

Fig.3 Calculation model

3.1 肋柱嵌岩深度对基坑变形的影响

模型中超前肋柱持力层为完整中风化泥质白云岩，肋柱前侧岩体宽度为1m，嵌岩深度分别取0m、1m、2m、3m进行模拟分析，基坑变形与超前肋柱嵌岩深度关系见图4：

图4  基坑变形与肋柱嵌岩深度关系

Fig.4 The deformation of foundation pit for depth embedded in rocks with ribs

3.2 肋柱持力层岩性对基坑变形的影响

模型中超前肋柱嵌岩深度为2m，肋柱前侧岩体宽度为1m，持力层分别取全风化泥质白云岩、强风化泥质白云岩、中风化泥质白云岩进行模拟分析，基坑变形与超前肋柱持力层岩性关系见图5：

图5  基坑变形与持力层岩性关系

Fig.5 The deformation of foundation pit for quality of stratum

3.3 肋柱前侧岩体宽度对基坑变形的影响

模型中超前肋柱嵌入稳定中风化泥质白云岩2m，肋柱前侧岩体宽度分别取0m、1m、2m、3m进行模拟分析，基坑变形与超前肋柱前侧岩体宽度关系见图6：

图6  基坑变形与肋柱前侧岩体宽度关系

Fig.6 The deformation of foundation pit for width of stratum ahead the rib column

3.4 数值模拟结果分析

数值模拟结果表明：①随着超前肋柱端部约束的增强，基坑变形逐渐减小。②超前肋柱持力层岩性对基坑变形的影响尤为明显：当持力层岩性较差时，超前肋柱在施工中容易成为“吊脚桩”， 基坑变形很大；当持力层岩性较好时，基坑变形明显减小。③超前肋柱端部嵌岩深度适当增加，可以减小基坑变形。④适当增加肋柱前侧岩体宽度可以减小基坑变形。

4  结语

（1）超前肋柱在土岩组合深基坑支护中具有较好的实用性，能较好地控制基坑变形。

（2）采用超前肋柱支护土岩组合深基坑时，妥善解决“吊脚桩”问题是基坑成功的关键。

（3）数值分析表明，随着超前肋柱端部约束的增强，基坑变形逐渐减小。

（4）超前肋柱持力层的选择、端部约束的控制，是影响基坑变形、安全性的重要因素。

参考文献：

[1] 朱祥山，青岛地区“嵌岩”类基坑工程设计方法研究[D].青岛:中国海洋大学，2008.

[2] 李华杰，史晓军，孙刚.土岩结合地质条件下深基坑工程施工技术[J].青岛理工大学学报，2008，29(3):111-114.

[3] 朱志华，刘涛，单红仙.土岩结合条件下深基坑支护方式研究[J].岩土力学，2011，32(增1):619-623.

[4] 贾金青，深基坑预应力锚杆柔性支护法的理论及实践[M].北京:中国建筑工业出版社，2006.

作者简介：银西达，男，1987—，四川遂宁人，岩土工程硕士，主要从事岩土工程检测工作。