亚热带海湾深基坑边坡的变形特征

韩宏超，卫　宏，蔡贝特

(1.海南大学 土木建筑工程学院，海南 海口 570228； 2.海南有色工程勘察设计院，海南 海口 570206)



亚热带海湾深基坑边坡的变形特征

韩宏超1，卫宏1，蔡贝特2

(1.海南大学 土木建筑工程学院，海南 海口 570228； 2.海南有色工程勘察设计院，海南 海口 570206)

摘要：以海南省三亚市某亚热带海湾的深基坑工程为背景，通过对其施工期间的动态数据进行处理和分析，总结了该深基坑工程的支护结构变形、周边道路沉降变形、锚索应力及地下水位变化等特征.分析结果表明：在基坑开挖阶段中基坑围护结构变形较为明显，基坑周边的荷载变化对基坑围护结构变形的影响较大；在亚热带海洋性气候下的海南，较大的降水量会对基坑围护结构的变形和安全稳定有较大的影响；合理的腰梁设计和锚索施工可有效减少基坑失稳的可能性.

关键词：深基坑边坡； 海湾； 变形特征

随着海南省国际旅游岛建设工作的逐步推进，海南的建筑工程正在如火如荼的进行，在亚热带气候下，四季宜人的海湾地区的酒店等日益成为人们旅游度假和娱乐休闲的集中地,特别是南海的建设也日益成为国内及国际工程建设的热点问题，所以，亚热带气候下海湾地区基坑工程的研究就显得尤为重要.但是,由于海南的发展较为落后，起步稍晚，因而导致很多现代化的设备和先进的技术在海南还未得到应用，有的甚至是在内地已经相当成熟的技术、手段和设备，而在海南却仍然无法使用.直至海南省国际旅游岛的审批成功和其建设正式开展之后，很多建筑工程的技术和设备才得到有效的开展.但由于起步较晚和研究较少，所以有关亚热带海湾地区基坑工程的研究成果微乎其微，很难找到成熟的、经济实用的理论知识和技术手段来指导相关或相近工程的进行，以至于基坑工程的造价太高，原始施工手段很难满足实际工程的要求.国内外对于其他类型环境下的基坑工程的研究已经有了一定的成果，但是对于此类环境下的基坑工程的数据和理论还相当匮乏，也缺乏在相似气候条件和地质环境下的施工理论知识、工程设计及可参照的实例.

鉴此，为了充实基坑工程的理论，完善不同气候条件和地质环境下的基坑工程数据，本文对海南岛内的多处工程实例进行了对比分析，选取了亚热带海洋性气候下具有典型性和代表性的海湾地区的基坑设计和监测数据来进行分析和总结，得出了亚热带海洋性气候下海湾地区中的基坑工程的变形特征，这对今后在相似气候条件和地质环境下的基坑工程设计和施工具有指导性的意义和价值.

1工程简介

1.1工程概况拟建工程位于三亚市大东海旅游区，西临海韵路，南侧距鲁能山海天公寓约200 m，拟建1栋10层酒店，设计有2层地下室.项目场地现自然地坪的标高为5.0 m～7.0 m，基坑底板底标高为-3.20 m，基坑开挖深度按8.2～10.2 m计.

1.2场地岩土工程条件

1.2.1工程地质条件 基坑开挖范围的场地内所埋藏的地层情况如下：

⑴ 杂填土(Qml)①：褐黄色、褐灰色，主要由粘性土混粗砾砂组成，含砖头、碎石块等建筑垃圾，其结构松散，稍湿；

⑵ 中砂②：褐黄色、浅灰色，约含10%～20%的粉粘粒，含少量珊瑚贝壳碎屑及粒径1～3 cm的石英质卵石，呈稍湿-饱和及松散-稍密状态；

⑶ 砾砂③：褐黄色、浅灰色，约含10%～15%的粉粘粒，含少量珊瑚贝壳碎屑及粒径1～5 cm的石英质卵石，呈饱和及稍密-中密状态；

⑷ 淤泥质粉质粘土③-1：褐灰色、灰黑色，具不均匀夹薄层粉细砂，呈软塑状态，干强度及韧性低，光泽感应为稍有光泽，摇震无反应.该层在场地内仅见于31、32号钻孔；

⑸ 第四系残积层(Qel)粉质粘土④：褐黄色、灰褐色，由灰岩风化残积而成，约含10%～20%的强风化灰岩碎块，块径1～6 cm不等，呈可塑-硬塑状态，干强度及韧性中等，光泽反应呈无光泽，摇震无反应；

⑹ 强风化石灰岩⑤：褐黄色、灰白色，绝大部分矿物已风化变质，节理裂隙极发育，为较软岩，岩体基本质量等级为Ⅳ级，岩芯呈碎块状，岩体极破碎；

⑺ 中等风化石灰岩⑥：灰色、灰白色，节理裂隙稍发育，局部有溶蚀裂隙，岩芯呈柱状，少量块状，为较硬岩，岩体较完整，岩体基本质量等级为Ⅲ级，岩石质量指标RQD值为45~65.

根据勘察报告、地区工程经验和《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120—2012)，在基坑开挖的影响深度内，有关地层的岩土工程设计参数取值见下表1：

表1　岩土工程设计参数表

1.2.2水文地质条件勘察期间测得场地地下水水位埋深介于2.10～6.80 m，相当于标高2.20～3.37 m.根据地区工程经验，水位年变化幅度约为1.0 m，基坑周边无地表水体.场地内的地下水主要贮存于中砂②、砾砂③中，为孔隙潜水，地下水主要由大气降水和地下径流补给.由于基坑开挖深度内的地层主要为中砂②，预计水量较大，其下地层为粉质粘土④及中等风化石灰岩⑥，为相对隔水层，中砂②层中含粒径2～5 cm不等的卵石.

1.2.3场地岩土的特点亚热带海湾地区的岩土层分布主要为填土、砂层、淤泥层和粘土层、贝壳碎屑岩和石灰岩等岩层(从上到下)，且岩土层的起伏较大，其有机质的含量较其他地区多些；由于亚热带海湾地区具有降雨量较大、日照时间较长，砂层较厚等特点，因此该区域的地下水位变化较大和地下水位较高，这会给基坑工程的施工带来极大的影响(图1).

1.3基坑支护方案工程采用排桩+预应力锚索支护体系，排桩为桩径1 000 mm，桩间距1 400 mm和桩径800 mm，桩间距1 600 mm的冲孔灌注桩，冲孔桩通常配筋(桩径1 000 mm的配筋为18Φ22、Ø8@150;桩径800 mm的配筋为16Φ20、Ø8@150)，桩身强度为C25水下混凝土.排桩顶部均设冠梁，冠梁截面尺寸为1 000 mm×600 mm和800 mm×500 mm，冠梁混凝土强度为C25；选用20a槽钢做腰梁, 冲孔桩间均采用桩径1200 mm的高压旋喷桩作为止水桩；选用直径600 mm，长度1 2000 mm的管井进行坑内明排降水，坑外选用300 mm×300 mm的截水沟.

1.4基坑施工方案基坑开挖是在冲孔桩和止水桩均满足设计强度后开始的，精确防线，分段分层对称开挖，每段长度不大于20.0 m；软土开挖深度不大于1 m,其余土层不大于2 m.坑内挖土时先挖周边，留中部半岛，倒退挖.

表2　基坑施工工况

2监测数据分析

2.1基坑监测方案基坑开挖深度为8.2～10.2 m，根据《建筑基坑工程监测技术规范》(GB50497—2009)和某勘察设计院的基坑支护设计中对基坑监测安全等级的划分，确定基坑监测的安全等级为二级.对基坑监测的项目有：围护墙(边坡)顶部水平位移和竖向位移、周边道路的竖向位移、地下水位和锚索应力等(图2).

2.2监测技术标准根据《建筑基坑工程监测技术规范》(GB50497—2009),基坑变形监测的监测精度及报警值要求如表3所示：

表3　基坑变形监测精度及报警值表

3监测结果分析

3.1基坑监测需考虑的因素根据现场监测数据，进行基坑监测的数据分析时需要考虑以下五点因素：

1)工程的基坑支护设计；

2)基坑施工过程中基坑周边场地的荷载变化情况；

3)基坑监测的时间节点:初挖时间、基坑深度开挖到5 m和10 m的时间、地下室底板浇筑开始及完成的时间、基坑回填土开始及完成的时间等；

4)具体的支护结构的施工工艺和施工措施；

5)基坑施工过程中的天气变化情况和设计变更情况等.

3.2围护墙(边坡)顶部的水平位移围护墙(边坡)顶部水平位移的累计变化量或者变化速率过大将会导致围护结构的失稳、甚至对基坑周边的建筑、市政设施、道路和地下管线等造成不可弥补的破坏和损失.

对监测期间的监测数据进行处理和汇总，并绘制成如图3所示的围护墙(边坡)顶部水平位移的累计变化量随时间变化的曲线，并对监测点P1、监测点P7和监测点P18的基坑围护墙(边坡)顶部水平位移随时间变化的规律进行分析。由图3可以看出，围护墙(边坡)顶部水平位移的变化和累计变化量的大小沿围护墙周边的分布并不均匀，其中，监测点P1和监测点P18的水平位移的累计变化量最大，均为12.2 mm，监测点P7的水平位移的累计变化量最小，仅为9.7 mm.随着基坑的开挖，围护墙顶端的水平位移逐步增大，在2013年8月23日，P7点和P18点的水平位移都出现了陡降，根据平面图可知，P7点附近原堆放了砖块，但为了砌基础梁模板，当日砖块被搬到基坑底部；P18点周围原有钢筋堆放，后来钢筋加工成品被转移到基坑底部，故可总结为因为卸载引起了水平位移的突变.而P1点周围未堆放材料，故没有出现突变，其整体曲线平滑.此后，随着基坑工程的继续进行，水平位移继续保持上升的趋势，直至底板浇筑完成并开始地下室的施工时，累计变化量-时间曲线已基本趋于水平，该时期的围护墙墙顶的水平位移趋于稳定.但是2013年10月20日以后，监测点P1和P18的变化速率远大于P7，究其原因为：监测点P18周边仍在进行工程材料的加工，但其距基坑围护墙的距离已经较之前的钢筋加工场距基坑的距离大得多，因而变化趋势与先前不同；监测点P1位于工程进出口附近，且西侧紧邻海韵路，有不少的车辆在其附近行驶，因而其变化速率会相对较大.由上述可见，严格控制基坑周边的荷载变化和距离至关重要.基坑的实际监测数据所显现的变形特征与经典方法的认识相一致，都是随着基坑开挖的逐步进行，变形逐步加大，待开挖到基坑设计深度和地下室底板浇筑完成后，变形才趋于稳定，直至围护结构顶部的荷载发生变化后才导致变形的再一次发生.

图3　2013年围护墙(边坡)顶部水平位移累计变化量随时间变化的曲线

3.3围护墙(边坡)顶部的竖向位移由图4可以看出，围护墙(边坡)顶部竖向位移累计变化量的数值并不大，其中，监测点P1的围护墙(边坡)顶部竖向位移的累计变化量最大，为11.4 mm；其次为测点P18的累计变化量，为10.2 mm.分析其原因时发现：3条曲线的变化相似，变化趋势相近，这说明基坑四周的施工进度基本相同，其基坑周边的环境变化基本相近. 一般来说，基坑开挖到锚索施工工况的时候，围护墙(边坡)顶部竖向位移的变化幅度较大，当锚索张拉完毕后，变化幅度将会变缓，随着基坑开挖的进行，基坑围护墙(边坡)顶部竖向位移会随着基坑开挖深度的加深而不断增大，直至基坑开挖至设计深度和地下室底板浇筑完成后，基坑围护墙(边坡)顶部竖向位移的变化才基本趋于稳定.但当基坑影响范围内有一定的荷载变化或者基坑外的地下水位变化较大时，也同样会引起围护墙(边坡)顶部竖向位移的大幅度变化. 但是在图4中，2013年8月23日的左右监测点P7和P18的变化不像水平位移的变化那样明显，其原因在于此时基坑的开挖深度尚较浅，而且基坑支护桩的桩侧摩阻力仍会对支护桩的竖向位移有一定的阻碍作用，从而使得此时围护墙(边坡)顶部竖向位移的数值和变化比水平位移的数值和变化小得多.

图4　2013年围护墙(边坡)顶部竖向位移累计变化量随时间的变化曲线

3.4周边道路竖向位移由图5可见，2013年7月20日以前，周边道路竖向位移累计变化量随时间变化的曲线近似水平状，这说明在基坑开挖初期，由于开挖深度较浅，其影响范围较小，故基坑工程的施工对周边道路的影响较小；2013年7月20日—2013年10月1日期间，曲线随时间的推移呈上升的趋势，这说明在此段时间内，由于持续开挖基坑，且基坑开挖的深度较大，基坑围护结构和外侧土体的变形也较大，因而使得周边道路的竖向位移变化较快，其数值也较大；直至2013年10月5日以后，随着基坑土方的开挖基本结束，支护结构也趋于稳定，沉降量缓慢上升；2013年11月25日以后，底板浇筑完成，并且开始了地下室的施工，其累计沉降量随时间变化的曲线亦趋于水平，这说明该时期周边道路的竖向位移趋于稳定，而且场地的降水量不大，施工降水对周边道路的影响较小，沉降量最大为10.9 mm，最小为6.3 mm.从图5可以得出：周边道路的沉降随着基坑开挖深度的逐渐增加而不断增大，在道路转角处易出现不均匀沉降.沉降主要发生在基坑开挖阶段，这是因为周边道路距基坑边线较近，随着基坑开挖的进行，基坑周边原有土体的应力场遭到破坏，从而使得基坑周围的土体变形较大，进而导致基坑周边的道路发生沉降；但当基坑开挖完毕和地下室底板的浇筑基本完成后，基坑周边土体的应力场分布也基本稳定，基坑周边道路的沉降亦基本趋于稳定状态，除非是由于再次大量降水或者基坑周边的荷载发生了变化，否则不会引起应力场发生较大的改变.

3.5地下水位在亚热带海湾地区的深基坑工程的施工过程中，通常都需要对基坑进行降水以保证基坑工程施工的正常进行，基坑降水可能会引起邻近建构筑物、地下管网、市政道路等的不均匀沉降或者沉降过大，从而引起基坑周边建构筑物发生倾斜或开裂、周边道路开裂等，这不利于基坑周边建构筑物和其他设施的安全.基坑周边的地下水位变化过大也会使得基坑周边岩土体的岩土参数发生较大变化，进而威胁基坑支护结构的安全.为了准确掌握基坑施工过程中由于降水和降雨所引起的基坑周边地下水位的变化，防止地下水位突变或累计变化过大而给基坑支护结构的安全稳定和周围环境带来不利影响，因而需要对基坑周边的地下水位进行实时监测.依据规范要求在基坑四周布置了地下水位监测点，并依据监测频率要求实时监测，监测结果见图6.

由图6可知，在对地下水位进行监测的前15 d内，地下水位下降较大.其中，P3水位从4.545 m下降了0.098 m；P4水位从4.427 m下降了0.077 m. 10 d以后，地下水位的高度开始逐渐回升，P1、P2、P3和P4水位的累计变化量分别为：-24 mm、-27 mm、-42 mm和-40 mm.在8月下旬和10月下旬，地下水位达到了2次峰值，根据当地的气象数据，在该段时间内出现了较集中的强降雨，故引起了2次数据的变化.虽然遇到了较大的降雨，但由于及时加大了基坑周围环境监测的工作力度，尽早地做出了处理措施，故有效地预防了地下水位变化过大而造成的基坑支护结构失稳等险情的发生.根据图6不难看出，监测区域范围内，地下水位变化的趋势非常接近.由此可推测出，基坑止水帷幕的止水效果较好，在不同位置地下水位的变化趋势相近.地下水位的升降会直接导致基坑周围土体的岩土参数发生大的改变，间接引起基坑围护结构的位移和周边建筑、道路、管线等的位移发生较大的改变，所以合理的止水帷幕以及有效的降水技术和措施至关重要.特别是在有机质含量可能稍多的亚热带海湾地区，有机质含量的多少直接影响着止水帷幕的施工难易程度和止水效果.

图5　2013年周边道路累计沉降量随时间变化的曲线

图6　2013年地下水位累计变化量随时间变化的曲线

3.5锚索应力本文以P1和P4两个监测点为例进行了分析，锚索的应力变化如图7所示.在预应力锚索张拉后的短期时间内，锚索发生了较大的预应力损失，其主要原因可能是由于两侧锚索的张拉使得中间的锚索松弛；钢垫板和锚具滑移或者刚度不够而引起变形；所选用的腰梁为刚度较小的钢腰梁，而不是混凝土腰梁等(这些影响因素也会造成锚索预应力的损失).监测结果表明，在基坑开挖前期，锚索预应力有短暂的增加趋势，但很快会趋于稳定.究其原因：可能是由于基坑开挖初期，基坑内侧土体对基坑围护结构的支撑作用随着基坑开挖的进行而逐渐消失，内侧土体卸荷，内侧被动土压力减少，围护结构外侧2次开挖面中间的土压力由静止土压力迅速地变为主动土压力，为了达到平衡，减少的土体所承担的支撑作用就由锚索承担.所以，在土体开挖后的较短时间内，锚索应力急速增加. 此后，随着基坑开挖的进行，桩锚协同作用就体现得更为明显，锚索应力的增加就变得迟缓，直至基坑开挖到底后，锚索应力已基本处于平稳状态. 此时，除非基坑顶部的荷载有较大的改变或者地下水位有明显的变化才有可能引起锚索应力的增加或减少. 对于亚热带海湾条件下的海南，地下水量较大这一显著特点也对锚索的施工有较大的影响，锚索的设计长度不宜太长，其倾斜角度也不宜太大，这样可以减少施工难度和增加锚索的受力效果.

图7　2013年锚索应力累计变化量随时间变化的曲线

4结论

1)基坑施工阶段，基坑周边的荷载变化对基坑围护结构的变形影响较大，甚至影响基坑的整体安全稳定性，因此应严格管理和控制基坑周边的荷载，此外，还应充分考虑此种场地所具有的砂层较厚、地下水位变化较大、水位较高、底层起伏较大等特点，从而合理地选择支护结构类型和有效的施工手段及技术手段；

2)鉴于在亚热带海洋性气候下的海南具有年降雨量较大，场地岩土层情况较特殊等特点，因此应尽量选择不在雨季和台风季节施工，这样既可以增加基坑工程的安全稳定性，又可以减少基坑工程的不必要投入；另外，有效的止水帷幕设计和施工也至关重要；

3)锚索应力的大小和变化对基坑工程的安全和周边环境的位移变化有较大的影响，因此选择合适的腰梁、夹具等来有效地组织施工，可有效地减少锚索应力的损失，保持基坑的整体稳定和防止变形；此外，设计合理的锚索长度和倾角既可以减少施工难度，又可以增加锚索的受力效果；

4)通过对该亚热带海湾深基坑的监测数据所进行的分析，了解了亚热带海湾深基坑施工过程中的基坑变形特征，找到了在这种环境下的此类基坑的变形规律，这对今后类似的基坑工程的设计和施工具有一定的指导性意义.

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Deformation Features of Deep Foundation Pit Slope in Subtropical Gulf

Han Hongchao1，Wei Hong1，Cai Beite2

(1. College of Civil Engineering and Architecture, Hainan University, Haikou 570228，China; 2. Hainan Nonferrous Engineering Investigation and Design Institute, Haikou 570206，China)

Abstract：In our report, based on a deep foundation pit engineering of subtropical gulf in Sanya, Hainan, the dynamic data during construction period were processed and analyzed, the features such as supporting structure deformation, subsidence deformation of surrounding roads, stress of anchor cable, and the change of underground water level were summarized. The results showed that the deformation of supporting structure during the excavation period of foundation pit is apparent, the change of loads along the foundation pit exerts a big influence on the deformation of supporting structure; In Hainan, with a subtropical maritime climate, the big amount of precipitation have some great influence on the deformation, safety and stability of supporting structure; the reasonable breast beam design and anchor cable construction decrease the possibility of instability.

Keywords：gulf; deep foundation pit; deformation feature

中图分类号：TU 473

文献标志码：ADOl：10.15886/j.cnki.hdxbzkb.2015.0031

文章编号：1004-1729(2015)02-0167-08

收稿日期：------------------------ 2014-10-15基金项目： 国家自然科学基金项目(51368017)

作者简介：韩宏超(1989- )，男，安徽泗县人，海南大学土木建筑工程学院2012级硕士研究生.通信作者： 卫宏(1957- )，男，教授，硕士生导师，研究方向：岩土工程，E-mail：wennhong@163.com