深基坑支护变形机理及实例分析

Ｉ；　ｌ　ｉｌ　ｉｌ　ＧＥＯＴＥＣＨＮＩＣＡＬＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　ＷＯＲＬＤ…一．…．一．………．一．…．一．…．一一………………………．ＶＯＬ…ＮＯ一…．，　…．一．……．—．…．—………………．．　深基坑支护变形机理及实例分析　刘　刚　田开洋　（江苏省中成建设工程总公司）　摘要介绍了深基坑支护变形机理，并结合工程实例，根据收集整理的深基坑支护变形监测结果，简述　了深基坑支护变形计算中存在的一些问题，并对一些新方法简要探讨。　关键词深基坑基坑支护变形机理坑底隆起周围地层移动　０　４００ｍｍ　１　深基坑变形机理　基坑变形包括支护结构变形、坑底隆起和基坑　周围地层移动。基坑周围地层移动是基坑工程变形　控制设计中的首要问题，有不少工程因支护结构变　形过大，导致围护结构破坏或围护结构虽未破坏但　周围建筑物墙体开裂甚至倒塌的严重后果。故有必　要讨论地层移动机理及支护结构变形、坑底隆起机　理。　土体移动　：　：：：　ｉ　：：：ｊ：　蓦　：　：：．・．：一：　、：　：：　：，：　：　・　：：：：　．：．　．：．　基坑开挖过程是基坑开挖面卸荷的过程，由于　卸荷而引起坑底土体产生向上为主的位移，同时也　引起围护墙在两侧压力差的作用下而产生水平位　移，因此产生基坑周围地层移动。大家公认，基坑开　挖引起基坑周围地层移动的主要原因是坑底土体隆　起和围护墙的位移。下面讨论这两种主要原因Ｅ　。　图１　软粘土基坑随开挖深度增加基坑周围土体移动及　疆瓣　－－＿｝‘　ｔ．　．＿：　１．１坑底土体隆起　塑性区的发展　开挖深度１●，　，　，。．；＿　，＿　．　．　坑底隆起是垂直向卸荷而改变坑底土体原始应　力状态的反应。在开挖深度不大时，坑底土体在卸　荷后发生垂直的弹性隆起。当围护墙底为清孔良好　的原状土或注浆加固土体时，围护墙随土体回弹而　抬高。坑底弹性隆起的特征为坑底中心部位隆起最　高，而且坑底隆起在开挖停止后很快停止。这种坑　底隆起基本不会引起基坑周围地层的移动。随着开　挖深度增加，基坑内外的土面高差不断增大，当开挖　Ｆ＿＿基坑抗隆起安全系数ｌ１｛，｝　●●　Ｂ一基坑宽度　另外，也应看到，基坑开挖后，墙体向基坑内移　动，当基底面以下部分的墙体向基坑方向移动时推　挤墙前的土体，造成基底隆起。　基底隆起量的大小是判断基坑稳定性和将来建　筑物沉降的重要因素之一。基坑隆起量的大小除和　基坑本身特点有关外，还和基坑内是否有桩、基底是　到一定深度，基坑内外土面高差所形成的加载和地　面各种超载的作用就会使围护墙外侧土体产生向基　坑内移动，使基坑坑底产生向上的塑性隆起。同时　在基坑周围产生较大的塑性区，并引起地面沉降。　Ｍａｎａ（美）于１９８１年在旧金山的勒威斯特拉斯大　楼，按不同开挖深度以理论预测，做出了软粘土基坑　随开挖深度的增加基坑周围土体移动矢量场及塑性　区分布图（图１）。　［收稿日期］２００７—６—１５　否加固、基底土体的残余应力等密切相关。因此，计　算基底隆起量的方法虽然很多，但多数方法的计算　结果和实测值相差较大。如：日本规范公式、（同济　大学）模拟实验经验公式　２　。　１．２围护墙的位移　围护墙墙体的变形从水平向改变基坑外围土体　原始应力状态而引起地层移动。基坑开始开挖后，　围护墙便开始受力变形。在基坑内侧卸去原有土压　４８　维普资讯 http://www.cqvip.com 兰主王墨墨一兰　量一墨　……………………………………………………一……………………　蚤　函　力时，在墙体外侧则受到主动土压力。而在基坑的　撑作为支护结构，基坑采用双排水泥土搅拌桩止水，　围护墙内侧则受到全部或部分被动土压力。由于总　坑内设置１６口降水井降水。　是开挖在前，支撑在后，所以围护墙在开挖过程中，　根据勘察报告提供的资料，场地地层分布自上　安装每道支撑以前总是已发生一定的先期变形。一　而下分述如下：　般挖到设计坑底标高时，墙体最大位移发生在坑底　①　层杂填土：杂色，松散，局部表层为混凝土　面上１～２ｍ处。围护墙的位移使墙体主动土压力　地坪，主要为混凝土块、碎砖瓦块，含少量的粉质粘　区和被动土压力区的土体发生位移。墙外侧主动土　土，硬杂质含量大于２０％。该层场区普遍分布，填　压力区的土体向坑内水平位移，使背后土体水平应　龄大于１０年。层厚１．Ｏ０～４．ＯＯｍ，层底标高６．０７～　力减小，以致剪应力增大，出现塑性区，而在基坑开　９．３０ｍ，层底埋深１．Ｏ０～４．４０ｍ。　挖面以下的墙内侧被动土压力区的土体向坑内水平　①　层淤泥质杂填土：灰色，主要以粉质粘土为　位移，使坑底土体加大水平向应力，以致坑底土体增　主，可塑，结构松散，含碎砖瓦片，硬杂质含量３０％　大剪应力而发生水平向挤压和向上隆起的位移，在　左右，填龄大于１０年。层厚１．２０～３．６０ｍ，层底标　坑底处形成局部塑性区。而围护墙水平位移与围护　高为４．６７～７．５０ｍ，层底埋深２．６０～５．８０ｍ。　墙外侧地面沉降的比值，以及沉降大小与沉降范围　②　层粉土：灰黄色～灰色，稍密～中密，饱和。　的关系，则可大体示于图２。从图２中可以看出：墙　无光泽反应，摇振反应迅速，干强度低，韧性低，局部　体位移量小时，墙侧地面最大沉降量约为墙体位移　夹少量粉细砂，具有水平层理，含有铁锰锈斑，局部　的７０％或更小，由于墙体位移小，墙外侧与土体间　含有少量云母碎片，场区普遍分布。层厚２．００～　摩擦力可以制约土体下沉，故靠近围护墙处的沉降　４．３０ｍ，层底标高１．６７～４．５０ｍ，层底埋深５．６０～　量很小，沉降范围小于２倍开挖深度；而当墙体位移　８．８０ｍ。　量大时，地面最大沉降量就与墙体位移量相等，此时　②　层粉砂夹粉土：灰黄色～灰色，中密，饱和。　墙外侧与土体间摩擦力已丧失对墙后土体下沉的制　局部夹粉砂，具有水平层理，场区普遍分布。层厚　约能力，所以最大沉降量发生在紧靠围护墙处，沉降　３．５０～５．５０ｍ，层底标高一２．８～一０．９０ｍ，层底埋深　范围大于４倍开挖深度。因此，同样地质条件和开　１１．０～１３．Ｏｍ。　挖深度下，深基坑周围地层变形范围及幅度，因墙体　②，层粉土、粉砂及淤泥质粉质粘土互层：灰　的变形不同而有很大差异，墙体变形往往是引起周　色，粉土粉砂为稍密状态，粉质粘土为软塑状态，饱　围地层移动的重要原因。　和。无光泽，摇振反应迅速，级配较好，干强度低，具　有水平层理，偶夹薄层腐殖质，含有长石、石英碎片，　局部含有铁锰锈斑，局部含有少量碎云母片，场区普　遍分布，厚度较大。层厚３．３０～６．ＯＯｍ，层底标高一　７．２０～一５．２２ｍ，层底埋深１６．０～１７．５０ｍ。　（ａ）　（ｂ）　②　层粉砂：灰色，中密，饱和，长石、石英为主　图２粘性土基坑围护墙及地表变形的基本状况　要成分，级配较好，干强度低，具有水平层理，局部较　（ａ）墙体位移小（ｂ）墙体位移大　有薄层粉土，偶夹薄层腐殖质，含有少量的云母碎　６ｌ　一墙体最大位移；　ｖ　一地面最大沉降　片，场区普遍分布，厚度较大，该层底部含有少量的　粉质粘土。层厚６．７０～１０．３０ｍ，底标高为一１６．７７　２工程实例分析　～一１３．２３ｍ，层底埋深２３．７０～２７．１Ｏｒｅ。　场地浅层土中地下水类型为潜水，主要含水层　２．１＂１－程概况　为①　层杂填土、①　层淤泥质杂填土及②　～②　层　南京“１９１２”项目二期工程（北片区）位于中国　砂性土中，富水性中等。主要接受大气降雨补给，水　近代史遗址博物馆文化服务区０９号，太平北路与长　位随季节变化明显，勘察期间测得稳定地下水位埋　江后街交叉路口东南角。场地地形平坦。拟建建筑　深为１．６０～２．１Ｏｒｅ。地下水为年变化幅度为０．５～　物地上２层，场地下设２层满堂地下室；　１．Ｏｍ左右，年最高水位埋深约０．６０ｍ左右。　本工程基坑开挖深度９．６０ｍ，平面上为一边长　２．２基坑周围地层移动实测结果与分析　近６５ｍ的正方形，基坑采用钻孔灌注桩加一层砼支　变形观测方法：围墙范围内在基坑四周硬化地　４９　维普资讯 http://www.cqvip.com

Ｉ《　ｉ　ｉｌ　ｉｌ　…………………．．一………………………………ＧＥ…Ｏ…ＴＥＣ…Ｈ…ＮＩＣ…ＡＬ…ＥＮ…Ｇ…ＩＮＥ…ＥＲ…ＩＮ…Ｇ　Ｗ…Ｏ…ＲＬ…Ｄ…ＶＯ…Ｌ．…１１…Ｎｏ．．　面上各选取一个点打入射钉作为沉降观测点，围墙　外在市政道路路牙（距基坑６—８ｍ）上用红油漆标　识作为沉降观测点，采用水准仪进行观测。　实测结果：距基坑２—３ｍ范围内，沉降值较大，　在４０—８０ｍｍ范围之间，比计算值（２５ｍｍ）大，硬化　地面已经断开；道路路牙距基坑５—６ｍ范围内，土　体沉降值在８～１２ｍｍ之间，比计算值（１７ｍｍ）小，西　侧建筑距基坑约１５ｍ范围内，沉降最大值３．４４ｍｍ，　东侧建筑距基坑约３０ｍ范围内，沉降值很小，可忽　略不计；以往对基坑周围地面变形的研究很少，计算　多采取分层总和法估算。显然实测值与计算值相差　较大（图３）。由图３对比曲线可知，上述计算方法　存在较大缺陷。是否存在一种新方法，能比较准确　地反映基坑周围土体的变形呢？目前，有人在基坑　开挖二维非线性有限元分析基础上，已提出三维非　线性有限元分析方法计算基坑周围地面变形。其计　算结果也比较理想，如图４、５所示。　距坑边长Ｊ　ｍ　０　１　２　３　４　５　６　７　８　９１０１１　１２１３１４１５１６　．１０　．２０　．３０　．４０　．５０　．６０　图３地面沉降观测结果与计算值对比曲线　０　０００　．０　００２　矧・０　００４　蓬．０＿００６　．０．００８　．０　０１０　１５　２０　２５　３０　３５　４０　到坑边距离　图４基坑围护墙外侧沉降变形二维曲线图（单位：ｍ）　图５基坑围护外侧沉降变形三维曲线图（单位：ｍ）　５０　该曲线计算结果比较符合软土地基发生塑性变　形时的情况，尽管不考虑基坑降水引起的土体固结　的影响。但比以往的估算方法要准确得多。只是计　算方法比较复杂，土体单元采用改进邓肯一张本构　模型，建立了耦合接触面而且由三节点、四节点二维　有限元单元划分发展为三维八节点等参元有限单元　和无限单元来模拟基坑周围土体。为了更好地被广　大工程技术人员应用，该方法正在投入商业软件项　目的实践与研究工作中。　２．３基坑及环梁水平位移分析　该工程基坑及砼梁水平位移的实测结果是从基　坑开挖到拆除砼梁时止，其结果具有一定的代表性。　下面分析环梁工作阶段，基坑及砼梁水平位移情况。　资料显示：土方开挖过程中实｝贝４支护结构变形最大　（其值为３４．６ｍｍ），而且随土方开挖的进展，支撑体　系变形的发展也在不断变化。　基坑采用岛式开挖，支撑处挖至一２．３ｍ，浇注　混凝土支撑。尽管没有继续开挖，但砼梁已开始工　作，并有部分初始位移。当基坑南面已经开挖到接　近设计标高一５．８ｍ，此时支护桩在环梁的约束下，　接*移了３—４ｍｍ，北面已经开挖到接近设计标　高一７．８ｍ，此时支护桩在环梁的约束处位移达到　３４．６ｍｍ（拆除砼梁前支护桩位移最大值），并从环　梁的位置到坑底接近线性递减至１２ｍｍ。至拆除环　梁前，基坑变形比较稳定，南面支护桩在砼梁的约束　处（一２ｍ）位移最小３．９ｍｍ，坑底（一５．８ｍ）支护桩　位移最大６．４ｍｍ，并从环梁的位置到坑底接近抛物　线型递增。北面支护桩在砼梁的约束处（一２ｍ）位　移最大２６．１ｍｍ，坑底（一７．８ｍ）支护桩位移２０ｍｍ，　并从环梁的位置到坑底接近弧线型递减。水平位移　变化的全过程如图６所示。　由此可见，不仅围护结构最大变形值出现在开　挖过程中，而且砼梁变形最大值也发生在开挖过程　中。而且，都不在工况３（表１）。　表ｌ各工况环梁水平位移　注：工况１：２００６、３、１４基坑采用岛式开挖，支撑处挖至一２．３ｍ，　浇注混凝土支撑；工况２：２００６、３、２０基坑四周开挖至设计坑底标高　（除两个出土口外）；工况３：２００６、３、２８基坑土方开挖工作结束，并　浇注完垫层混凝土。　以往在支护设计中不考虑挖土方案，一般由施　工单位自己确定，当土方开挖量较小时，对工程影响　维普资讯 http://www.cqvip.com

萋主壬里墨一兰　量一要＿ｌ－　…………………………………………一………………………………　量蚤　函　位移／ｃｍ　细线为浇筑完混凝土支撑时的变形值，中粗线为开挖过程中的变形值　粗线为拆除混凝土支撑时的变形值。　图６水平位移过程图　不大；而一般深基坑开挖土方量都较大，而且挖土顺　序等挖土方案与设计的吻合性，直接影响支护效果　的好坏。轻者混凝土构件开裂，给工程施工造成隐　患，重者在挖土过程中破坏。因此，考虑土方开挖过　程对支撑系统的影响是十分必要的。　２．４基坑回弹监测概况　下面我们再来分析砼梁浇注完到拆除后坑底　（回弹）隆起量，监测方法为钻孔埋点法　。，监测点　位见图７。因本工程基坑面积近３０００ｍ　，仅以图７　所示两个剖面为例说明如下：　图７图７坑底回弹测点位置　Ｈ体：５　一３　一２　一ｌ　，剖面全长６５ｍ。５　和３　测点在同一标高（一５．８ｍ），５　、３　和２　相隔２２ｍ，且　３　测点为基坑中　ｔ２，，２　和１　测点在同一标高　（一７．８ｍ），相距１０．４ｍ。５＃距坑边约５ｍ；１　距坑边　约４ｍ，各测点回弹量见表２。　表２剖面一坑底回弹值　Ｈ体：４　一３　－＿７　，剖面全长６６ｍ。４　、３　和　６　测点在同一标高（一５．８ｍ），４　、３　相距５４ｍ，３　、６　相隔１６ｍ，且３　测点为基坑中　ｔ２，，７　测点标高（一　６．８ｍ），与６　相距２０ｍ。４　和７　距坑边约５ｍ，各测　点回弹量见表３。　表３剖面二坑底回弹值　从实测结果可以看出，一个月后，南京“１９１２”　项目二期工程一侧开挖较浅（一５．８ｍ），坑底为弹性　隆起，其特征为坑底中部隆起最高，两边相对较少；　当图书馆一侧继续开挖１　、２　、７　点时（较深），基坑　边上的隆起量逐步增加，甚至超过坑底中部。从其　变形特征来看，属于塑性隆起。完全符合坑底隆起　机理　３　结语　通过对南京“１９１２”项目二期工程基坑工程实　例分析，说明深基坑支护变形机理研究，有助于系统　地了解和掌握深基坑的实际变形特点，以便及时采　取相应措施，改善基坑内土体性能，加快工期以减少　基坑暴露时间，并及时排降水和控制地面超载和振　动等，使支护设计达到良好的应用效果。　基坑支护设计应考虑土方开挖和开挖方式或顺　序对水平支护结构系统变形的影响，加强工程动态　监测及其结果的适时分析，并在施工设计中具体研　究和体现。对于采用信息化施工的基坑支护工程，　不仅在施工中适时监测并及时反馈分析数据，而且　在工程结束时积累观测数据资料，为科学研究和结　构设计等提供科学依据。　参考文献　［１］孙更生，郑大同．软土地基与地下工程．北京ｊ中国建筑工业出　版社，１９８４．　［２］刘建航，侯学渊．基坑工程手册．北京：中国建筑工业出版社，　１９９７．　［３］龚晓南．深基坑工程设计施工手册．北京：中国建筑工业出版　社，１９９８．　第一作者通讯地址：南京市中华门外油坊桥贾东村１０５号江　苏省中成建设工程总公司　邮编：２１００４１　５ｌ