软土深基坑支护案例分析

1、软土深基坑支护：案例分析Kanchan K. Sen，Yousef Alostaz,Guido Pellegrino，and Abdol Hagh摘要本文介绍了一种新的地下车库基坑支护体系的分析、设计和施工方法。本工程场地上方覆盖10-18英尺厚的填土，填土以下是5英尺厚的有机质软土。场地的主要土层是65-90英尺厚的深海黏土（波士顿蓝黏土），10-12英尺厚的上部黏土经过风化和硬化作用，形成了一层硬壳层，其硬度随深度降低。场地内大部分基坑的硬壳层都被挖掉，暴露了软土层。为了开挖到要求深度44英尺，承包商不得不解决坑底隆起和基坑侧向支撑的问题。钢筋混凝土地下连续墙沿着地下车库四周设置，作为结构

2、的墙体。对停车库进行截水处理。地下连续墙趾位于软黏土层，距基坑底以下12-20英尺。停车场的分部开挖和施工过程利用土体非线性有限元模型进行分析。基于有限元分析，两层临时支撑作为地下连续墙的侧向支撑。由于地下车库的几何性状和基坑底的变化，临时支撑体系的设计和安装是一项富有挑战性的工作。还发现，地下连续墙挠度的预测值和实测值有着密切的联系。简介宏利大厦由十四层办公楼以及两层半的地下停车场构成。该建筑位于南波士顿地区，毗邻中央大道第三港湾的泰德·威廉斯隧道。地下车库的施工要求开挖一个达至波士顿蓝黏土的44英尺深基坑。地下停车库的形状独特，类似梯形，曲边长为281英尺，剩余的边是直线，最短边

3、长为140英尺（见图1）。建筑物的基础形式为钢筋混凝土筏板基础，厚度为5-6.5英尺，基础上面是2.5英尺厚的钢筋混凝土连续墙，连续墙沿基础四周设置。马萨诸塞海湾运输局规划在宏利大厦南端，采用沉箱基础对银线地铁站进行扩建，基础坐落在自然基岩（泥质岩）上，最小承载力为200KSF。场地和工程详情该项目的位置覆盖有一层10至18英尺厚的填土，填土是波士顿南部滨海港区经过多年形成的。填土有黏性疏浚淤泥、砂、砾、建筑材料碎屑。填土以上是5英尺厚的有机质软土，填土以下是厚度达90英尺波士顿蓝黏土。粘土的顶部由于风化和硬化作用，形成了硬壳层，随深度变软。位于地表以下约100英尺的冰川沉积物由粘质砂土和卵石

4、组成。地下水位位于地表以下大约6至10英尺。基坑支护体系合同文件要求基坑开挖过程中，采用钢筋混凝土地下连续墙作为挡土结构。地下连续墙趾位于波士顿蓝黏土，距坑底12-20英尺。地下连续墙沿建筑周围设置，兼作临时和永久性的侧向支撑。合同文件建议采用3到4层的内支撑系统来支撑地下连续墙，锚杆作为内支撑的替代方案。图1 基坑支护体系的平面布置图宏利大厦基坑支护系统的设计受到施工技术的影响，按照原设计要求，楼板施工完成并达到足够强度后，支撑系统需要拆除。施工结束后，地下连续墙将成为地下室的外墙和挡土结构。施工问题合同建议的基坑支护体系钢筋混凝土坡道连接各个层次的地下停车库。由于坡道的配置，车库板与交叉支

5、撑之间的干扰是不可避免的。此外，建筑物的最终设计仍在进行中由于连续墙的招标时间和车库位置的具体信息都不详细。因此，减少车库内水平支撑是树木是承包商的一个只要目标，以便消除基坑支护体系和车库地板间的冲突。如上所述，原设计要求，车库内的铸造板坯后的支撑系统被拆除。这需要使用封闭形式的混凝土支柱地板但是将会与楼层有冲突。同时，将国有元素去除的需求也会变得更为复杂。由于大型机械在车库内不具有操作性，为了将车库牵引出来基坑支护体系需要削减成小块。宏利大厦的设计使用“向上向上”技术，这种技术需要建立在地面以上，而工作还是需要在地下车库来进行。支柱的拆除是复杂的，因为这种永久性结构会对进入地下车库产生限制。

6、承包商建议的基坑支护体系由于与靠近泰德威廉斯隧道距离较近，在南侧设置锚杆是不可行的。此外，业主的技术代表担心锚杆会影响施工进度。在相邻中央大道第三港湾先前的测试记录表明利用注浆改善锚的能力会导致延迟。鉴于地质和基坑规模，原先建议的内撑系统是不可行的。承包商提出的基坑支护系统由钢筋混凝土墙、交错的支柱和外部横撑组成，内支撑设置两层。 图2 开挖高程处的支撑 在水平支撑的底部约2英尺下进行了第一阶段的开挖。完成了上面层所有的安装和预装，挖掘恢复了2英尺以下级别的支撑。在进一步开挖之前低水平的支撑被恢复，路基最终被安装和预装。在拆除低层支撑后是5到6.5英尺厚的筏型基础，参照图3，和之前架空结构的建

7、造。为了消除对车库地板施工的影响，在对车库地板下层水平支撑施工时，上部的水平支撑被拆除。基底的稳定性和侧向变形地下停车库的基板（筏型基础由泥垫支撑，放置在地面以下约44英尺深的硬粘土中。挖掉44英尺厚的覆土将引起黏土层的卸载，这将造成基坑底部的隆起和稳定性问题。一些措施将用来减轻基地隆起和连续墙的侧向变形。这些措施包括恢复开挖前的支撑、设计一个钢筋混凝土墙、顺序开挖以及放置泥垫。初步分析表明，当基地开挖至最终的路基时基地稳定性安全系数是1.25。由于这个安全系数比工程领域普遍接受的安全系数小，因此我们决定修改开挖顺序。采用了支撑水平较低但底部不受限制的开挖方案。此后，底部垫层的开挖施工计划和控

8、制序列构造（八段）增加到1.50的安全系数。这样的分期开挖方案可以防止整个区域的同时卸载，因此，提高了开挖底部是基地的稳定性。图3 地下连续墙典型横断面地下连续墙的安装在悬挂的电缆机械翻盖桶内进行地下连续墙的开挖。设备的选择应该考虑地质、施工开挖的目的、地下连续墙的深度、现场物流和操作员的技巧。在以往的项目中开挖由软到硬的波士顿蓝黏土中发现翻盖桶是有效的，开挖时间是总施工时间的40。开挖面板的垂直度检查是通过对相关导墙的电缆位置来进行测量。在校正垂直度时抓斗采用不同尺寸的齿。在“L ”形的角面板最终停止了对挖掘面板（第一口）的使用。此过程使抓斗控制胶面板的剩余垂直度。考虑到沟槽的稳定性、垂直节

9、理、钢筋笼的尺寸和重量、翻盖桶的尺寸、现场条件，面板的最大长度被限制到24英尺。面板安装顺序主要是出于交通的考虑和具体项目的要求。钢筋笼的长度为24英尺。施工缝采用可拆卸的钢挡板形成。在混凝土的初凝完成后，在相邻面板的开挖垂直接缝处进行清洗以除去膨润土、土体以及关节处形成水密接头时所留下的其他杂质。地下连续墙的安装通过了10至18英尺的杂填土，杂填土由淤泥、砂、砾、粉煤灰、煤渣、金属渣、砖、木桩组成。在这样的土层中安装连续墙是一项具有挑战性的任务。如果处理不当，这可能会导致导墙和泥浆沟槽的崩塌，损坏附近结构。在投标阶段两排喷射灌浆被认作是顶级海洋沉积槽壁的两边。然而，考虑都经济性和进度，决定去

10、除杂填土并回填使用具有100 psi的无侧限抗压强度的流动性材料。在开挖过程中，地下连续墙面板木桩被截断。同时，基坑南面发现少量松弛的锚杆，这些锚在早期中央大道第三港湾隧道施工时作为临时支撑使用。通过特殊工具和调整抓斗齿轮，这些锚杆很快就被拆除了。分析方法经典分析方法经典分析方法利用朗肯土压力理论来进行基坑的分析和设计。施加在墙体的侧压力，可能包括自重应力、附加应力、静水压力，作用在墙体的主动侧，土体被动侧的抗力用一系列弹簧用来模拟。因此，这种模式被称”土弹簧模型” 一般来说，土弹簧模型很容易建立(SEI/ASCE 2000)，而且可以用相对简单的电脑软件进行分析。分析师和工程师倾向于为地基反

11、力模量选择保守的土体参数，这会造成对开挖支持应力和位移的估计过于保守。朗肯理论假设墙的侧向压力和墙位移是没关系的。此外，开挖土体对相邻建筑物的影响和土体变形很难一用经典分析方法得到。使用经典方法的“Stick”模型无法得到墙趾处土体隆起和弹性变形对墙体的影响（Hagh等，2001）。经典方法的这些缺点刺激了发展更先进高效的有限元分析方法。有限元和有限差分分析有限元和有限差分分析方法可以通过一系列的可用商业软件实现。这两种方法最重要的区别是这种方法更方便一些，而经典方法模型不仅包括结构体系还包括周围的土体和邻近结构（如附加力）。这些系统像土体模型一起作用一样既有自身荷载也可以对其他结构物进行支持

12、。此外，通过对各种土体建立本构非线性方程组，这种模型能比独立系统的负载和弹性地基上的梁弹簧模型更真实地模拟土体的真实行为。图4 有限元模型有限元软件ANSYS被用来模拟分步开挖和地下车库施工。几何部分模型也可以用ANSYS软件，包括合同图纸中各种结构构件如：墙、中间板、底板。此外，从岩土工程勘察报告中可以确定土层的剖面。典型的有限元分析如图4所示。在地下连续墙的周围不同地方建立几个有限元模型。这个分析模型包括不同的土层剖面、隧道的几何尺寸、临时支撑的水平位置。考虑到工程现场提出的基坑支护体系的敏感性和软土性质，利用FLAC软件进行了二次分析。FLAC是一种二维的显式有限差分程序，最初为了岩土工

13、程中的应用而开发的。此程序模拟了土体结构的行为，当它们达到屈服强度时岩石或其他材料可能会发生塑性流动。FLAC假定一个二维平面应变状态，并且它可以定义初始应力条件和有效应力的计算水位线。图5 墙体主动土压力土体模型在有限元分析中，土体为四节点平面应变单元，把应变正常的平面的部分假定为零。土体材料的模型建模一般采用各向同性多线性模型或者德鲁克-普拉格模型。各向同性多线性模型材料用于有粘聚性的土体如粘土和有机质土，包括双曲线的应力应变关系（Filz,Cloug和Duncan，1990），这种材料模型的主要参数是土的不排水抗剪强度。德鲁克-普拉格模型，用于无粘性土如填充土和冰碛土，这些材料的强度随深

14、度增加而增大。这种材料模型的主要参数是土体摩擦角。新鲜岩石建模时作为弹性材料。有限元分析中的土体参数是从岩土工程师提供的岩土勘察报告得到的。在有限差分分析中，利用 FLAC软件内置的莫尔-库仑破坏准则来建立土体材料模型。结果分析图5至图7是有限元分析结果。图6 地下连续墙的弯矩承包商建议的基坑支护体系基坑支护体系的设计图7 墙体的侧向变形图8 基坑支护体系±200英尺长的杆被用来支撑南北支柱。这个长杆是用一系列的销柱支撑。这根支柱的设计被证明是一项复杂的任务，因为当支撑本身通过下方南北支柱的同时要使地下连续墙的系统保持在同一高度。因此，支柱要从连续墙的一侧正好倾斜到南北支柱以下，并再

15、次向上到连续墙的另一侧，如图2所示。由于需要在东北角支撑斜支撑所以进一步的问题被意识到。这种特殊区域的细节被开发为使支撑轴力分布在其他二个正交的支柱，且在角杆端也满足。地下连续墙的设计钢筋混凝土地下连续墙有两个作用：开挖阶段提供土体临时侧向支撑和地下车库的永久性外墙。合同文件要求钢筋混凝土地下连续墙厚度为2.5英尺。合同文件还说明，地下连续墙的厚度和嵌入深度以及钢筋尺寸按永久性建筑设计。分部有限元分析使承包商能够设计满足施工期所有荷载情况的地下连续墙。地下连续墙的厚度在合同文件中明文规定，为了抵抗施工期压力，地下连续墙中又放置了额外的钢筋。尽管一些分析表明地下连续墙的嵌入深度可以减小，但由于合

16、同文件已明文规定，嵌入深度仍保持不变。减小地下连续墙的嵌入深度可能会由于超过安全储蓄而威胁坑底的稳定。地下连续墙分析和基坑支护体系的再设计表明预期变化对最终结构不会造成危害。有限元分析允许把这些结构元素和不同工况期间施加在结构上的临时应力引进分析过程。有限元分析也要说明墙体应力不超过设计极限值，应力实际比最初预测的要低。基坑支护体系的施工设计开发一旦概念设计方案被制定并提出，承包商、业主、技术顾问三者会进行一系列的协商，对模型所有参数、模型分析和随之的设计达到共识。初始概念模型增加了支撑层的间距，把线荷载降低到了分析可接受的极限值。对于基坑支护体系，横梁它质量的标准主要是支撑的间距和大小。另一

17、个影响谈判的因素是业主对分析方法的满意度。尽管分析方法被认为是准确先进的，但是，这些并没有被基坑经验数据长时间证明有效。为了避免长工期和大，业主必须考虑这个因素。在最初的概念设计方案的修改期间，大量的技术因素成为了主要的对象。包括土体模型、支撑的竖向和水平间距、支护体系的各类细节问题。为了建立数值模型，最关键的输入参数就是运用的土体本构模型。分部分析未运用荷载和水压，因此土体模型自身生成了荷载和反应。本质上，由于缺乏本地区以前工程的土体模型经验，最初的合同规定的土体参数并无法运用到此本构模型。最终，尽管运用的土的内在强度不被传统的分析所运用，但这可以使分析模型与传统模型相比节约成本，数值是由业

18、主和岩土顾问对安全和节约设计的满意度来确定的。开挖和支护体系的设置随着最终支护体系的设计，运用合适的施工技术来使基坑支护体系的位移保持在可接受范围内也是相当重要的（Clough等，1990）。灌注桩墙的位移不仅仅与支护体系刚度有关，还取决于施工方法。在软土基坑中，合适的地下连续墙施工、地下水控制、分块开挖、支撑设置、筏板安装都同样的重要。如果任何一方面没能合适解决，基坑支护体系可能会出现蠕变和过大的位移。经验丰富的资深施工人员确保了基坑支护体系能有效的安装，支护体系表现出较好的性能。由于建筑与地下连续墙距离较近，为了保证地下连续墙面和建筑的间距足够安装腰梁，在设置支撑阶段对地下连续墙进行施工调

19、查是很重要的。这对南侧墙体进行最后一道施工尤其重要。现场问题的分析调整每一道支撑两端的高度都是一直的，但由于活动梯的存在，地下停车库的高度却是变化的。这使得支撑影响了车库永久性地板。为了找出最合适的支撑拆除顺序，我们进行了反复的分析。设计方案最终订下后，永久性结构的干扰问题被确认下来。在浇筑永久性地板前，修改施工顺序对于一些支撑顺利拆除来说很有必要。这导致了地下连续墙的重新设计，从而造成有限元模型的修改。为了研究工作顺序的变化和支撑的不同或土体条件的改变，有限元模型进行了调整。从冲突出现的几天内，我们进行了再分析来进行修改和使建议方案更加详尽。这种灵活度和适应度有利于帮助承包商和检查方解决现场出现的变化。地下连续墙的预测和实际行为基坑开挖过程，由于邻近结构和开挖现场的完整是考虑的首的问题，我们在基坑附近安装了一套综合和完整的监测系统。监测系统包括地下连续强和邻近结构与设备的水平、垂直监测点以及地下的一系列岩土仪器。测斜仪用来监测墙体位移，观测井和水压力计用来测量地下水响应，隆起监测设备用来监测土体位移。通过数据收集和综合，基坑支护体系在工程的各个阶段的性状都得到密切监测。监测系统还可以用来估计