超深基坑支護影響因素及機理分析

摘要 超深基坑是一個及其復雜的工程，考慮的影響因素較多。土質土層、地下水埋深、開挖深度、擬建建筑物基礎類型以及基坑周邊情況都會給支護方案的選擇帶來影響。本文從影響因素和機理方面進行研究，得出以下結論：軟土會直接影響地基的沉降，導致建筑物沉降時間的延長；粗粒土在基坑支護工程中極易引起坑壁、坑底冒砂涌水的流土事故；地下水處理不當易引發嚴重的涌水現象；應盡量減少施工給土體強度帶來的破壞。

關鍵詞 超深基坑 影響因素 機理分析

1引言

超深基坑是一個由空間和時間相結合的體系，考慮到其復雜性，支護方案的影響因素也較多。大致可以歸為以下幾點：基坑開挖場地的土質土層、地下水的埋深和變化；基坑場地工程情況，如平面尺寸、設計開挖的深度、擬建建筑物的基礎類型；基坑周邊情況，如已建建筑物的高度、埋深、基礎形式，周圍道路、市政管線設施的類型和位置，以及這些設施對基坑施工的變形控制、施工場地的污染問題、噪聲的要求；施工材料、設備、技術給支護方案選擇帶來的影響；工程總造價；工程進度及工期等對支護結構選型的要求。

2超深基坑影響因素

2.1巖石種類

2.1.1碎石土

碎石土是指粒徑大于2 mm，含量超過總量的50%的顆粒土[1]，其具體劃分見表1。

2.1.2砂土

砂土是指粒徑大于2 mm的顆粒，含量不能超過總質量的50%和粒徑大于0.075 mm的顆粒含量超過總質量的50%的土[1]，具體劃分見表2。

2.1.3粉土

粉土是指粒徑大于0.075 mm的顆粒，含量不超過總質量的50%和塑性指數 Ip≤10的土。粉土具有砂土和粘性土的部分特征，根據粘粒含量又可劃分為砂質粉土和粘質粉土。

2.1.4粘性土

粘性土是指塑性指數>10的土。根據塑性指數不同，粘性土又細劃分為粉質粘土和粘土兩類，當1017時為粘土。

2.2粘性土特征

隨著含水量的不同，粘性土表現的物理狀態也將不同。當含水量大時，土呈粘滯流動的液體，即流動狀態；隨著含水量的減少，粘滯流動的特點逐漸消失表現為塑性；當含水量再次減少時，可塑性漸漸消失，從可塑狀態轉化為半固體狀態。如果在含水量減少的過程中，測土的體積發現土的體積隨著含水量的減少而收縮。但當粘土的含水量非常少的時候，土的體積隨含水量的減少的狀況用肉眼不易發現，這種狀態稱為固體狀態。

2.2.1界限含水量

粘性土的含水量從一種狀態轉變成另一種狀態的分界點稱為界限含水量[2]。流動狀態向可塑狀態轉化的界限含水量稱為液限 L；可塑狀態向半固體狀態轉化的分界含水量稱為塑限 p；半固體狀態向固體狀態轉化的分界含水量稱為縮限 s。

2.2.2塑性指數與液性指數

1、塑性指數：

可塑性具有區別粘性土和砂土的特征。通過處在塑性狀態下土的含水量變化范圍來衡量可塑性的大小，從液限到塑限含水量的變化范圍越大，土的可塑性越好。這一范圍稱塑性指數 Ip：

Ip= L—— p （2.1）

2、液性指數：

液性指數IL表現了天然和界限含水量的指標，其表達式為：

（2.2）

粘性土的狀態可按液性指數IL分為堅硬、硬塑、可塑、軟塑和流塑狀態，見表3所示。

表3粘性土狀態劃分

IL≤0 0

堅硬 硬塑 可塑 軟塑 流塑

2.3粘性土與粉質粘土的區別

（一）粉質粘土的判別方法

粉質粘土是根據GB50007-2011規范，塑性指數處于10～17之間的粘性土。在野外粉質粘土的鑒別通常用以下兩種方法

1、用手掌揉搓法：

取少量式樣，用手掌朝一個方向進行搓條，待搓成直徑為2mm的土條并產生裂紋，則可判定是粉質粘土。

2、刀切面法：

刀切粉質粘土有含砂跡象，呈暗啞不反光；而粘土的切面平整而光滑。

（二）粉質粘土物理特征

1、含水量

土的天然含水量（ω）是指原狀土中水的質量和土粒總質量的比值。通常以105～110℃的溫度下，烘至恒重失去水分的質量和干土質量之比值，常用百分數表示。含水量反映了土的狀態和性質，是計算土的孔隙比、飽和度、液性指數、干密度和地基容許承載力等的依據。土的天然含水量不僅和土的顆粒組成有關，還與土的礦物成分、深度、分布位置等因素相關。粉質粘土的顆粒組成成分除以粉粒為主外，還含有部分粘粒和微量砂粒。粉質粘土顆粒間的聯結力大于粉土而又小于粘土，其天然含水量、孔隙比也同樣依循此規律。

2、天然密度

土的密度（ρ）是指土單位體積的質量。ρ可以反映原狀土體內部結構的緊松，也是土基本物理性質的指標之一。

3、比重

比重（ds）也稱顆粒密度，是指土粒質量與在4℃時的同體積水的質量之比。比重的大小與土中所含礦物成份相關。粉質粘土的組成成分比較復雜，是多種礦物組合而成的。一般含SiO2為70%～80%、Al2O3為10%～20%，還有少量的Fe2O3、CaO、MgO等。

4、孔隙比

土中孔隙的體積和土顆粒體積的體積之比，也稱孔隙比，即：

（2.3）

孔隙比是一個重要的物理性指標之一，用小數表示。通常用來評定天然土層的密實程度，（孔隙比）e<0.6的土為密實性土，壓縮性低；e﹥1.0的土屬于疏松的高壓縮性土。

5、液限與塑限

由界限含水量，把呈可塑狀態的細粒土的上限含水量稱為液限（ωL），把呈可塑狀態的細粒土的下限含水量稱塑限（ωP）。土的可塑性指標與土的礦物成分、顆粒組成、吸附水的表面電荷強度、活動性等因素有關，因此，能夠地反映土的一些物理特性。

按照《巖土工程勘察規范》[4]要求，粘性土按塑性指數可分為粉質粘土和粘土。其塑性指數（Ip）即是液限和塑限的差值。

6、壓縮性與抗剪強度

抗剪強度和壓縮性均屬于土的力學性質范疇。其中土的壓縮性是可以反映土體荷重作用下的變形特性。土在壓力間隔Pi=100 kPa到200 kPa條件下，通過壓縮系數a1-2和壓縮模量Es1-2來判定土的壓縮性。當Es1-2越大， a1-2越小，則土的壓縮性就越低。抗剪強度是土體在抵抗剪切滑動外力下的極限強度。試驗常通過測得土在不同垂直壓力下，破壞的剪應力來確定土的凝聚力C和內摩擦角φ。

3超深基坑支護影響機理

3.1土體因素

通過大量的事故分析表明，地質土層是引發基坑支護事故的主要原因之一。由于土質條件是對支護設計結構選型的關鍵因素，所以在施工過程中應特別注意對基坑開挖范圍及基坑下部l～2倍深度的工程情況。具體情況如下：

1、在巖土中常把軟粘土簡稱為軟土，天然含水量比較高（接近或大于液限），具有高壓縮性、低強度、觸變性、流變性、低透水性等特點。在加載初期，軟土地基中孔隙水壓力通常較高，直接影響地基的沉降，導致建筑物沉降時間延長。

2、大多數河道沉積的粗粒土都為砂類土，按粒組含量的不同又分為礫砂、粗砂、中砂、細砂和粉砂。相比軟土其特點主要表現為抗剪強度和滲透性要高、但變形卻小，在基坑支護工程中極易引起坑壁、坑底冒砂涌水的流土事故。

3.2地下水的作用

在超深基坑開挖的過程中，會打破地下水原有的平衡，導致地下水流向基坑內部。尤其是基坑底和壁部露出砂層時，由于砂層具有較好的透水性，易導致地下水產生嚴重的涌水現象。如果不有效控制地下水，將會嚴重影響施工甚至無法施工。

1、在超深基坑開挖過程中，原有地下水的平衡狀態已經被打破，地下水流向基坑內部，給基坑的穩定性帶來影響。

2、地下水處理不當將會影響基坑坑壁的穩定性，特別在基坑壁或基坑底露出砂層時，由于砂的高透水性，可能會引發嚴重的地下水涌水現象。另外，當砂層中的動水壓力大于砂土本身抗滲能力時，松散的砂土會伴隨地下水一起涌入基坑內，導致流砂現象的發生。為了在超深基坑工程挖土和地下室施工時，減少水的影響，一般采用止水、排水和降水的方法來解決這類問題。

3、在雨季對深大基坑開挖時，要做好防汛搶險措施。比如：安排搶險人員，準備足夠的麻包、草袋、抽水泵等搶險的物資。確保在暴風雨來臨時，盡量堵住坑外的水。

3.3場地周邊環境

基坑支護結構選型必須考慮的因素之一就是要確保周邊建筑、道路和市政設施的安全。凡深或大的基坑施工必定打破原場地土的力系平衡，使土體產生變形，進而對周圍環境產生危害。基坑支護的另一個必須考慮的因素就是盡量減少施工給土體強度帶來的破壞，同時還應做好合理的支撐，用以防止周邊變形。因此，施工前必須對周圍建筑物和市政管線等進行詳細調查，做到心中有數，只有這樣才能采取有效的針對措施，避免事故的發生。

4總結

本文對基坑支護的影響因素進行了一個總結，得出以下幾點結論：

1、在基坑支護時，地基中的軟土，會直接影響地基的沉降，導致建筑物沉降時間的延長。

2、粗粒土相比軟土其特點主要表現為抗剪強度和滲透性要高、而變形卻小，在基坑支護工程中極易引起坑壁、坑底冒砂涌水的流土事故。

3、地下水處理不當將會影響基坑坑壁的穩定性，特別在基坑壁或基坑底露出砂層時，由于砂的高透水性，會引發嚴重的涌水現象。

4、基坑支護中應盡量減少由于施工給土體強度帶來的破壞，做好合理的支撐防止基坑四周變形。

參考文獻

[1] GB50007-2011， 建筑地基基礎設計規范[S].

[2] 龔曉南. 高等土力學[M]. 杭州：浙江大學出版社， 1996.

[3] GB50021-2009， 巖土工程勘察規范[S].

[4] 傅裕壽. 土力學與地基基礎[M]. 北京：清華大學出版社， 2009.