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膨脹黏土加勁樁支護(hù)安全性分析

文檔作者：王夢想周盛全宗琦文檔來源：安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年11月18日
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2017年1月上施工技術(shù)
=第=4=6=卷==第==1=期===================C=ON=S=T=RU=C=T=I=ON==T=EC=H=N=O：LOG=Y 39
DOI：10．7672／s自s2叫7010039
膨脹黏土加勁樁支護(hù)安全性分析
王夢想，周盛全，宗琦
(安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽淮南232001>
[摘要]基于淮南地區(qū)膨脹黏土的特性，以某大型深基坑為例，研究并首次在該地區(qū)采用SMW工法樁與單軸旋噴
攪拌斜樁錨桿聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。通過基坑附近主干道工程水平位移和沉降監(jiān)測分析基坑支護(hù)的穩(wěn)定性和周邊建筑
設(shè)施的安全性。數(shù)值模擬的結(jié)果和現(xiàn)場實(shí)測相一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了分析的正確性，工程應(yīng)用和分祈研究證明了
SMW工法樁與單軸旋噴攪拌斜樁錨桿聯(lián)合支護(hù)技術(shù)在該地區(qū)深基坑支護(hù)中的可行性和優(yōu)越性。
[關(guān)鍵詞]膨脹土；支護(hù)；樁；旋噴攪拌加勁樁；監(jiān)測；數(shù)值模擬
[中圖分類號]TU443 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A [文章編號]1002—8498(2017)叭一0039．04
Safety Analysis of the Stiffening Pile Supporting in Expansive Soil
Wang Mengxiang，Zhou Shengquan，Zong Qi
(School of Civil and Architectural Engineering，Anhui University∥Science＆Technology，Huainan，Aahui 232001，China)
Abstract：Based on the features of expanded soil in Huainan，in the ease of a large deep foundation
excavation，a supporting technology that combined SMW pile with single shaft rotary jet mixing inclined
pile anchor was applied in the deep foundation excavation for the first time．In the main road near the
foundation excavation，through these points of horizontal displacement and subsidence monitoring data
analysis and processing，the result is used to analyze the stability of the foundation excavation supporting
facilities of the building and its surrounding safety．The numerical simulation results and the measured
results are consistent，that is to further demonstrates the validity of the research and analysis．Application
in the engineering practice and analysis research prove the supporting technology that SMW pile with
single shaft rotary jet mixing inclined pile anchor combined suppoa technology feasibility and superiority
of deep foundation excavation supporting in the region．
Key words：expansive soil；supports；piles；mixing anchor pile；monitoring；simulations
0 引言
安徽淮南地區(qū)有著廣泛的膨脹土‘1。，膨脹土是
～種吸水膨脹軟化、失水收縮干裂的特殊土舊一。脹
縮性、裂隙性和超固結(jié)性是膨脹土的3個(gè)主要特性，
這三者相互關(guān)聯(lián)、相互影響，土體的脹縮性為最重
要的因素，裂隙性是土體發(fā)生膨脹的外因，超固結(jié)
加速了土體的膨脹。開挖卸載和地下水位變化是
外部誘發(fā)因素和直接原因”J。膨脹土的工程性質(zhì)
對深基坑工程引起的破壞應(yīng)引起足夠的重視。4。o。
1)膨脹土具有很高的黏聚力，初期結(jié)構(gòu)強(qiáng)度
高，不易壓實(shí)，當(dāng)含水量較大時(shí)，經(jīng)鉆頭旋挖的擾
動，土體的可塑性降低，土塊變得堅(jiān)硬，難以鉆透，
降低了施工速度。
[作者簡介]王夢想，碩士研究生，E-mail：906974343@qq corn
【收稿日期]2015-12-23；[修訂日期]2016-03—12
2)膨脹土具有很強(qiáng)的親水性，鉆孑L擾動解除了
膨脹土膨脹力的約束，導(dǎo)致孔壁產(chǎn)生裂縫，吸水后，
土體產(chǎn)生蓬松層，容易導(dǎo)致孔壁坍塌。
3)膨脹土的超固結(jié)性，使得基坑壁的水平應(yīng)力
要遠(yuǎn)大于自重應(yīng)力，且水平應(yīng)力會隨著自重應(yīng)力的
增加而變大，產(chǎn)生應(yīng)力集中，易達(dá)到土體的承載力
極限狀態(tài)。
該深基坑工程位于膨脹性地層上，圍護(hù)工程開
挖面約1．5萬m2，開挖面積大且深度較深，面臨著
周邊環(huán)境要求高、工期緊迫等難題。鑒于該深基坑
工程的復(fù)雜性，為了確保安全施工及對變形的有效
控制，首次采用了SMW工法樁與單軸旋噴攪拌斜
樁錨桿聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，同時(shí)基坑監(jiān)測是支護(hù)工程必
不可少的一部分∞?。
運(yùn)用有限元分析巖土工程問題已逐漸趨于成
熟，在廣泛運(yùn)用的同時(shí)也得到了普遍認(rèn)可”1，因此
萬方數(shù)據(jù)
施工技術(shù)第46卷
運(yùn)用有限元法分析SMW工法樁與單軸旋噴攪拌
斜樁錨桿聯(lián)合支護(hù)對深基坑的穩(wěn)定性和基坑周邊
變形的影響，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析，驗(yàn)證該
工程地質(zhì)條件下有限元分析結(jié)果的可靠性，得出
影響膨脹土基坑安全的主要因素，并提出相關(guān)安
全施工技術(shù)措施。為SMW工法樁與單軸旋噴攪
拌斜樁錨桿聯(lián)合支護(hù)在膨脹土基礎(chǔ)工程中推廣，
提供一定的理論基礎(chǔ)和工程經(jīng)驗(yàn)，具有較強(qiáng)的指
導(dǎo)意義。
1 工程概況
該擬建場地原為3～5層低層建筑，現(xiàn)擬建1棟
11層辦公樓和4層商業(yè)，下設(shè)整體3層地下室，地
下室底板埋深約為±0．000以下14．50m，基坑北側(cè)
為建筑物(包括高層建筑)，基坑?xùn)|側(cè)、南側(cè)為交通
主干道，西側(cè)為建筑施工臨時(shí)道路，基坑南北寬近
60m，東西長近200m，開挖深度為16．15m。
基坑南側(cè)邊緣距人行道10．-Om，支護(hù)形式為放
坡+加勁樁支護(hù)。加勁樁為SMW工法樁與單軸旋
噴攪拌斜樁錨桿聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。
假定地面超載為20kN／m，設(shè)置樁間距6650mm
@1 800mm，型鋼為500mm×300mm×11mm×
18mm，設(shè)置有4道錨索支撐，基坑支護(hù)方案如圖1
所示，錨樁參數(shù)如表1所示。
；。1降世書
圖1基坑支護(hù)方案
Fig．1 Foundation excavation supporting scheme
表1錨樁參數(shù)
Table 1 Anchor pile parameters
2有限元分析
2．1開挖工況
在有限元分析過程中，由于考慮膨脹土的特性，
膨脹土層參數(shù)同時(shí)除以折減系數(shù)K，先將折減系數(shù)K
取的小一些，以保證開始時(shí)是一個(gè)近彈性問題，然后
不斷增加折減系數(shù)，使得基坑邊坡達(dá)到土體臨界狀
態(tài)¨0|，該膨脹土層折減系數(shù)為K=1．25時(shí)基坑邊坡
達(dá)到土體臨界狀態(tài)，然后采用牛頓一拉普拉斯方程進(jìn)
行有限元分析。工程中為了便于網(wǎng)格劃分和數(shù)值計(jì)
算，綜合分析勘察資料，對模型進(jìn)行了適當(dāng)簡化?；?
坑南側(cè)支護(hù)段(3—3剖面)，地層由上往下依次為：①
填土、③膨脹黏土、④殘積黏土、⑤粉砂質(zhì)泥巖、⑥泥
質(zhì)粉砂巖中風(fēng)化層，勘察最大土層厚度約12．00m。
各土層物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。
表2地層參數(shù)
Table 2 Formation parameters
有限元施工工況如下：①工況l 基坑放坡開
挖至5．Om，施工SMW工法樁和錨索安置；②工況2
張拉第1排錨索；③工況3 基坑豎直開挖至
8．Om和錨索安置；④工況4 張拉第2排錨索；
⑤工況5 基坑豎直開挖至10．5m和錨索安置；
⑥工況6張拉第3排錨索；⑦工況7基坑豎直開
挖至13．Om和錨索安置；⑧工況8 張拉第4排錨
索；⑨工況9基坑豎直開挖至坑底。
2．2整體變形計(jì)算結(jié)果
根據(jù)勘測數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)參數(shù)建立有限元模型如
圖2所示。根據(jù)各節(jié)點(diǎn)的位移，計(jì)算出基坑周邊相
對變形量，最大沉降變形3．03ram，最大水平位移為
18．37mm，分析結(jié)果中工況3和4，5和6，7和8變
形數(shù)據(jù)基本相同，得出基坑在施工過程中周邊變形
評估曲線，如圖3，4所示。
圖2計(jì)算模型
Fig．2 Calculation model
萬方數(shù)據(jù)
2017 No·l 王夢想等：膨脹黏土加勁樁支護(hù)安全性分析41
蘭
三
滟
趔
置
斟
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
距坑頂距離加
圖3基坑周邊豎向變形曲線
Fig．3 Vertical deformation curves around
foundation excavation
蘭
三
澮
坦
睜
*
-5 0 5 0 15 20 25 30 35 40 45 50
距坑頂距離加
圖4基坑周邊水平位移曲線
Fig．4 Horizontal displacement curves around
foundation excavation
分析可知：在距基坑周邊15m范圍內(nèi)基坑的變
形量較大，第1排錨索張拉對基坑周邊變形影響較
為顯著，隨著基坑開挖，各個(gè)工況下基坑周邊變形
曲線間距變小，周邊變形趨于穩(wěn)定。
3監(jiān)測結(jié)果及對比分析
3．1監(jiān)測結(jié)果
基坑從東往西采用分層分段開挖，監(jiān)測點(diǎn)從東
往西依次為DL02，DL06和DL08，道路水平位移監(jiān)
測結(jié)果如圖5所示，道路沉降監(jiān)測結(jié)果如圖6所示，
道路向坑內(nèi)最大水平位移為58．0mm，最大沉降量
為9．8ram。
沉降和水平位移監(jiān)測始于2014年1月27日，
其后26d內(nèi)未進(jìn)行監(jiān)測，部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失，沉降量在監(jiān)
測過程中波動的幅度比較大。測點(diǎn)DL02，DL06和
廣呻”．／訕
≯
20 40 00 80 100】20】4016018020(／2202-402602-8(
時(shí)間／d
a DL02
60
55
50
E
45
毒40
讒35
蛆30
斗25
《20
5
10
5
0
DL08附近基坑段開挖分別始于監(jiān)測后第5 d、
第55 d和第71 d。通過DL06，DL08監(jiān)測曲線得出
在未開挖前水平位移存在小幅波動，主要原因是
DL02段土體開挖引起土體應(yīng)力釋放和膨脹土體吸
水膨脹失水干縮，在邊坡開挖過程中水平位移迅速
向坑內(nèi)發(fā)展，期間水平位移值占收斂值的40％以
上。其后水平位移發(fā)展相對緩慢，隨著基坑開挖至
坑底，水平位移漸漸趨于穩(wěn)定。道路的沉降發(fā)展規(guī)
律較為類似，但沉降量相對較小。
測點(diǎn)DL06附近支護(hù)段由于3月連續(xù)的陰雨天
氣和4月中旬的大量降雨，雨水侵蝕導(dǎo)致水平位移
發(fā)展迅速，監(jiān)測曲線斜率偏大?；舆吰禄炷羾?
層出現(xiàn)裂縫并剝離，邊坡土體滑移，導(dǎo)致地下管線
變形過大，部分損壞。針對此情況采取了及時(shí)的搶
修：首先施加臨時(shí)支撐減小管線受力變形，然后修
筑擋土墻進(jìn)行管線搶修和邊坡加固，在坡頂坡面鋪
設(shè)防水材料。
事故的主要原因分析：①勘察資料中未給出地
下管線的具體位置，放坡開挖邊坡采用噴射混凝土
支護(hù)+排水孔，沒有考慮到地下管線在雨季，排水
管道自重增加；②3月連續(xù)的陰雨天氣和4月中旬
的大量降雨，基坑頂部沒有設(shè)置良好的防滲措施和
排水措施。雨水從邊坡坡頂向坡面滲透，導(dǎo)致坡面
土體軟化；③土體為膨脹性超固結(jié)老黏土，設(shè)計(jì)過
程未對土體參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；④泄水孔排水不暢，坡
面的水土壓力增大。
在吸取前期經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，后期施工過程中加
大了對雨水的治理和地下水疏導(dǎo)，同時(shí)加強(qiáng)了坡面
擋土和樁間擋土，后期開挖過程中道路的變形控制
在允許范圍內(nèi)。
3．2對比分析
根據(jù)監(jiān)測曲線可以看出，實(shí)際的道路變形是豎
向沉降和向坑內(nèi)移動，最大沉降量為9．8ram，最大
水平位移為56．0mm，這與有限元分析結(jié)果相一致。
但在監(jiān)測過程中監(jiān)測曲線往往是波動的，對于這種
復(fù)雜的波動一定程度E可以從有限元分析結(jié)果得
—一m
p
／
20 40 60 80 100120140160180200220240200280
時(shí)間，d
b DL06
圖5道路水平位移監(jiān)測曲線
Fig．5 Road horizontal displacement monitoring curves
時(shí)間，d
C DL08
弘匏勰M如M坦0
0
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如非∞”∞”如”m，0
u』；l，靜掣}《
萬方數(shù)據(jù)
42 施工技術(shù)第46卷
25 50 75】00 125 J50 175 200 225 250
時(shí)間／d
a DL02
時(shí)間，d
b DL06
圖6道路沉降監(jiān)測曲線
Fig．6 Road subsidence monitoring curves
到驗(yàn)證。
3．3基坑安全性判斷及保護(hù)措施
膨脹性黏土深基坑，在施工過程中易受水環(huán)境
的影響，在施工過程必須采取嚴(yán)格的控制措施。根
據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50007--201 1?J，基
坑變形設(shè)計(jì)控制指標(biāo)確定坑外基坑最大沉降量和
支護(hù)結(jié)構(gòu)最大位移，分別為40．375mm和48．45nlm，
有限元分析結(jié)果分別為3．03mm和13．49ram，明顯
小于規(guī)范值，表明基坑安全。也可根據(jù)基坑安全可
拓方法和熵值法相結(jié)合進(jìn)行基坑評價(jià)¨“，通過熵值
的大小，判定監(jiān)測指標(biāo)的變化速率，從監(jiān)測數(shù)據(jù)可
以得出道路DL02附近，最大水平位移為40．0ram，
最大沉降量為9．8ram，變形速率最大值為
1．5mm／d<3mm／d，滿足規(guī)范要求。
由于膨脹性黏土基坑極易受環(huán)境的影響且周
邊變形非常復(fù)雜，建議采用以下保護(hù)措施：①對基
坑及周邊進(jìn)行詳細(xì)勘察，保證勘察資料正確性和完
整性；②設(shè)計(jì)過程中應(yīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，建議對黏土
的黏聚力c值進(jìn)行適當(dāng)折減，在地下水位比較高或
容易受雨水侵蝕時(shí)建議采用飽和強(qiáng)度；③施工過程
中應(yīng)特別注重基坑坑頂及周邊土體的防水和排水；
④保護(hù)基坑周邊的排水管道，及時(shí)疏導(dǎo)；⑤進(jìn)行及
時(shí)有效的監(jiān)測和信息反饋機(jī)制；⑥建立基坑安全巡
查機(jī)制，在降雨天建議每隔2h進(jìn)行一次巡查。
4 結(jié)語
1)SMW工法樁與單軸旋噴攪拌斜樁錨桿聯(lián)合
支護(hù)技術(shù)，在淮南膨脹黏土深基坑工程中應(yīng)用可
行，在工藝上有所創(chuàng)新。
2)有限元分析結(jié)果表明，在膨脹黏土中SMW
工法樁與單軸旋噴攪拌斜樁錨桿聯(lián)合支護(hù)能較好
地控制基坑周邊的變形。
3)有限元分析驗(yàn)證了現(xiàn)場監(jiān)測曲線中變形波
動的合理性，通過監(jiān)測曲線可以看出基坑周邊的變
形在允許范圍內(nèi)。
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北盤江大橋(世界第一高橋)正式建成通車
2016年12月29日，橫跨貴州省水城縣都格鎮(zhèn)
和云南省宣威市普立鄉(xiāng)的北盤江大橋正式建成通
車。從此，從“中國涼都·生態(tài)水城”到云南宣威只
需要1個(gè)小時(shí)的時(shí)間。
北盤江大橋橋面距離江面垂直高度565m，差不
多相當(dāng)于200層樓的高度，是世界第一高橋。著名
的埃菲爾鐵塔的高度，剛剛超過北盤江大橋的一
半。北盤江大橋沿線山巒疊嶂、地質(zhì)情況復(fù)雜，大橋
設(shè)計(jì)者通過反復(fù)論證，創(chuàng)新性地推出了山區(qū)特大跨
徑鋼桁梁斜拉橋方案?？傞L1 341．4m，主跨720m，
位居世界同類型橋梁第二位。整座大橋使用了上
萬個(gè)鋼構(gòu)件，總重近3萬t，通過兩邊橋塔上的112
對拉索牽引，高懸于峽谷之上。
(摘自“新華網(wǎng)”2016．12—27)

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