軟土基坑施工優化離心模型試驗

崔紀飛 馬際首 李鏡培，* 陳 琳 王 成

（1.同濟大學巖土及地下工程教育部重點試驗室，上海200092；2.同濟大學地下建筑與工程系，上海200092；3.上海南匯建工建設（集團）有限公司，上海201399）

0 引 言

近年來各大城市建設項目的數量和規模迅速增大，涌現出了諸如高層建筑地下室、地鐵及地下車站、地下商場、地下變電站、地下民防工事等大量技術復雜的基坑工程項目［1］。同時，城市建設用地日益緊張，越來越多的深基坑在城市建筑密集區內施工，且大多鄰近已有建筑物、地下管線、地下隧道等，深基坑施工必然會對周圍既有建（構）筑物的受力和變形產生不利影響。特別是對于軟土地層中的深基坑，一方面由于軟土地層強度低、地下水位高、土壓力分布復雜和承壓水廣泛分布等特點，使得深基坑施工面臨土體滑移、基坑失穩、樁體變位、坑底隆起等難題；另一方面，繁華市區基坑工程處于建筑物、重要地下構筑物和生命線工程密集地區，基坑開挖卸荷和降水引起的土體位移不可避免地對既有建筑物和地下管線產生影響，嚴重時會由于變形過大發生基坑坍塌事故，影響周圍建筑物的安全和正常使用，導致巨大的經濟損失和惡劣的社會影響。在軟土地層復雜環境條件下進行深大基坑施工時，現有常規基坑施工技術己經難以滿足嚴格的環境要求，基坑施工將面臨復雜技術難題和施工風險的挑戰［2-4］。因此，如何通過施工優化機制有效地控制基坑施工過程中圍護結構及鄰近建（構）筑物及地下管線的變形，在施工全過程中準確合理地預測和控制基坑施工對周邊環境的影響，提出軟土地層復雜環境下基坑施工優化技術成為當前基坑工程的關鍵問題。

國內外學者從理論分析［5-6］、現場監測［7-8］、數值模擬［9-10］和室內試驗［11-13］等多種研究手段出發，對基坑施工優化技術進行了大量的研究。肖武權等［14］運用多目標決策模糊集理論和層次分析法對深基坑支護方案和所選支護類型細部結構的設計計算兩個方面的優化進行了探討。丁偉祥［15］分析了天津濱海地區軟塑地質條件下的若干不同類型深基坑支護工程的施工過程控制措施及實施效果，探索了該地區在不同基坑大小、深度、不同周邊環境等條件下基坑支護形式的選擇。唐長東［16］對鄰近地鐵劃分獨立分坑先后施工對地鐵的影響進行分析，同時通過對分坑分區施工與整體施工分析，得出分區分坑施工與整體施工相比，對鄰近地鐵的影響降低30%。從以上分析可以看出，不同施工工藝對基坑圍護結構變形及周圍環境有較大影響，因此研究不同施工工藝的影響可為優化基坑設計方案，減小基坑開挖對周圍環境影響提供重要的參考。

但是理論研究由于土體復雜的本構關系以及基坑工程本身的復雜性，難以從機理上對圍護結構和土層變形做出解釋；現場監測僅能得到某一開挖方式的數據，難以對比不同開挖分區方式的變形特點。數值模擬也由于土體參數設置以及接觸和大變形問題，常造成收斂困難甚至計算結果失真。而土工離心模型試驗通過使模型承受大于重力加速度的離心加速度作用，可以在模型中模擬和原型中相同的應力水平來研究原型的性狀，同時通過變換基坑模型可以模擬同一基坑的不同分區開挖形式。本文以上海五坊園三期基坑工程為依托，開展了兩組不同開挖分區的基坑離心模型試驗，測定了相應開挖卸荷方式對應的基坑圍護結構的變形規律，對比分析了不同分區開挖方法對基坑圍護結構及周邊地層變形的影響規律。本文試驗結果對于所依托項目的施工優化起到了重要的指導作用，保證了基坑自身和鄰近建（構）筑物及地下管線的安全，提高了工作效率，節約了施工工期和返工材料，減少了地基處理等費用；同時，研究成果可為上海及長三角地區的深基坑工程的優化設計和施工提供有效的技術指導及參考。

1 工程背景

1.1 工程概況

五坊園三期項目位于上海黃浦區，地塊被東側河南南路、南側陸家浜路、西側迎勛路及北側江陰街環繞而成。本工程1 號樓和2 號樓為住宅；3號樓和4 號樓為配套商業+住宅；5 號樓為三層商業樓；6號樓為變電站；7號樓為門衛；地下車庫為地下兩層，建筑面積78 225 m2。基坑開挖面積約12 000 m2，基坑周長約458 m，采用0.8 m厚和0.6 m厚的地下連續墻圍護結構，內部采用兩道混凝土支撐，結合一道支撐布置施工棧橋和挖土平臺，基坑開挖深度9.2～9.65 m，挖土量約為11 萬m2。該基坑采用明挖順作法施工。為減小基坑開挖卸荷對周圍建構筑物的影響，施工采用分區施工方案，將基坑劃分為一大二小三個施工區域，先施工面積最大的A 區，待A 區結構出±0.00 后再施工B區，待 B 區結構出±0.00 m 后再施工 C 區。其中，A區基坑面積9 140 m2，開挖深度9.2～9.65 m；B區基坑面積1 466 m2，開挖深度約9.2～9.35 m，C區基坑面積1 425 m2，開挖深度9.2～9.65 m。基坑平面及開挖分區如圖1所示。

1.2 場地工程地質概況

擬建場地原有建筑大部分已拆除，場地地勢在陸家浜后街北側略有一定起伏，在陸家浜后街南側地勢平坦，場地標高為3.42～3.79 m。經勘察，擬建場地位于正常地層分布和古河道地層分布交界沉積區，地基土分布有一定變化，古河道區域第⑥層硬土層缺失，第⑦層埋深較大。自地表以下95.49 m 深度范圍內主要由飽和黏性土、粉性土、砂土等組成，按其沉積時代、成因類型及其物理力學性質的差異可劃分為9 個主要層次，同時根據其土性及成因的不同，第①層可劃分為2個亞層，第⑤層可分為3 個亞層，第⑦、⑨層可分別劃分為2個亞層，而第⑦2層又可劃分出2個次亞層。基坑場地土層物理力學性質參數如表1所示。

圖1 基坑平面及開挖分區Fig.1 Foundation pit plane and excavation subarea

表1 場地土層物理力學性質Table 1 Soil parameters

2 試驗設計

2.1 試驗設備及試驗比尺確定

本次試驗采用同濟大學TLJ-150 復合型巖土離心試驗機。該機有效轉臂半徑3 m，最大離心加速度200 g，最大容重150 gt。本次試驗用模型箱為鋁合金材料，長×寬×高為900 mm×700 mm×700 mm，其正前方為一整體有機玻璃板，便于觀察土體的位移。

由于五坊園三期基坑工程開挖范圍長×寬×深為120 m×100 m×10 m，在n=100 的模型比尺下離心模型對應的開挖范圍長×寬×深為1.2 m×1.0 m×0.1 m。然而，由于模型箱的容積長×寬×深為0.9 m×0.7 m×0.7 m，同時考慮到本次試驗的研究重點為不同開挖卸荷順序及卸荷范圍對應的施工擾動規律，故考慮邊界效應后確定本試驗模型選取比尺n=100，開挖范圍選取長×寬×深為0.3 m×0.25 m×0.1 m。

2.2 試驗工況

本次進行了兩組離心模型試驗，其中第1 組試驗與五坊園基坑工程的開挖分區及開挖順序完全一致，用于五坊園基坑工程現場測試數據進行對比驗證，同時亦可預測五坊園基坑工程不同區域開挖過程中周邊地層及鄰近隧道結構的變形規律，以指導五坊園基坑工程施工及確保周邊建構筑物的安全。第2 組試驗為與五坊園基坑工程不同開挖分區的平行試驗，各試驗工況具體的開挖方案如下:

工況一:基于五坊園三期基坑工程實際對應的開挖順序，如圖2 所示，在離心模型試驗過程中對應的開挖順序為:A 區→B 區→C 區。由于在實際工程中各區在開挖過程中采用分層開挖方式，故離心模型試驗過程中亦采用分層開挖，各區每層開挖厚度分別為:第一層20 mm→第二層45 mm→第三層35 mm，分別對應于實際工程中第一層2 m→第二層4.5 m→第三層3.5 m。

圖2 工況一開挖分區示意圖（單位:mm）Fig.2 Excavation subarea of working condition 1（Unit:mm）

工況二:為研究不同分區開挖對周邊地層及基坑支護結構的影響規律，此工況對應的開挖分區如圖3 所示，開挖順序仍為:A 區→B 區→C 區。在實際試驗過程中，各區域仍采用分層開挖方式進行卸荷，其每次開挖厚度與工況一相同。

圖3 工況二開挖分區示意圖（單位:mm）Fig.3 Excavation subarea of working condition 2（Unit:mm）

2.3 圍護結構和支撐尺寸計算

在本試驗中，采用原型材料對單根1 200 mm×900 mm 的鋼筋混凝土支撐進行模擬，需要制作尺寸為12 mm×9 mm 的鋼筋混凝土支撐，配置鋼筋及混凝土制作均不具備條件，同時基坑圍護結構模擬也不可能應用原型材料。因此，本試驗采用鋁合金材料對圍護結構和支撐進行模擬。由于地下連續墻主要作為抗彎結構，要保證模型和原型的工作狀態一致，應當使兩者抗彎剛度相似。對于鋼筋混凝土支撐應當采用抗壓剛度相似的原理計算。

對于基坑圍護結構，根據材料的抗彎剛度相似，且忽略剪切變形的影響，可得模型材料與原型材料抗彎剛度應滿足如下關系:

式中:m1為與原形相同的模型材料，vm1=vp，Em1=為模型的替代材料。

進而可計算得到替代材料板的厚度為

對于支撐構件，采用鋁合金管來制作。根據材料的抗壓剛度相似，有類似推導:

其中，構件截面積A的計算公式由具體截面形式確定。

綜上，本次離心模型試驗圍護結構及支撐制作的具體幾何參數見表2。

表2 基坑模型幾何物理參數表Table 2 Geometric and physical parameters of foundation pit model

2.4 試驗數據采集測點布置

在本試驗中，對于模型上表面沉降的測量，采用激光位移計進行測量。制作固定在模型箱上壁的支架，支架可以通過螺紋調節長短，將傳感器固定在支架上。對于基坑圍護結構內力和變形的測量采用應變片測量出基坑支護模型內外表面的變形，通過公式計算得到。沉降測點位置布設如圖4所示，應變片的布設如圖5所示。

圖4 試驗測點布置（單位:mm）Fig.4 Layout test measuring points（Unit:mm）

圖5 應變片布置（單位:mm）Fig.5 Layout of strain gauge（Unit:mm）

3 試驗過程

3.1 土體制備

考慮到現場土層分布較為復雜，且本次試驗主要研究基坑開挖分區對圍護結構變形及周邊地層的影響規律，本次離心模型試驗從現場獲取第⑤層粉質黏土，考慮到開采過程中影響了土體的原位物理力學性質，試驗前對從現場獲取土樣進行脫水處理并粉碎，按照現場含水率人工配置同樣的水量，置入真空攪拌機中在真空環境下攪拌均勻，并在100 g離心加速度下將其充分固結恢復其原始狀態下的物理力學特性。

3.2 基坑開挖

當土樣在離心機上經過充分固結后，將粘貼好應變片并安裝了土壓計、孔壓計的基坑圍護結構安裝至相應位置，壓入立柱樁，根據測點布置方案，安裝激光位移計，并將測量元件的信號線連接至數據采集系統，用綁扎帶固定。開啟離心機運行30 min，使圍護結構與土體充分接觸，并檢查各個數據通道信號是否正常。

隨后，抽取擋板外水箱中的水位至第一層開挖深度以下2 cm，對應實際深度2 m，并啟動離心機運行一段時間直至孔壓示數穩定，模擬基坑開挖前降水過程；手動開挖A區第一層土體后，將支撐安裝至基坑內部，旋緊固定螺絲，將支撐軸力測試信號線接入數據采集系統。啟動離心機加速至100 g，維持5 min，由離心機固結時間相似原理可知，模型試驗時間是原型的n2倍。模擬實際施工時間35 天，并采集數據。進行第二次降水、A 區第二層土體開挖及支撐安裝、第三次降水、A 區第三層土體開挖，B 區第一、二、三層土體開挖、C 區第一、二、三層土體開挖。

工況二試驗過程與上述工況一試驗過程類似，不再詳述。各開挖步驟定義如表3所示。圖6所示為代表性開挖步試驗現場圖。

表3 開挖步定義Table 3 Definition of excavation steps

圖6 B區土體開挖Fig.6 Excavation in B district

4 試驗結果分析

在試驗結果整理和分析過程中，已運用相似比將相關物理量換算為原型數值，因此在下述分析中的數值均為原型數值。

4.1 土體性質測試

試驗結束后，測試土體含水率，如表4所示。

表4 土體含水率試驗結果Table 4 Test results of soil moisture content

基坑開挖完成后，在模型箱上安裝電機，利用試驗平臺配套的靜力觸探（CPT）設備，進行測試，得到CPT試驗數據。通過理論或經驗公式可以確定黏性土不排水抗剪強度。在飽和軟黏土中，土體處于不排水條件，其不排水抗剪強度可以通過下式計算［17］:

式中，Ps靜力觸探測試得到的樁端阻力。

運用靜力觸探結果，通過公式計算得出的土體不排水抗剪強度如圖7所示。

4.2 地下連續墻彎矩

圖7 CPT試驗結果Fig.7 CPT results

圖8 給出了兩種工況下測點處地下連續墻彎矩隨深度變化的情況，在地下連續墻彎矩測試斷面，定義向基坑內側彎曲時彎矩為正，反之為負。

從圖8 中可以看出，對于兩種不同的工況，在剛開始開挖土體時地下連續墻的彎矩均比較小。隨著開挖深度的增加以及支撐的施加，彎矩最大值逐漸增大，且彎矩最大值發生的位置也在不斷下移。

圖8 地下連續墻彎矩沿深度分布Fig.8 Moment along depth of diaphragm wall

對比兩種工況，可以發現兩種工況的彎矩模式有較大差別，工況一由于有兩道支撐的作用，表現為地下連續墻上部為正向彎矩，即地下連續墻上部向內側彎曲；工況二由于在測點位置沒有水平支撐，表現為地下連續墻上部主要為負向彎矩。同時，對比地下連續墻彎矩絕對值，可以發現工況二測點處彎矩絕對值明顯小于工況一測點處彎矩值絕對值。這表明工況二測點處地下連續墻的彎曲程度小于工況一的彎曲程度。對比工況一和工況二的基坑支護情況，可以發現這主要是由于工況一的測點位于地下連續墻中部，而工況二的測點位于中間隔墻附近，受到中間隔墻的約束作用明顯。這同時也表明基坑分區開挖可以有效地減小地下連續墻的彎矩和側向彎曲。

4.3 地下連續側向位移

由彈性地基梁受力分析理論可知，圍護墻彎矩和撓度之間存在如式（4）關系:

根據彎矩實測值可以擬合出各個工況墻體彎矩表達式，對彎矩曲線做兩次積分，并將地下連續墻底端位移和轉角為0 作為邊界條件，即可計算得出墻體位移變化曲線如圖9所示。

圖9 給出了兩種工況下測點處地下連續墻位移隨深度變化的情況，在地下連續墻位移測試斷面，定義向基坑內側彎曲為正，反之為負。圖9（a）和（b）均顯示在A 區土體開挖的過程中，隨著開挖深度的增加，地下連續墻的側向位移不斷增大，在A區土體開挖完成后，由于試驗中未施加底板，后續開挖B 區和C 區土體過程中，地下連續墻位移仍有一定發展，這反映了地下連續墻變形的時間效應以及B 區和C 區土體開挖卸荷對測點處地下連續墻變形的影響。現場實測數據顯示，在A 區開挖第一、二、三層土體后，地下連續墻最大位移分別達到14.79 mm，28.05 mm，42.16 mm，地下連續墻的側向位移不斷增大，變化規律與模型試驗結果一致。需要指出的是，由于離心機模型箱尺寸的限制和試驗邊界條件的要求，對基坑開挖面積進行了按比例縮減，并在試驗模型制作時對支撐結構進行了簡化。因此，對比分析結果顯示，模型試驗與實測數據在變化規律上保持了較好的一致性，但在數值大小上兩者存在一些差異。

圖9 地下連續墻側向位移Fig.9 Lateral displacement along depth of diaphragm wall

對比分析圖9（a）和（b），可以發現工況一與工況二的地下連續墻變形模式有較大區別。首先從地下連續墻位移最大值來看，在A區土體開挖完成時，工況一地下連續墻位移最大值為71.6 mm，工況二地下連續墻位移最大值為52.7 mm，比工況一減少了26.4%。分析原因一方面是由于工況一開挖土體面積較大，卸荷相對于工況二要大；另一方面是由于工況二在基坑內部設置了分隔墻體，其剛度較大，限制了圍護墻體位移。其次從地下連續墻水平位移沿深度變化趨勢來看，工況一水平位移沿深度為先變大再減小的變化規律，呈現紡錘狀形態，而工況二這表現為頂部最大、沿深度逐漸減小的趨勢。對比兩種試驗工況，其原因可能為在試驗中工況一設置了兩道水平支撐，而工況二由于設置了分隔墻體，在垂直于測點所在地墻方向上未設置水平支撐。最后分析B 區及C區土體開挖對測點處地下連續墻變形的影響，由圖9 可以看出工況一開挖B 區和C 區土體對測點處地下連續墻的位移明顯小于工況二開挖B區和C 區土體對測點處地下連續墻位移的影響，主要體現在工況二在開挖B 區和C 區土體的過程中，測點處地下連續墻位移仍有較大的發展，位移最大值從52.7 mm 發展到87.8 mm，這主要是由于工況二與工況一相比，B 區和C 區土體開挖卸荷仍較大，且A 區在測點所在的地下連續墻上無兩道支撐導致的。

由以上分析可以看出，基坑內中間隔墻由于剛度較大可以很好地限制地下連續墻的變形。同時，水平支撐的存在可以有效地改變地下連續墻的位移模式以及開挖完成后的地下連續墻的后續變形。因此建議在工程造價合理的前提下，對于大面積開挖的深基坑，設置中間隔墻進行分區開挖，可有效減小圍護結構及周圍地層的變形。對于基坑緊鄰建（筑）的一側，增加與地下連續墻垂直方向的中間隔墻，可以有效限制基坑圍護結構和墻后地層的變形。

4.4 地下連續墻墻后地表沉降

圖10 給出了兩種工況下測點處A 區開挖過程中地下連續墻后地表沉降情況。

圖10 A區開挖過程中墻后地表沉降Fig.10 Ground settlement during excavation in district A

分析圖10可以發現工況一和工況二的地面沉降均隨基坑開挖深度的增加而增加，工況一的沉降最大值達到73 mm，工況二的沉降值達到65 mm。由于激光位移計安裝位置的限制，靠近地下連續墻處未布置激光位移計，但從圖10 沉降的變化趨勢可以看出工況一和工況二的墻后地表沉降均呈現槽型分布。在距離基坑邊緣一定距離達到最大值。

對比工況一和工況二可以發現，工況一的最大沉降值大于工況二的最大沉降值，同時也表明工況二很好地限制了離基坑位置較遠處的地表沉降。

圖11 所示為基坑開挖全過程中墻后地表沉降曲線，可以看出在不論工況一或是工況二開挖B 區和C 區過程中，墻后地表沉降都有較大發展。這主要是在試驗過程中未對基坑底部施加底板的原因。同時，由于試驗土層是通過固結而成，上述結果受固結的影響，且試驗中沒有對地表采取任何加固措施，實際沉降值應小于試驗中測試值。因為模型箱尺寸限制，距離基坑更遠處的地表沉降未能測試。因此此處分析的地表沉降是定性的結果。但是沉降曲線的形狀、兩種工況的差別仍可以為工程實際提供參考。

5 結 論

利用同濟大學大型巖土工程離心試驗平臺，結合五坊園基坑工程，進行了兩組模擬基坑開挖的離心模型試驗，研制并設計了基坑圍護結構的試驗模型，通過變換基坑開挖分區以及支護形式，研究了施工工藝對基坑圍護結構變形以及周邊環境的影響，得出以下結論:

（1）通過利用鋁合金材料代替原支護結構采用的鋼筋混凝土材料，有利于制作試驗模型并方便變換基坑的開挖分區以及支護形式，同時通過合理的布置試驗測試元件，可以獲得具有代表性的試驗數據。

（2）兩組試驗均表明隨著基坑開挖深度的加深，地下連續墻水平位移不斷增大，且水平位移的最大值位置也隨開挖面的下移而下移；對于墻后地表沉降，呈現勺子形分布，即在距離地下連續墻較近的位置處出現最大值后，隨著距離的增加，墻后地表沉降逐漸減小，同時B 區及C 區土體開挖對本試驗監測點處地下連續墻的彎矩和變形影響較小。

圖11 全部開挖過程中墻后地表沉降Fig.11 Ground settlement during excavation in all district

（3）對于圍護墻體彎矩和位移，工況一的值均小于工況二的值，但工況二在開挖B 區和C 區土體時對測點處的圍護墻體彎矩和位移影響較大。對于墻后地表沉降，在開挖A區土體過程中，工況二沉降最大值小于工況一沉降最大值，且工況二對于遠處地表沉降約束較好。