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摘要:基坑支护结构的各种可能失效破坏模式在一定程度上揭露了支护结构的破坏形态和失稳机理,是综合分析支护结构的稳定性和失效表征的基础。通过分析研究基坑工程常见失效机理和特征,总结其失效的异同点,研究分析应采用何种相对应的监测手段来监控基坑围护体系的工作状况,寻找重点的监测手段。采取有效的监测方法既能及时获取基坑工作状态保证安全施工,又能提高工作效率减少不必要的支出。
关键词:支护结构;失效模式;变形监测;监测重点
一、基坑工程常见失效破坏模式分析
常见的破坏模式有:支护结构渗漏、坑底隆起破坏、坑底管涌、支护墙底踢脚破坏、整体失稳、支护墙破坏、内倾破坏、边坡土体滑坡等八种类型。但各种失效破坏模式都存在一定相同的表征特性,基坑的失稳形态可分为两大类:
(1)由于基坑内及基坑周边土体强度和自稳定性不足,在地下或地表水渗流作用引起土体流失或失稳移动,从而引起基坑失稳,例如坑底土体隆起、基坑内或周边土体整体滑动、坑底发生管涌和侧壁发生渗漏、涌砂。
(2)由于支护结构本身的刚度或强度不足,引起支护结构首先被破坏而造成基坑支护结构的失效破坏,如围护结构的折断、剪切破坏,支撑折断、压缩破坏,锚拉支撑失效等。
1、支护结构渗漏
在含水砂层或者其他透水性较好的地层条件下,因支护结构的止水维幕施工质量问题或其它原因造成失效,导致坑外的水夹带大量的砂、土粒涌入坑内,从而引起坑外的水土流失严重,引发地面塌陷的严重事故,还可能先在墙后形成空穴而后突然发生地面塌陷。
对于该类基坑事故,支护结构的主要表现是围护墙顶部位移相对增加较大,如图1-1中基坑左右两侧墙体均往产生空洞一侧倾斜。对于周围环境主要是墙后土体流失,进而引发地面塌陷、楼房倾倒等事故。
该类基坑事故的主要表现是滑裂面以内的土体深层水平位移较大。同时,由于滑裂面可能通过坑底,致使坑底发生隆起现象。对于这类应重点设置深层水平位移观测点和坡顶位移观测。
三、重点监测项目的设置分析
上述基坑八种主要失效模式中,虽然事故原因有多样,有可能是设计不当,也有可能是施工不当,但事故的表征均涉及到了支护墙发生过大变形和坑底出现隆起破坏,并伴随支撑变形或失效。而且,坑底隆起破坏并不是所有基坑失效模式中都出现,而支护墙异常变形却几乎在每种事故中出现,且支护墙在基坑失效时的表现可归类为如下三种:
(1)支护墙中部位移过大,如图1-5(a)和1-6(a)、(c)、(d)所示;
(2)支护墙顶部位移过大,如图1-1、1-6(b)、1-8所示;
(3)支护结构底部位移过大,如图1-1、1-3、1-4所示。
因此,基坑出现险情时支护墙的变形主要体现在支护墙顶部、腹部或底部三个部分的位移的增加。
1、重点观测支护墙水平位移
一般来说,支护墙水平位移是基坑安全状态最主要的表征参数,支护结构水平位移、变形对基坑预警事故发生具在很好的指向性,应设为主要重点的观测项目,主要表现如下:
(1)支护墙水平位移是基抗开挖过程中支护结构与水土压力相互作用的直观表征,能较准确的显现出支护结构的变形和位移情况,可直接反映了基坑支护结构的工作状态稳定。支护墙正常工作状态下的水平位移随着开挖深度的增加而增加,当支护结构将发生失效时位移变化则会表现异常可能增大或减小或位移方向反响,但无论基坑处于安全还是危险状况,两者之间均有很好的相关关系。在上述的八种基坑失效情况中,基本均有支护结构水平位移过大的表现。国家及各地区相关规范中确定监测报警值时一般都涉及到了支护墙侧向最大位移量这一技术指标。
(2)支护墙水平位移量与周围环境安全密切相关,支护墙墙外侧受到主动土压力,而墙内侧嵌入坑底的部分则受到全部或部分的被动土压力。支护墙外侧主动土压力区的土体向坑内方向移动变形,则相应土体的水平应力减小,但会导致土体的剪力应力增大并出现塑性区。而支护墙内侧位于被动压力区的土体也是向坑内发位移变形,则土体的水平应力和剪应力均增大,从而土体发生水平向挤压并产生向上隆起的位移变形,因此坑底处形成局部塑性区。由此可知,墙体变形是基坑周围地层发生移动和坑底土体产生隆起的直接原因之一。
(3)支护墙水平方向最大累积变形量和最大变形速率能够揭示基坑施工过程中支护结构的变形规律,及时反映基坑的安全状况。
2、主要观测支撑和锚杆(索)内力
支护结构应力直接反映了基坑支护体系的安全度,是确保基坑安全非常有效的指标,但一些监控技术性问题限制了支护结构内力应用。目前关于支护结构应力方面的监测方法和设计方法上还存在一些问题,但从实际应用效果分析,支撑和锚杆应力的测试还是很直观有效的,且测试方法数据采集也较便利、高效。正常情况下计算得出上排支撑轴力较大,底部支撑轴力较小,但当基坑出现失稳征兆时往往底部支撑受力增大,上部支撑受力变小,所以每排支撑都应设置观测点。
3、有选择性的观测竖向位移(沉降)
对于有支护结构的基坑,支护结构、周边的土体沉降观测以及建筑物的沉降观测对基坑安全指向性不强,往往是由于支护结构产生水平位移变形成的。而周边的建筑物沉降只能反映建筑物本身的安全情况,对于在2倍开挖深度范围内需要保护的建筑物应进行沉降观测。
坑底隆起量的大小是判断基坑稳定性和建筑物沉降的重要因素之一。如果坑底隆起量较大、回弹速度过快,则意味着基坑有失稳的危险。但根据前述基坑失效模式分析可知,坑底隆起量并不是上述基坑失效的主要原因或主要表现。另外基坑开挖过程中的坑底隆起测试会严重干扰施工,难度也非常大,且不具备很强的可操控性。
关于立柱沉降方面,一定程度上可以反映基坑开挖过程中坑底的隆沉趋势和支撑的稳定状态。但该结构构件是基坑支护结构框架体系的一部分,不是单独的构件,受空间效应影响较显著,因此仅关注立柱的沉降是不能较好地反映基坑开挖过程中支护结构框架体系的安全状态,必须紧密结合其它构件内力和变形方面的测试结果才能对基坑的安全性做出较准确的判断。
4、有选择性的观测地下水位
随着基坑施工的进行降水,基坑内外的地下水位一般呈现波动变化,地下水位的变化规律可以较好地反映基坑止水帷幕的隔水效果,地下水位的下降会引起周边建筑(构)物的沉降,但对于基坑系统的稳定性来说影响不大,除非发生管涌现象。在监测沿线上有需重点保护的建筑(构)物时,应设置地下水位测点进行观测。
5、谈化坑外土压力测试点
目前,支护墙土压力的测试方法主要在靠近支护墙侧壁的位置钻孔埋设土压力计,并回填钻孔,然后进行跟踪测试。显然这种埋设方法,已经破坏了靠近支护墙的土体原始的应力状态,另外,由于回填过程中很难保证其密实性,也难以恢复土体的原始应力状态,因此,这种方法难以较准确地反映支护墙的实际受力情况。显而易见,土压力的监测技术水平目前仍然较低,测试结果往往不具参考性。
四、总结
1、总结分析常见基坑工程中常见几种支护体系的破坏失效模式、机理,共同的表征均涉及到了支护墙发生过大变形和坑底出现隆起破坏,当基坑出现险情时支护墙的变形主要体现在支护墙顶部、腹部或底部三个部分的位移的增加。
2、支护墙体水平位移这一技术指标具有良好的可行性、指向性,是保证基坑安全最重要的参数,能及时、准确的反应基坑一般的安全风险的指标,但应配合墙顶水平位移测试结果进行分析。
3、重点监测支护墙水平位移和顶部水平位移,主要观测内支撑(锚杆、土钉)轴力且每排支撑都应设置观测点和立柱沉降,可有选择性的观测支护墙、周边建(构)筑物的竖向位移,有选择性的设置地下水位观测点,淡化坑外土压力测试。
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论文作者:叶东昌
论文发表刊物:《基层建设》2017年第22期
论文发表时间:2017/11/13
标签:基坑论文; 护墙论文; 位移论文; 结构论文; 水平论文; 应力论文; 表征论文; 《基层建设》2017年第22期论文;