基坑壁后土體脫空引起的圍護結構穩定性監測與分析

楊安民，陽軍生，王俊，王樹英，張崢

（1.中南大學土木工程學院，湖南長沙410075；2.湖南磁浮交通發展股份有限公司，湖南長沙410014）

基坑壁后土體脫空引起的圍護結構穩定性監測與分析

楊安民1，陽軍生1，王俊2，王樹英1，張崢1

（1.中南大學土木工程學院，湖南長沙410075；2.湖南磁浮交通發展股份有限公司，湖南長沙410014）

長沙一房建工程基坑施工過程中圍護樁壁后出現土體脫空，對基坑穩定造成很大影響。通過現場監測與數值分析，探討了壁后土體脫空現象對圍護結構穩定性的影響。分析結果表明，發生壁后土體脫空現象后，圍護樁的變形與受力模式均發生改變，壁后土體穩定性降低，樁頂向基坑內的水平位移增加量超過50 mm，內力峰值增加85%，安全性能顯著降低。通過及時對脫空部位進行回填處理，保證了基坑穩定。

圍護結構；脫空；樁頂水平位移；內力峰值；回填

在地下水位埋深較淺的地區開挖基坑，基坑降水成為保證基坑穩定的重要工作。降低地下水位勢必引發基坑周圍土體應力場的改變，進而導致土體的變形，引起地表不均勻沉降及支護結構的側向位移［1］。因此，若降水控制不當，有可能危及基坑安全。

針對基坑降水引起的地表沉降及對于圍護結構影響的研究已經取得不少成果［2-8］。但是，作為降水不當引起的一種現象，甚少有文獻針對基坑圍護結構壁后土體流失對體系的穩定性影響進行量化分析?；涌觾冉邓螅纬傻慕邓┒肥沟盟μ荻仍黾樱纱水a生的滲透力將作為體積力作用在土體上，當滲透力作用達到一定強度，土體細顆粒易被滯流帶走或移動。如果降水過程中對土層細顆粒流失控制不當，會增加基坑壁后土體脫空的風險。

長沙一房建工程基坑施工過程中，因坑內降水引起圍護樁壁后土體流失，形成較大范圍的土體脫空現象，導致圍護結構產生了較大的變形。脫空部位回填處理后，變形則趨于穩定。本文在現場圍護結構變形監測的基礎上，進行圍護結構壁后土體脫空情況下體系的變形性狀與受力特征分析，分析結果可供工程參考。

1　工程概況

基坑平面尺寸約76.7 m×47.6 m，開挖深度約為8 m；東、南、西三面設置鉆孔灌注樁支護，樁徑800 mm、深14.2 m、間距1 400 mm，樁頂設拉梁，場地地層分布及圍護結構示意如圖1。

圖1　圍護結構示意

基坑場地內原始地形較為平坦，地層自上而下依次為雜填土、素填土、粉質黏土、圓礫、泥質粉砂巖，圍護結構持力層為圓礫及泥質粉砂巖層。粉質黏土層中細砂顆粒含量豐富，透水性較強。場地內地下水位較高，含水層主要為粉質黏土和圓礫層，施工過程中需進行坑內降水。

圍護結構施作完成后，自2015年2月7日開挖基坑內土體，3月初開挖至坑底。因施工期間降雨量較大，基坑周邊土層地下水位上升，加大了坑內降水強度。由于降水過程中粉質黏土層中的細顆粒被大量帶入基坑內導致圍護結構壁后土體流失，自3月4日起，基坑東南角鉆孔樁后下部開始出現土體脫空現象，且空洞尺寸持續增大，脫空區域沿東側、南側圍護樁樁底發展。截止3月19日，最大脫空尺寸達2 m（高）× 1 m（寬），脫空區域沿東、南側圍護樁樁底發展，長度分別約15，10 m?，F場土體脫空見圖2。

圖2　基坑底壁后土體脫空

由于基坑降水會引起圍護結構向基坑內的水平位移，施工過程中對鉆孔樁頂的橫向變形進行現場測試，測試結果見圖3。從圖中可知，隨著基坑開挖，位移量逐漸增大。3月初開挖至基坑底，位移量達到了32.2 mm；3月5日之后，位移量增加顯著，且變形速率隨脫空區域的增大而增加，截止3月19日，樁頂水平位移總量達到了89.9 mm，樁后土體脫空現象對圍護樁頂水平位移影響顯著。

圖3　樁頂水平位移時程曲線

2　基坑圍護樁壁后空洞的影響分析

為探究壁后土體脫空現象對基坑圍護結構穩定性的影響，針對現場條件采用數值方法對其進行計算，同時對比分析不出現土體脫空的情況。

2.1模型建立

采用有限元軟件ABAQUS進行二維模擬，模型尺寸取為80 m×35 m，基坑開挖深度8 m。邊界條件為：左、右側面x方向約束，底面y方向約束，上表面自由。實際工程中圍護樁為圓形截面，建模時按照剛度相等原則將其等效為0.56 m厚混凝土墻［9］。圍護樁壁后空洞最大尺寸約為2 m（高）×1 m（寬），依據現場觀察，其拱部形狀可利用普氏平衡拱（即自然拱）理論取為2/3個自然拱進行分析，空洞形狀示意如圖4。

土層及圍護結構均采用平面應變實體單元模擬，土層的判定準則采用Mohr-Coulomb屈服準則。圍護樁與土之間以接觸對（Contact Pair）形式建立接觸，樁表面為主控面，樁周土體表面為從屬面，離散方法選用面對面離散（Surface-to-Surface Discretization）［10］，樁側、樁底的摩擦系數采用加權平均等效，分別取0.578和0.795。

由于本文針對基坑開挖及圍護樁壁后土體脫空過程中的結構穩定性進行分析，不計施作鉆孔樁過程中體系的變形，因此，施工模擬過程中，施作鉆孔樁后進行樁—土體系的地應力平衡?；娱_挖分4步進行，每次開挖深度為2 m，開挖至基坑底后移除脫空區域的土體以模擬圍護樁壁后土體脫空。

2.2結果分析

2.2.1土層穩定性

土層結構的改變直接影響到基坑圍護結構的穩定性與地表建筑物的變形，故有必要對壁后土體脫空情況下土層的穩定性進行分析。2種工況下基坑周圍土層的塑性區分布見圖5，可知持力層土體未出現明顯的塑性區，土層性質維持穩定。未發生脫空現象時，塑性區僅分布于基坑底部圍護樁兩側土體中；發生脫空現象后，塑性區擴展至空洞頂部及內側土體中，分布區域大為增加，且有向地表延伸形成剪切破壞滑動面的趨勢。

圖4　土體空洞示意

圖5　基坑周圍土體塑性區分布

由2種工況下圍護樁后地表沉降計算結果可知離基坑越近，沉降量越大，沉降槽的坡度變化也越明顯。壁后土體未脫空時離基坑距離約4.5 m范圍內地表沉降量不＜5 mm時，脫空后該距離擴展至9.2 m，且最大沉降量較前者增加了78%。

由以上分析可知，發生壁后土體脫空現象后，空洞周圍土體塑性區增加，變形增大，脫空區域有進一步擴大趨勢，土層穩定性顯著降低。

2.2.2圍護樁水平變形

在側向土壓力作用下，樁體產生了一定的撓度，離樁底越遠，撓度越大。位移最大值點位于樁頂，深入持力層段樁體位移量較小。2種工況下的樁頂位移量計算結果分別為26.7，78.3 mm，與現場實測結果較為相符。與壁后土體未脫空相比，發生脫空現象后，距樁頂深度12 m以下樁段位移變化較?。?2～7 m樁段曲率增大，位移量顯著增加；7 m以上樁段曲率減小，但位移量持續增加。入土深度＜2 m時已出現樁土分離現象，這與現場觀測結果相符。計算與實測結果均表明，壁后土體脫空現象對圍護樁向基坑內的水平變形影響顯著。

從上分析可知，發生壁后土體脫空現象后，圍護樁的變形模式見圖6，表現為深入持力層段樁體變形小，持力層以上至脫空區域上部一段樁體曲率增大，變形增加，入土較淺樁段曲率減小，但撓度持續增加，甚至出現樁土分離現象。

圖6　脫空情況下樁體變形模式（單位：mm）

2.3圍護樁受力模式探討

發生壁后土體脫空現象后，土層應力重分布，圍護樁受到的土壓力也發生改變。因土層穩定性降低主要表現為脫空區域附近土體塑性區和變形的增加，持力層土體則維持穩定，故主要對脫空區域及上部樁體受到的土壓力進行分析。圖7為樁后土體水平方向的應力云圖，該方向的土體應力與樁體水平方向的受力和變形直接相關。發生土體脫空現象后，空洞上部區域土體的水平應力顯著增大。盡管土體脫空樁段未受到土壓力直接作用，但土體水平應力峰值達到了72.5 kPa，較未脫空增加了約1.6倍。遠離持力層端樁體受到的土壓力增加，使得圍護樁的受力情況更不利。

圖7　樁后土體水平應力云圖（單位：Pa）

在樁后土壓力作用下，計算得出樁后土體未脫空與脫空2種工況下的圍護樁彎矩，樁頂以下入土深度＜4 m時，后者樁體的內力值較前者?。蝗胪辽疃龋? m，盡管2種工況下內力值都隨入土深度增大而增加，但后者的增加速率遠大于前者；到達持力層時，2種工況下的樁體內力均達到峰值，但后者數值遠大于前者，且分布有明顯區別：前者呈“平峰”狀，變化梯度較小，后者呈“尖峰”狀，變化梯度大。深入持力層段樁體的內力值隨入土深度的增大而降低，但后者的數值明顯較前者大。

經以上分析可知，與壁后土體未脫空相比，發生壁后土體脫空現象后，圍護樁的內力分布、大小與規律發生了明顯改變，最大彎矩（175.9 kN·m）較未脫空時彎矩（95.1 kN·m）增加了85%，出現部位的入土深度（10.7 m）則較未脫空時深度（11.2 m）有所減小。

2.4圍護結構安全性評價

壁后土體脫空后，圍護樁中、下部樁體內力急劇增大，但剛性位移較小，主要表現為樁身曲率增大。因此，當內力峰值達到或超過極限承載力時，樁體有發生開裂甚至破壞的風險。通過計算樁體的安全系數，對壁后土體脫空情況下圍護結構的安全性進行評價。

由于本工程中圍護結構無內支撐，近似于懸臂結構，不計豎直荷載，依據《混凝土結構設計規范》（GB 50010—2010）［11］規定的受彎構件正截面承載力計算方法，可得2種工況下每延米圍護樁體截面的安全系數。安全系數最小值分別為2.01，1.08，出現部位均為彎矩峰值處?？芍l生壁后土體脫空現象后，最小安全系數較未脫空時明顯降低，已接近于1，樁體有開裂破壞的風險。

壁后土體脫空嚴重影響到圍護結構的穩定，為確保后期安全施工，需及時采取相應措施防止脫空區域進一步擴大。4月18日開始，現場對脫空區域充填混凝土，對邊坡、樁間土體進行網噴加固，并及時澆筑基坑底板。此后圍護樁各項變形速率迅速減小。

3　結論

本文針對長沙一房建工程基坑施工過程中因坑內降水引起的圍護樁壁后土體脫空進行了現場監測與數值分析，探討了壁后土體脫空現象對圍護樁影響的大小與規律，獲得了以下結論：

1）現場測試結果表明，發生壁后土體脫空現象半個月內，圍護樁頂向基坑內的橫向位移量較脫空前增加了1.79倍，且變形速率隨脫空區域的增大而增加，影響十分顯著；

2）數值分析結果表明發生壁后土體脫空現象后，壁后土體穩定性降低，脫空區域上部樁體受到的土壓力明顯增大，使得圍護結構受力更為不利，最大橫向變形與內力值較未脫空時分別增加了1.93，0.85倍；

3）鑒于壁后土體脫空對于基坑穩定性影響非常大，基坑施工過程中必須采取合理的降水措施，防止圍護結構壁后土體流失；一旦發生土體流失形成空洞，需盡快對空洞進行充填處理，保證基坑安全。

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Monitoring and Analysis of Retaining Structure Stability Caused by the Soil Void Behind Foundation Pit Wall

YANG Anmin1，YANG Junsheng1，WANG Jun2，WANG Shuying1，ZHANG Zheng1
（1.School of Civil Engineering，Central South University，Changsha Hunan 410075，China；2.Hunan Maglev Transportation Development Co.，Ltd.，Changsha Hunan 410014，China）

During the foundation pit construction of one house-building project in Changsha，there is a soil void behind the retaining pile wall，which has a great influence on the stability of foundation pit.T his paper discussed the influence of the soil void behind the wall on retaining structure stability through field monitoring and data analysis. T he results showed that the deformation and stress mode of retaining pile changed after the soil void behind the wall，soil stability behind the wall decreased.T he horizontal displacement increment of the pile top towards foundation pit was more than 50 mm，peak value of internal force increased by 85%，and safety performance significantly decreased.Backfilling the void position promptly could guarantee the stability of foundation pit.

Retaining structure；Void；Horizontal displacement of the pile top；Peak value of internal force；Backfill

U417.1+1

ADOI：10.3969/j.issn.1003-1995.2016.09.27

1003-1995（2016）09-0108-04

（責任審編趙其文）

2016-03-12；

2016-06-30

楊安民（1989—），男，碩士研究生。