軟土地區(qū)深基坑施工監(jiān)測與變形特性的時空效應(yīng)分析

奚家米， 尉 陽

(西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院， 西安 710054)

基坑工程是由土體及支護結(jié)構(gòu)組成的空間三維結(jié)構(gòu)，由基坑開挖導(dǎo)致的作用在支護結(jié)構(gòu)上土壓力的改變及圍護結(jié)構(gòu)的變形不僅與基坑的平面尺寸、開挖深度及施工時的開挖方式有關(guān)，還與支護結(jié)構(gòu)(內(nèi)支撐)的空間布置及數(shù)量有關(guān)，呈現(xiàn)出明顯的空間效應(yīng)。不僅如此，對于軟土地區(qū)的基坑開挖，研究發(fā)現(xiàn)，由于軟黏土在受到一定荷載作用下表現(xiàn)出的應(yīng)變隨時間增長而不斷變化的蠕變特性，致使基坑的變形與時間關(guān)系呈現(xiàn)一定的正向相關(guān)性，也即時間效應(yīng)。針對目前基坑工程變形、穩(wěn)定及相關(guān)方面存在的問題[1-2]，中外許多學(xué)者基于基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)展開了大量的研究，并取得了一些成果[3-8]。這些研究大多是采用實測分析與數(shù)值模擬手段來反映基坑開挖對圍護結(jié)構(gòu)及周圍環(huán)境的影響，沒有從時空效應(yīng)角度對基坑的穩(wěn)定性做出動態(tài)響應(yīng)評價。

基于此，以上海陶家宅塊地基坑工程為研究背景，介紹了其工程概況及監(jiān)測項目，對基坑的周邊地表沉降、坑外潛水位變化、內(nèi)支撐軸力及圍護結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移等實測數(shù)據(jù)進行分析，歸納并總結(jié)了以上監(jiān)測項目隨基坑開挖的變形規(guī)律，并對能夠反映出基坑開挖對周圍環(huán)境、建筑物造成顯著影響的地表沉降及支護結(jié)構(gòu)深層水平位移提出了較為合理的解析解預(yù)測公式，以期采用實時監(jiān)測加合理的預(yù)測手段達到對基坑變形安全控制的目的。

1 工程概況

該項目位于上海市浦東新區(qū)，北邊和西邊分別為昌邑路、福山路，西邊和如家酒店毗鄰，總建筑面積約為38 952.9 m2，基坑面積為7 784.3 m2，形狀呈不規(guī)則四邊形，由E02-5商業(yè)金融用地和E02-6三類住宅用地組成，地下2層，地上1、5、14、19層，開挖深度10.5～13 m。

1.1 工程地質(zhì)概況

本工程場地屬濱海地貌類型，地面標高通常介于2.81～4.34 m,地勢較平坦，上部主要為雜填土，含較多建筑垃圾，下部的素填土以黏性土為主，結(jié)構(gòu)松散。不同巖土層物理力學(xué)參數(shù)取值見表1。

表1 土層分布情況及性質(zhì)Table 1 Distribution and properties of soil layers

1.2 基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

本基坑?xùn)|、南、北三側(cè)采用型鋼水泥攪拌墻+二道鋼筋混凝土內(nèi)支撐的支護形式；西側(cè)、北側(cè)局部落深坑區(qū)域圍護采用鉆孔灌注樁(20 m)+三軸水泥土攪拌樁止水+二道鋼筋砼內(nèi)支撐。兩道支撐截面分別為900 mm×800 mm、1 200 mm×800 mm；圍檁中心標高分別為-1.9、-7.4 m，支撐形式為對撐+角撐+邊桁架。臨時鋼立柱采用4 L160 mm×16 mm角格構(gòu)柱，立柱樁共計110根，支撐砼設(shè)計強度C30。

1.3 基坑施工工況

根據(jù)本工程的施工組織設(shè)計和總施工進度計劃，將施工方案定為三大工況，工況1為樁基、圍護結(jié)構(gòu)施工段，時間為2016-05-07—2016-09-14；工況2為基坑開挖至基底到底板澆筑完成階段，時間為2016-09-15—2016-11-09；其中加第一道支撐為2016-09-16，加第二道支撐為2016-10-03；底板澆筑完成為2016-11-09；工況3為支撐拆除至頂板施作；其中第一道支撐拆除完成為2016-12-22、頂板基本施工至±0.00階段為2017-01-24。

2 監(jiān)測方案

本工程開挖土方量大，開挖深度深，土質(zhì)較差，且基坑周圍道路埋設(shè)市政管線較多，對變形控制的要求較高。因此，監(jiān)測工作必須嚴格按變形控制要求[9]進行設(shè)計和實施。監(jiān)測時間為2016-05-07—2017-02-07，與基坑施工保持同步。周邊道路地表剖面變形監(jiān)測共計布設(shè)25個測點，編號：B1-i～B5-i；圍護樁側(cè)向位移布設(shè)編號為PO1～PO8共計8孔監(jiān)測；坑外潛水水位布設(shè)編號為SW1～SW6共計6孔監(jiān)測；兩道支撐軸力監(jiān)測共計布設(shè)8組測點，編號：ZL1-i～ZL2-i；監(jiān)測點平面布置圖分別見圖1、圖2所示。

圖1 地表沉降監(jiān)測點平面布置Fig.1 Monitoring point layout of surface settlement

圖2 基坑環(huán)境監(jiān)測點平面布置Fig.2 Foundation pit environment monitoringpoint layout plan

3 監(jiān)測結(jié)果分析

3.1 地表沉降

根據(jù)本工程基坑南側(cè)周邊環(huán)境復(fù)雜，地下市政管線多，對變形控制要求較高的特點，選取B1、B2、B3三組地表剖面共75個監(jiān)測點進行沉降分析。由圖3可看出，圍護墻后地表土層的垂直位移在x軸方向上分布形式近似呈拋物線，圖3(a)～圖3(c)具有類似的規(guī)律，從中可以看出，三個地表剖面最大沉降分別為12.58、12.14、10.30 mm，均小于報警值25 mm的控制標準，符合文獻[10]中上海軟土地區(qū)地表沉降最大值處于0.001～0.008倍的基坑開挖深度之間的結(jié)論，且距坑邊的距離約等于基坑挖深，從最大沉降位置處到約2倍基坑開挖深度距離范圍內(nèi)的沉降監(jiān)測點垂直位移不斷減小，可見地表沉降量具有明顯的空間效應(yīng)，其次，在2016-10-03—2016-11-09日即基坑開挖至底板還未澆筑完成階段，地表沉降量呈現(xiàn)較為顯著的增長，究其原因在于在軟土地區(qū)基坑開挖時，朗肯主動狀態(tài)區(qū)土體受到擾動，塑性區(qū)滑動面不斷加大，圍護樁外側(cè)土體向坑內(nèi)發(fā)生塑性流動，從而表現(xiàn)出地表沉降現(xiàn)象。

圖3 坑周地層沉降曲線Fig.3 Settlement curve of surrounding pit

圖4 地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)無量綱處理Fig.4 Non-dimensional processing of surfacesettlement monitoring data

圖4給出了地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)無量綱處理后的散點圖分布情況，d/H表示地表剖面沉降監(jiān)測點和坑邊之間的距離與基坑開挖深度之比；δv/H表示相應(yīng)的地表監(jiān)測點沉降與基坑開挖深度的比值。圖4中的三條折線段為根據(jù)本工程實測的地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)所繪制的沉降包絡(luò)線，其分段函數(shù)如式(1)所示，由圖4可知，圍護樁后最大的地表沉降距坑邊的距離約等于基坑挖深，受開挖影響的地表沉降主要在2倍基坑開挖深度范圍內(nèi)，且總的影響范圍為包絡(luò)線以內(nèi)4H范圍，該包絡(luò)線可預(yù)測上海軟土地區(qū)由于基坑開挖引起的坑周最大地表沉降，以正確指導(dǎo)挖土支撐，減少對周圍環(huán)境和建筑物的不利影響。

(1)

3.2 坑外潛水位

分別選取位于地表剖面B3、B2位置處的SW4及SW5坑外潛水位監(jiān)測點在關(guān)鍵時間節(jié)點的變化量進行分析，從圖5可以看出，坑外潛水水位變化幅度較大主要集中在基坑開挖期間，開挖期間隨著基坑逐漸開挖至基底，水位逐漸呈下降趨勢。其中測點SW4的最大累計變化量為-1.135 m，測點SW5的最大累計變化量為-0.73 m，坑外潛水位的下降會使土中附加應(yīng)力增大，從而加劇坑周地表的沉降，SW4測點水位的下降也是造成B3地表剖面在基坑開挖階段沉降加大的另一原因，隨著底板澆筑完成后，水位的變化逐漸趨緩，且最終趨于穩(wěn)定。基坑外潛水水位的變化可以在一定程度上反映該處止水帷幕的施工質(zhì)量，所以在施工中應(yīng)密切關(guān)注地下水位的變化并進行嚴格監(jiān)測，控制其下降幅度不能過大，以免造成基坑周邊的水土流失。當發(fā)生水位下降較大引起地表面沉降時可適當采取人工回灌的方式進行地下水的補給。

圖5 坑外潛水位變化曲線Fig.5 Change curve of water level outside pit

3.3 支撐軸力

圖6 支撐軸力Fig.6 Support axial force

選取兩道支撐的8組鋼筋應(yīng)力計測點進行軸力變化分析，見圖6所示。從圖6(a)中可以看出在10月20日之前也即土方開挖期間，第一道支撐軸力增幅較大，隨著底板澆筑完成并發(fā)揮作用后，支撐軸力的增幅逐漸趨于平緩，其中ZL1-3測點的支撐軸力累計變化量最大為2 497 kN小于設(shè)計值6 000 kN。從圖6(b)中可以看出第二道支撐軸力增幅最大出現(xiàn)在該道支撐施工完成到下一次挖土這一時期，至墊層施工及底板澆筑完成后軸力大小趨于穩(wěn)定。隨著二道支撐拆除完成，監(jiān)測工作結(jié)束，各測點累計最大變化量為3 500 kN(ZL2-3測點)，小于設(shè)計值8 000 kN,均在安全范圍內(nèi)，表明支撐設(shè)計安全合理。兩道支撐軸力監(jiān)測最大值都出現(xiàn)在基坑中部位置附近，位于坑角位置處的軸力最小，說明軟土地區(qū)基坑的“坑角效應(yīng)”作用較顯著，在一定程度上削弱了坑角處作用在內(nèi)支撐上的土壓力大小。因此在基坑工程中內(nèi)支撐的設(shè)計及施工應(yīng)充分遵循時空效應(yīng)，開挖至基底后及時澆筑底板并減少基坑暴露的時間，位于坑角位置處的內(nèi)支撐可適當減弱其結(jié)構(gòu)強度以節(jié)省工程造價。

3.4 圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向位移

本工程圍護結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁支護形式，其本身側(cè)向位移能夠反映圍護結(jié)構(gòu)的變形情況，也能直觀地反映出基坑的安全狀況，對鉆孔灌注樁水平位移的監(jiān)測是本次所有監(jiān)測項目的重點。結(jié)合本工程施工特點，選取位于坑角位置處的PO4測斜孔和位于基坑中部位置處的PO8測斜孔在基坑開挖完成、底板澆筑完成、支撐拆除完成和頂板澆筑完成至±0.00四種工況下對圍護結(jié)構(gòu)水平位移進行分析，見圖7。

圖7 圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向位移曲線Fig.7 Lateral displacement curve of the envelope structure

由圖7可以看出不同位置處的測斜孔所測圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向位移隨開挖深度的增加均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，水平位移都為正即側(cè)向變形都朝基坑內(nèi)發(fā)展，且曲線特征呈“鼓脹”型分布，說明在基坑開挖過程中，圍護結(jié)構(gòu)頂部接近冠梁處和底端嵌固處水平位移較小，樁體中間部位水平位移較大，PO4、PO8測斜孔在底板澆筑完成時測得的圍護結(jié)構(gòu)最大水平位移分別為31.3、24.1 mm，位于基坑開挖面以上，自然地面以下8.5、8 m深度處，為基坑開挖深度的0.73～0.82倍，此最大水平位移位置符合文獻[11]及文獻[12]中圍護結(jié)構(gòu)深層最大水平位移位置約為支護樁長的2/5深度處的結(jié)論。

值得一提的是，在基坑開挖完成至底板澆筑完成階段，地基的應(yīng)力狀態(tài)基本未發(fā)生變化，位于開挖面處的圍護結(jié)構(gòu)水平位移卻出現(xiàn)顯著增長，其增量分別為6、5 mm，約占總水平位移量的20%、22%，分析認為在基坑開挖至基底時，處于開挖面的土層為夾層褐黃色黏質(zhì)粉土，該層土滲透性大，具有顯著的蠕變特性，在開挖過程中由于水頭差作用易產(chǎn)生流砂管涌現(xiàn)象，因此土體的蠕變是造成圍護結(jié)構(gòu)水平位移在這一時期顯著增大的原因。在底板澆筑完成至支撐拆除完成這一階段圍護結(jié)構(gòu)水平位移也有一定程度的發(fā)展，但變形都在合理的預(yù)警范圍內(nèi)，支撐拆除期間圍護結(jié)構(gòu)水平位移較大的測斜孔位置深度均集中在圍護樁長0～5 m位置。可見圍護樁的深層水平位移不僅與基坑開挖深度、樁長、支撐的架設(shè)有關(guān)，還與軟土蠕變的時間效應(yīng)有關(guān)，故在上海軟土地區(qū)基坑施工時應(yīng)密切關(guān)注時空效應(yīng)給基坑的安全性帶來的影響。

圍護結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移不僅反映了基坑支護結(jié)構(gòu)的安全及穩(wěn)定性，而且可以在此基礎(chǔ)上推算出基坑開挖過程中作用在圍護結(jié)構(gòu)上的土壓力和彎矩大小，從而可以在一定程度上對基坑的后續(xù)施工和設(shè)計提出建設(shè)性的建議。因此，結(jié)合不同方位的測斜孔實際水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用工程上常用的線性及指數(shù)型兩種預(yù)測模型，對基坑坑角、基坑中部位置處的圍護結(jié)構(gòu)變形做出合理的預(yù)測，其擬合效果見圖8所示，并以相關(guān)系數(shù)R的大小來衡量擬合效果的優(yōu)異性，以此來作為預(yù)測結(jié)果差異的判定標準，預(yù)測公式如表2所示。

圖8 不同位置處圍護結(jié)構(gòu)水平位移擬合Fig.8 Horizontal displacement fit of theenvelope at different locations

表2 圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向位移預(yù)測公式Table 2 Prediction formula for lateraldisplacement of retaining structure

注：x表示基坑開挖深度，m；y表示圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向位移，mm。

從表2可以看出，對于基坑不同位置處的圍護結(jié)構(gòu)水平位移的預(yù)測采用指數(shù)型函數(shù)模型較線性函數(shù)模型的相關(guān)系數(shù)R更接近于1，表示擬合數(shù)據(jù)的相關(guān)度更高，更具正相關(guān)性，所以采用指數(shù)函數(shù)模型能夠起到較好的預(yù)測功能，相應(yīng)的擬合公式可以用于指導(dǎo)基坑的現(xiàn)場工作，做到信息化施工。`

4 結(jié)論

(1)最大地表沉降量位于距基坑邊約1倍基坑開挖深度處，且在1～2倍基坑開挖深度距離范圍內(nèi)呈現(xiàn)減小的變化趨勢，總的影響范圍為4H，采用分段函數(shù)表達的沉降包絡(luò)線可作為預(yù)測地表沉降的有效手段。

(2)坑外潛水水位的下降會使土中附加應(yīng)力增加，從而加劇地表沉降，施工中應(yīng)密切關(guān)注坑外潛水位的高度，當發(fā)生水位下降過大時可適當采取人工回灌方式進行地下水補給。

(3)支撐軸力在基坑開挖階段增速較大，在底板澆筑完成后逐漸趨于平穩(wěn)，位于坑角處的支撐軸力小于位于基坑中部位置的支撐軸力，“坑角效應(yīng)”顯著，在進行內(nèi)支撐設(shè)計時可適當減弱坑角處支撐的結(jié)構(gòu)強度以節(jié)省工程造價。

(4)圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向位移隨基坑開挖深度的增加表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢，當基坑開挖深度約占圍護樁長的1/2時，側(cè)向位移最大位置出現(xiàn)在開挖面附近，為開挖深度的0.73～0.82倍；采用指數(shù)型函數(shù)模型能夠?qū)Σ煌恢锰幍膰o結(jié)構(gòu)側(cè)向位移起到較好的預(yù)測作用。

(5)上海軟土地區(qū)土體流變效應(yīng)顯著，基坑施工應(yīng)按“先撐后挖”的施作方式，開挖至基坑底面后及時澆筑底板，并減小基坑的暴露時間，充分遵循時空效應(yīng)理論科學(xué)指導(dǎo)挖土支撐，結(jié)合有效的預(yù)測手段對基坑的變形進行動態(tài)控制，做到信息化施工。