重力式挡墙围护基坑开挖过程的变形监控与分析

□文/高 翔 赵晓萍

□赵晓萍/天津市市政公路工程质量监督站。

重力式挡墙围护基坑开挖过程的变形监控与分析

□文/高 翔 赵晓萍

由于地质条件、荷载条件、材料性质、施工条件和外界其他因素的复杂影响，很难从理论上预测基坑工程中遇到的问题，为保证工程和环境建筑的安全，对基坑开挖过程进行实时监控是十分必要的。文章以实际工程为背景，论述了重力式挡墙围护基坑的施工监控实践，详细分析了开挖过程中各部位变形的规律，进一步证实了“时空效应”的存在性及其对基坑施工的意义。

重力式挡墙；基坑；时空效应

由于地下土层分布的复杂性以及土质的不均匀性和不确定性，理论计算结果与实际往往存在较大的偏差，因此进行基坑监控十分必要，通过监控数据的变化规律和趋势不断调整设计模型及施工流程，做到信息化施工，从而确保基坑开挖全过程的安全[1]。

1 工程概况

天津市某银行卡产业园为10栋建筑物组成的综合服务基地，占地面积约为50000m2。监控的为9号楼基坑，面积73m×81m，大部分开挖深度5.4m，局部集水坑开挖深度达到6.2m。采用4.2m厚、插入深度13m的重力式挡土墙作为围护结构。基坑外边线约10m处有一条重要的电力管线在基坑开挖影响范围内，为确保周围建（构）筑物及地下管线的安全，在基坑开挖过程中对桩顶位移、侧斜、坑外土体沉降等项目进行监控。根据基坑开挖相关理论及监控数据指导施工。

2 监测数据的分析和探讨

根据工程的实际情况，监控的主要项目有重力式挡土墙墙体侧斜、墙顶水平位移、墙顶沉降、水位、电力管线的沉降等。基坑监测点平面布置见图1。

2.1 地面沉降及水平位移

图2为基坑北侧电力管线监测点的沉降随时间的变化曲线，电力管线基本平行于基坑边线，距离基坑外边线距离约为10m左右，在基坑开挖有效影响范围内。

在土方开挖后的半个月内，监测点不仅没有沉降，反而一直在隆起回弹并达到最大值27mm，其中以位于基坑中部的D4、D5测点的回弹量较大，这一规律看似与常规的现象和规律不一致，但在基坑开挖过程中，众多基坑工程实测数据均表明这一现象的确存在。对于这一现象国内外有很多学者从卸荷回弹模量、应力释放及预测公式等方面进行一系列研究[2～6]。目前对该现象普遍的解释为基坑内土方开挖，坑底土体应力迅速释放，坑底土体产生回弹。但“应力释放效应”并不仅作用在坑内土体，而是存在一个有效影响范围，因此造成基坑周边临近部位也会发生一定量的隆起回弹变形，即在基坑开挖初期，由于“应力释放效应”造成基坑临近周边一定范围内会出现一定的隆起回弹变形量，但随着开挖的进行，开挖深度不断增加，到某一临界值，在时间上约为12月20日，开挖深度达到3.5m左右，坑外地表土体颗粒沿着圆弧滑裂面逐渐向坑内移动的趋势占优，即坑外地表土体开始下沉，随着开挖深度继续增加接近坑底标高时，这一沉降变形更加明显，沉降变形发展较为迅速，沉降量迅速增加。

开挖后期的沉降迅速增加验证了“时空效应”中的“时间效应”，尽量减少基坑无支撑暴露时间，土方一旦开始开挖须一鼓作气，尽快完成土方开挖，及时完成垫层及底板混凝土的浇筑施工可以有效减少基坑围护结构自身的变形及周围环境的变形，从而确保基坑围护结构自身及周边环境的安全。

开挖深度达到预定标高后，可以发现位于基坑中部的D4、D5监测点的沉降值大于其他监测点，沉降值最大达到60mm，而位于基坑边角处的D1、D8监测点的沉降值较小，仅约为12mm，这一沉降变形分布很好地验证了“时空效应”中的“空间效应”。

图3为基坑北侧电力管线监测点的水平位移随时间的变化曲线。

图3的变化趋势及形状与图2极为相似。同样可以用“应力释放效应”的原理解释，因此在基坑开挖过程中要充分考虑和运用“时空效应”这一原理，指导设计计算模型及施工工艺和流程，从而确保在基坑开挖过程中围护结构自身的强度和周围环境的变形均处于安全状态。

图4为基坑边监测点沉降和位移最大值分布曲线。

从图4可以看出，最大沉降值和最大水平位移值均发生在基坑中间部位，而距离最远的基坑边角部位水平位移值及沉降值较小，这一规律已经被许多学者所证实。用图5来对图4的曲线进行定性描述，这一现象很直观地验证“空间效应”的存在。

XIU Feng-min, ZHANG Feng, JIAO Jian-peng, ZHANG Ying-cheng, PEI Bei, ZHAO Jing, XIU Li-juan, YUE Xiao-qiang

图6为电力管线沿基坑边线不同位置的变形。

从图6可以看出，最大沉降值和最大水平位移值均发生在基坑中间部位，位于基坑边角部位的测点水平位移值及沉降值较小，这一规律与图5所示结论完全一致，体现了“空间效应”的存在。图4和图6的现象表明在基坑边角处出现了较为明显的“抑制效应”，这是由于基坑边角围护结构的刚度相比其他部位较大，抵抗变形的能力要强于其他部位，但这一“抑制效应”同时带来的害处是边角部位将产生较大的“应力集中”现象，如果基坑开挖影响范围内且位于基坑边角部位有对变形较为敏感的地下市政管线就要特别小心，应根据相关要求提前制定相应的加固补强措施，以免开挖过程中巨大的“应力集中”现象对管线的损坏。同时，边角处围护结构的质量往往不易保证，应高度重视。

2.2 重力式围护挡墙水平位移

图7为基坑北侧测点CX1、CX2、CX3侧斜变化曲线，其中CX1和CX3测点位于基坑北侧的两端，CX2测点位于基坑北侧的中部。

基坑开挖后的28d，即12月24日，测点CX1、CX2、CX3处桩体最大水平位移值分别为 37.52、71.52、43.79mm，平均变化速率为 1.34、2.55、1.56mm/d，而后4d，即12月28日，3个测点处桩体最大水平位移值变化量分别达到39.45、53.14、13.89mm，这4d内的最大水平位移平均变化速率分别达到9.86、13.29、3.48 mm/d。此后至底板浇筑完成之日，桩体水平位移变化又变得相当缓慢，最后趋于稳定。可以看出，开挖前期28 d的桩体水平位移变化速率约为后续4d的1/2～1/8，即在开挖的前期桩体水平位移的增加较为缓慢，随着开挖深度的增加，达到某一深度临界值后，桩体水平位移的增加突然加快，即一旦桩体自身刚度无法抵抗由主被动土压力产生的弯距后，桩体开始发生变形并且水平变形在较短时间内迅速完成，水平位移变化的时间分界点与桩顶沉降变形时间分界点相当的吻合，桩顶竖向位移在12月24日前为隆起回弹，12月24日之后，桩顶开始竖向沉降且在很短时间内迅速完成，这一现象同样体现了基坑开挖过程中“时间效应”的作用。因此，在实际施工过程中尽量减少“时间效应”的影响，从而确保基坑围护结构体系自身及周边环境的安全。

对于桩体发生的水平变形可以通过桩体的受力状态进行分析。在基坑开挖之前，重力式挡土墙已经施工完成并已经达到设计要求的强度，此时可以认为重力式挡墙两侧的静止土压力相等，桩身所承受的弯矩为零，根据弹性地基梁桩体水平位移微分方程

式中：E——桩体弹性模量，MPa；

由式（1）知桩体的水平位移为0，即围护桩体不会发生变形；随着土方开挖的进行，根据Rankine土压力理论，主动土压力计算公式为

式中：eα——土压力，kN；

Kα——土压力系数；

γ——土的重度，kN/m3；

h——土体深度，m；

c——土体粘结系数。

因此土压力存在一个临界深度，当开挖深度小于临界深度h时，可以认为桩体所承受的土压力合力仍然为0，桩体仍然处于平衡状态，此时桩体仍然不会产生水平位移；当开挖深度超过土压力临界深度h后，桩体受力平衡打破，坑外主动土压力大于坑内土压力，此时为了维持桩体平衡，桩体只能产生一定的弯矩用以抵抗坑内外土压力差值，从而达到新的平衡状态，达到平衡状态的代价是桩体须发生水平变形，以平衡坑内外土压力差值产生的弯矩。根据式（1）可知，水平位移对深度的4次微分与坑内外土压力的合力成正比，因此，水平位移随着挖深的增加变化不断加快，弹性地基梁法所得出的结论与“时间效应”原理也较为一致。

3 结论

1）“时空效应”原理伴随基坑开挖全过程，是对基坑开挖过程中围护结构体系自身变形以及周边环境变形分布及变化规律“最完美的诠释”。根据“时空效应”原理合理安排土方开挖流程和施工工期，合理布设围护结构体系及周边环境变形监测点，根据边角处的“抑制效应”合理保护好临近重要市政地下管线，确保过大的应力集中不至于损坏地下管线。正确运用“时空效应”原理指导设计、施工以及监测，对于确保基坑围护结构自身安全及周边环境的安全具有重大参考价值和指导意义。

2）正是由于土层水文地质条件的不确定性和变异性，造成有限元及一系列计算软件所得到的预测结果也存在着一定的不确定性。因此，对基坑围护结构体系及基坑周边4H（H为基坑开挖深度）范围内的临近道路管线及临近建构筑的边角点进行相应的监控，及时预报施工过程中可能出现的问题，通过信息反馈及时指导设计及施工流程，是非常有必要的，对防止意外事件的发生提供可靠的保障。

3）在基坑开挖过程中，常会出现一些异常情况，必须防患于未然，积极做好相关的应急准备措施。

[1]刘建航,候学渊.《基坑工程手册》[M].北京：中国建筑工业出版社，1997.

[2]王卫东,吴江斌,翁其平.基坑开挖卸载对地铁区间隧道影响的数值模拟[J].岩土力学,2004,25(2):251-255.

[3]吉茂杰,刘国彬.开挖卸荷引起地铁隧道位移的预测方法[J].同济大学学报（自然科学版），2001,29(5)：531-535.

[4]Boone S J.Gound-Movement-Related building damage [J]. Journal of geotechnical engineering,1996, (11):886-896.

[5]Boone S J,Westlan,Nusink.Comparative evaluation of building responses to adjacent braced excavation[J].J.Can.Geotech,1999,(36):210-223.

[6]Chen L T,Poulos H G,Longanathan N.Pile responses caused by tunneling [J].Jounal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,1999,125(3):207-215.

TU476.4

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1008-3197（2011）02-36-04

2011-03-01

高 翔/男，1978年出生，工程师，硕士，天津市市政公路工程质量监督站，从事市政公路工程质量监督及施工监控研究工作。

□赵晓萍/天津市市政公路工程质量监督站。