深圳市后海湾填海造陆区某软土深基坑支护工程设计优化研究

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深圳市后海湾填海造陆区内下伏深厚淤泥质软土层,地质环境条件复杂,淤泥质软土是影响该区域基坑支护难易与成败的关键性地质体,同时,随着该区域基坑开挖面积、开挖深度的不断增大,基坑所表现出的空间效应和角部效应也愈发明显,对于基坑这样一个具有“长、宽、深”的三维空间体系,采用单一剖面计算的常规设计方法存在着一定的不足,支护方案往往还具有一定的优化空间。因此,有必要在充分认识填海造陆区软土工程特性的基础上,采用合理的分析方法,优化基坑支护设计,为该区域的基坑支护设计实践提供一定参考。论文依托于深圳市后海湾填海造陆区某一大型软土深基坑支护工程,以优化基坑现有支护设计、降低工程造价为目的,首先采用数理统计分析方法,深化认识了该区域下伏软土的工程特性及其指标变化趋势,在此基础上,通过理论分析、数值模拟等方法研究了软土深基坑在现有支护方案下的开挖变形特征,确定了现有支护方案所存在的优化空间,在分析了桩径、咬合量、嵌固深度及内支撑刚度等因素对深基坑支护结构内力及变形影响的基础上,结合敏感性分析确定优化参数,优化了深基坑现有支护方案。论文主要研究成果如下:(1)该区域下伏软土具有高饱和度、高含水率、大孔隙比、高压缩性、低强度、低渗透性等特征;软土物理性质指标间、物理指标和变形指标间存在较好的相关性,但强度指标与单一物理指标之间不存在相关性;在填海造陆工程完成后至今的十余年时间内,该区域下伏海相沉积淤泥质软土在上部人工填土等荷载的长期作用下物理力学性质在缓慢变化,含水率和孔隙比相较于填海造陆工程完成初期分别减小了9.6%、12.4%,重度、压缩模量以及直剪(快剪)强度指标分别增加了3.7%、35.3%、7.1%和34.1%,现阶段该区域下伏软土的工程性质较填海造陆工程完成初期有了较大的改善;从现今阶段软土各项指标统计均值来看,后海湾填海区下伏软土含水率均值已经较为接近液限均值,因此在今后的十年、二十年或者更长的时间里,该区域下伏软土在没有工程措施干预的情况下其工程性质不会再产生较大的变化;通过将拟建项目深基坑软土层设计计算参数与软土区域统计值对比分析发现,现有设计方案中采用的淤泥质软土黏聚力和内摩擦角设计值与区域统计标准值相近,基坑支护设计计算参数取值合理。(2)通过建立深基坑在现有支护方案下开挖的三维有限元模型,结果表明:(1)基坑变形在三个方向上表现出明显的空间效应。在沿开挖方向上,基坑变形随开挖的加深而增大;在沿基坑边界方向上,越靠近基坑阴角部位,位移越小,同时,基坑西侧水平位移要大于基坑北侧水平位移;在垂直基坑边界方向上,距基坑边界越远,周边土体受开挖的影响越小。内支撑体系和阴角部位对基坑变形有明显的抑制作用。工况2开挖完毕时,揭露到了坑中软土层,坑底和基坑周边受开挖影响范围较大,实际施工时需加强监测与预警,避免安全事故的发生。(2)基坑围护结构在两个方向上存在空间效应。在沿开挖方向上,桩身中部位置水平位移明显大于围护桩顶和嵌固段水平位移;在沿基坑边界方向上,基坑中部围护结构水平位移达到最大,向基坑两边阴角靠近时,围护结构位移越来越小;(3)支撑最大轴力出现在B、C区分界处的支撑上,支撑最大变形位于B区中部,在后期施工、监测时应着重考虑,避免成为工程中的薄弱点;(4)受空间效应影响,基坑东北、西北两角处的围护结构可进行适当优化,优化区段长度约190m。(3)通过围护结构及内支撑刚度参数变化对支护效果的影响分析有:(1)咬合桩桩径对于桩身变形以及桩身弯矩影响显著,随着咬合桩桩径的增加,桩身位移呈现减小的趋势,但桩身位移减小的幅度随桩径的增加而逐渐减小,增大桩径对于控制围护桩变形的能力有限。桩径的增加会使得嵌固段桩身弯矩大幅度增大,导致桩身弯矩分布不均匀,不利于结构的稳定。(2)咬合量对于桩身变形以及桩身弯矩影响较微弱,咬合量的增加会略微减小围护桩最大水平位移,对围护桩顶和嵌固段位移基本无影响,也不会改变桩身弯矩分布规律,在咬合桩咬合量满足基坑支护正常使用要求的情况下,不宜通过增大咬合量来控制围护桩的水平位移。(3)围护桩嵌固深度主要影响桩底和桩身中部水平位移,对于围护桩顶的位移影响较小。嵌固深度主要影响桩底弯矩的分布规律,对开挖面以上桩身弯矩影响很小。通过有限元计算,在拟建项目深基坑支护工程实例中,在嵌固深度小于6m之后,围护结构桩底水平位移出现了较大的增长,优化时嵌固深度不宜小于6m。(4)内支撑刚度对围护结构水平位移影响十分显著,增加内支撑刚度能够大幅度减小围护桩位移,但围护结构位移减小的幅度随刚度的逐渐增加而减小,支撑刚度对于控制围护结构变形的能力同样有限。内支撑刚度的增加不会改变桩身弯矩的分布规律。(4)依据敏感性分析并结合工程实际,在拟建项目深基坑现有支护形式下,减小围护桩的嵌固深度是优化支护方案的最佳选择,经过优化,优化区段内围护桩嵌固深度减小为9m,其它支护结构细部参数保持初步设计值不变。经验算,优化后的支护方案满足规范各项要求,可以在保证安全稳定的前提下,减少实际工程用材,达到优化设计的目的。
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