安徽淮南地区有着广泛的膨胀土^[1] ,膨胀土是一种吸水膨胀软化、失水收缩干裂的特殊土^[2] 。胀缩性、裂隙性和超固结性是膨胀土的3个主要特性,这三者相互关联、相互影响,土体的胀缩性为最重要的因素,裂隙性是土体发生膨胀的外因,超固结加速了土体的膨胀。开挖卸载和地下水位变化是外部诱发因素和直接原因^[3] 。膨胀土的工程性质对深基坑工程引起的破坏应引起足够的重视^[4,5] 。

1)膨胀土具有很高的黏聚力,初期结构强度高,不易压实,当含水量较大时,经钻头旋挖的扰动,土体的可塑性降低,土块变得坚硬,难以钻透,降低了施工速度。

2)膨胀土具有很强的亲水性,钻孔扰动解除了膨胀土膨胀力的约束,导致孔壁产生裂缝,吸水后,土体产生蓬松层,容易导致孔壁坍塌。

3)膨胀土的超固结性,使得基坑壁的水平应力要远大于自重应力,且水平应力会随着自重应力的增加而变大,产生应力集中,易达到土体的承载力极限状态。

该深基坑工程位于膨胀性地层上,围护工程开挖面约1.5万m²,开挖面积大且深度较深,面临着周边环境要求高、工期紧迫等难题。鉴于该深基坑工程的复杂性,为了确保安全施工及对变形的有效控制,首次采用了SMW工法桩与单轴旋喷搅拌斜桩锚杆联合支护技术,同时基坑监测是支护工程必不可少的一部分^[6,7,8] 。

运用有限元分析岩土工程问题已逐渐趋于成熟,在广泛运用的同时也得到了普遍认可^[9] ,因此运用有限元法分析SMW工法桩与单轴旋喷搅拌斜桩锚杆联合支护对深基坑的稳定性和基坑周边变形的影响,结合现场监测数据对比分析,验证该工程地质条件下有限元分析结果的可靠性,得出影响膨胀土基坑安全的主要因素,并提出相关安全施工技术措施。为SMW工法桩与单轴旋喷搅拌斜桩锚杆联合支护在膨胀土基础工程中推广,提供一定的理论基础和工程经验,具有较强的指导意义。

该拟建场地原为3~5层低层建筑,现拟建1栋11层办公楼和4层商业,下设整体3层地下室,地下室底板埋深约为±0.000以下14.50m,基坑北侧为建筑物(包括高层建筑),基坑东侧、南侧为交通主干道,西侧为建筑施工临时道路,基坑南北宽近60m,东西长近200m,开挖深度为16.15m。

基坑南侧边缘距人行道10.0m,支护形式为放坡+加劲桩支护。加劲桩为SMW工法桩与单轴旋喷搅拌斜桩锚杆联合支护技术。

假定地面超载为20k N/m,设置桩间距ф650mm@1 800mm,型钢为500mm×300mm×11mm×18mm,设置有4道锚索支撑,基坑支护方案如图1所示,锚桩参数如表1所示。

在有限元分析过程中,由于考虑膨胀土的特性,膨胀土层参数同时除以折减系数K,先将折减系数K取的小一些,以保证开始时是一个近弹性问题,然后不断增加折减系数,使得基坑边坡达到土体临界状态^[10] ,该膨胀土层折减系数为K=1.25时基坑边坡达到土体临界状态,然后采用牛顿-拉普拉斯方程进行有限元分析。工程中为了便于网格划分和数值计算,综合分析勘察资料,对模型进行了适当简化。基坑南侧支护段(3—3剖面),地层由上往下依次为:①填土、③膨胀黏土、④残积黏土、⑤粉砂质泥岩、⑥泥质粉砂岩中风化层,勘察最大土层厚度约12.00m。各土层物理力学参数如表2所示。

有限元施工工况如下:①工况1基坑放坡开挖至5.0m,施工SMW工法桩和锚索安置;②工况2张拉第1排锚索;③工况3基坑竖直开挖至8.0m和锚索安置;④工况4张拉第2排锚索;⑤工况5基坑竖直开挖至10.5m和锚索安置;⑥工况6张拉第3排锚索;⑦工况7基坑竖直开挖至13.0m和锚索安置;⑧工况8张拉第4排锚索;⑨工况9基坑竖直开挖至坑底。

根据勘测数据和设计参数建立有限元模型如图2所示。根据各节点的位移,计算出基坑周边相对变形量,最大沉降变形3.03mm,最大水平位移为18.37mm,分析结果中工况3和4,5和6,7和8变形数据基本相同,得出基坑在施工过程中周边变形评估曲线,如图3,4所示。

分析可知:在距基坑周边15m范围内基坑的变形量较大,第1排锚索张拉对基坑周边变形影响较为显著,随着基坑开挖,各个工况下基坑周边变形曲线间距变小,周边变形趋于稳定。

基坑从东往西采用分层分段开挖,监测点从东往西依次为DL02,DL06和DL08,道路水平位移监测结果如图5所示,道路沉降监测结果如图6所示,道路向坑内最大水平位移为58.0mm,最大沉降量为9.8mm。

沉降和水平位移监测始于2014年1月27日,其后26d内未进行监测,部分数据缺失,沉降量在监测过程中波动的幅度比较大。测点DL02,DL06和DL08附近基坑段开挖分别始于监测后第5 d、第55 d和第71 d。通过DL06,DL08监测曲线得出在未开挖前水平位移存在小幅波动,主要原因是DL02段土体开挖引起土体应力释放和膨胀土体吸水膨胀失水干缩,在边坡开挖过程中水平位移迅速向坑内发展,期间水平位移值占收敛值的40%以上。其后水平位移发展相对缓慢,随着基坑开挖至坑底,水平位移渐渐趋于稳定。道路的沉降发展规律较为类似,但沉降量相对较小。

测点DL06附近支护段由于3月连续的阴雨天气和4月中旬的大量降雨,雨水侵蚀导致水平位移发展迅速,监测曲线斜率偏大。基坑边坡混凝土喷层出现裂缝并剥离,边坡土体滑移,导致地下管线变形过大,部分损坏。针对此情况采取了及时的抢修:首先施加临时支撑减小管线受力变形,然后修筑挡土墙进行管线抢修和边坡加固,在坡顶坡面铺设防水材料。

事故的主要原因分析:①勘察资料中未给出地下管线的具体位置,放坡开挖边坡采用喷射混凝土支护+排水孔,没有考虑到地下管线在雨季,排水管道自重增加;②3月连续的阴雨天气和4月中旬的大量降雨,基坑顶部没有设置良好的防渗措施和排水措施。雨水从边坡坡顶向坡面渗透,导致坡面土体软化;③土体为膨胀性超固结老黏土,设计过程未对土体参数进行优化;④泄水孔排水不畅,坡面的水土压力增大。

在吸取前期经验的基础上,后期施工过程中加大了对雨水的治理和地下水疏导,同时加强了坡面挡土和桩间挡土,后期开挖过程中道路的变形控制在允许范围内。

根据监测曲线可以看出,实际的道路变形是竖向沉降和向坑内移动,最大沉降量为9.8mm,最大水平位移为56.0mm,这与有限元分析结果相一致。但在监测过程中监测曲线往往是波动的,对于这种复杂的波动一定程度上可以从有限元分析结果得到验证。

膨胀性黏土深基坑,在施工过程中易受水环境的影响,在施工过程必须采取严格的控制措施。根据《建筑地基基础设计规范》GB50007—2011^[11] ,基坑变形设计控制指标确定坑外基坑最大沉降量和支护结构最大位移,分别为40.375mm和48.45mm,有限元分析结果分别为3.03mm和13.49mm,明显小于规范值,表明基坑安全。也可根据基坑安全可拓方法和熵值法相结合进行基坑评价^[12] ,通过熵值的大小,判定监测指标的变化速率,从监测数据可以得出道路DL02附近,最大水平位移为40.0mm,最大沉降量为9.8mm,变形速率最大值为1.5mm/d<3mm/d,满足规范要求。

由于膨胀性黏土基坑极易受环境的影响且周边变形非常复杂,建议采用以下保护措施:①对基坑及周边进行详细勘察,保证勘察资料正确性和完整性;②设计过程中应优化设计参数,建议对黏土的黏聚力c值进行适当折减,在地下水位比较高或容易受雨水侵蚀时建议采用饱和强度;③施工过程中应特别注重基坑坑顶及周边土体的防水和排水;④保护基坑周边的排水管道,及时疏导;⑤进行及时有效的监测和信息反馈机制;⑥建立基坑安全巡查机制,在降雨天建议每隔2h进行一次巡查。

1)SMW工法桩与单轴旋喷搅拌斜桩锚杆联合支护技术,在淮南膨胀黏土深基坑工程中应用可行,在工艺上有所创新。

2)有限元分析结果表明,在膨胀黏土中SMW工法桩与单轴旋喷搅拌斜桩锚杆联合支护能较好地控制基坑周边的变形。

3)有限元分析验证了现场监测曲线中变形波动的合理性,通过监测曲线可以看出基坑周边的变形在允许范围内。