大尺寸三角形基坑变形特性的现场试验研究

杨佳岩，余文瑞，丁 楚，陈 丽

(1.中国港湾工程有限责任公司， 北京 100027；2.中交四公局(北京)公路试验检测科技有限公司， 北京 100025；3. 河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室， 江苏 南京 210024；4.镇江新区建设工程质量中心试验室， 江苏 镇江 212132)

城市空间需求的急剧增长与土地资源紧缺这一矛盾日益突出，有效地开发利用地下空间迫在眉睫。为了缓解土地资源的紧缺，地下商场深基坑的开挖深度与日俱增。深基坑开挖不可避免地引起应力变化，进而导致土体位移[1-4]。一旦土体位移过大，将会影响邻近房屋、隧道等构筑物的安全[5-9]。

地下商场和地铁车站的深基坑形状大都为矩形。由于施工场地的限制，工程中也有较多的圆形和三角形等异形基坑。为了确保深基坑开挖过程中基坑和邻近构筑物的安全，大量学者研究了矩形深基坑的变形特性[1-3, 10-12]。基于软黏土中六个矩形基坑的变形监测数据，Wang等[3]发现地下连续墙的最大侧向变形介于0.13%H～0.43%H(H为开挖深度)。柏挺[13]发现地下连续墙的最大侧移、地表最大沉降深受水平支撑竖向间距影响。刘念武等[14]发现随开挖深度的增加，墙身侧移不断增大，且呈“两头小、中间大”的特征。Tan等[15]研究了圆柱形基坑开挖引起的地下连续墙变形和墙后沉降，发现圆柱形基坑变形主要受开挖直径而不是地下连续墙插入比控制。

深基坑施工时，第一道混凝土支撑往往施加在地表以下1 m的位置。对于矩形基坑，混凝土支撑可同时垂直于支撑两端的地下连续墙。因此，矩形基坑的连续墙顶位移很小。对于三角形基坑，混凝土支撑并不能同时垂直于两端的地下连续墙，地下连续墙顶部可能存在较大变形。然而，大尺寸三角形深基坑变形特性的研究甚少。为了填补这一空白，本文开展现场试验研究大尺寸三角形基坑开挖引起的侧墙变形和墙后土体沉降。

1 试验研究

1.1 工程概况

图1为某大尺寸深基坑的平面图。大型地下室的形状大致呈三角形，开挖几何尺寸为353 m×162 m×245 m，开挖深度为22.8 m。地铁隧道位于大尺寸深基坑中间，将深基坑分为两个主要开挖区间(A1和B1)和十五个小型开挖区间。本论文重点研究区间A1和B1开挖引起的地下连续墙变形和墙后沉降。

图1 深基坑平面布置图

1.2 工程地质条件

表1汇总了各软土层的物理力学指标。现场钻孔深度达到90 m，场地土层由9层组成。现场十字板剪切试验所得黏土层的不排水抗剪强度Cu介于40 kPa～70 kPa之间。土体孔隙比e介于0.61～1.43之间，压缩指数av介于0.10～0.38之间。基于固结不排水的三轴剪切试验，各土体的有效摩擦角φ′介于25.3°～35.0°之间。在杂填土和粉质黏土下方存在一层厚度较大的软黏土。此软黏土的厚度为7.3 m，其力学性质较差，孔隙比e高达1.43，压缩指数av为0.38，有效摩擦角φ′仅为25.3°，不排水剪切强度Cu为38.0 kPa。

基于现场地质勘查资料，地下水位位于地表以下0.18 m～1.45 m处。距离地表以下35.0 m处(砂质黏土层)存在砂质承压水，此承压水头约为10 m。

表1 土层物理力学指标

1.3 深基坑围护结构

本论文仅研究A1、B1区开挖引起的围护墙变形和墙后土体沉降。由于A1和B1区开挖深度均相同，仅给出A1区的开挖剖面图(见图2)。A1和A2区分别分六个阶段进行，每个阶段开挖深度分别为1.2 m、5.0 m、4.8 m、4.5 m、4.3 m和3.0 m。A1和B1区围护结构为厚度为1.0 m、深度为50 m地下连续墙。另外采用五道钢筋混凝土支撑限制地下连续墙的水平向位移。在基坑底部，浇筑1.8 m厚的钢筋混凝土底板。此外，基坑内侧帷幕灌浆增加支护系统刚度。

图2 深基坑剖面图(单位:m)

为降低基坑开挖引起的墙体变形和土体沉降，基坑开挖从中心向外侧扩散。首先开挖基坑中心区域的土体，围护结构附近留有宽度为15 m～30 m土坡来限制墙体水平位移。当基坑开挖深度达到1.2 m(第一阶段)，A1区和B1区的第一个混凝土支柱便被浇筑。开挖区A1中的第二至第六土层开挖直到开挖区B1中1.8 m厚的混凝土底板浇筑完成后才开始。

1.4 监测仪器

为了研究大尺寸深基坑的变形特性，采用测斜管测量地下连续墙的侧向变形。在地下连续墙的混凝土浇筑前，将34根测斜管固定在钢筋笼上，测量侧壁挠度(见图1)。沿地下连续墙深度每隔0.5 m至1.0 m测量地下连续墙的水平位移。

为了测量基坑开挖引起的地表沉降，沿开挖区A1和B1布置了9组沉降板(见图1)，沉降板的间距为5 m。采用水准仪测量墙后地表沉降，精度为mm。基准点距离开挖现场约120 m(5.3He)处，该距离已超过深基坑开挖引起地表沉降的影响范围[3]。因此，墙后土体沉降的监测数据是可靠的。

2 大尺寸三角形基坑变形特性分析

2.1 地下连续墙水平变形

图3为A1和B1开挖区典型的地下连续墙水平位移变化规律。第一土层开挖引起的地下连续墙水平位移未测量。随着深基坑开挖深度的增加，地下连续墙的水平位移快速增长。浇筑完1.8 m的混凝土底板后(第六阶段)，深层水平位移依然持续发展。当5道混凝土支撑拆除后，地下连续墙产生了大量的附加变形。对选定的6个典型测点，拆除混凝土支撑产生的墙体附加水平位移约为开挖引起的墙体水平位移的30%～40%之间。

当深基坑开挖深度达到1.2 m，浇筑截面尺寸为1.2 m×1.0 m的水平支撑。但是，地下连续墙顶部的水平位移随着深基坑开挖深度的增加而快速增加。这与矩形深基坑围护墙顶部的水平位移很微小明显不同[12]。另外，地下连续墙墙底的水平位移也随开挖深度的增加而增大。挡土墙插入砂质黏土和细砂层中，墙底和墙顶相对较大的水平位移不可能是由细砂层变形引起的。支撑拆除后，所有地下连续墙顶部的侧向位移约为其最大侧向位移的40%～70%。A1和B1开挖区的支撑不能同时垂直于两段的地下连续墙(见图1)。因此，墙前、墙后不平衡的土压力引起的偏心荷载施加在混凝土支撑上。随着开挖深度的增加，不平衡土压力增加，支撑所受的偏心力增加，引起混凝土内支撑的累积变形。因此，地下连续墙顶部和底部水平位移随开挖深度增加而逐步增加。基坑B内3个测点在拆除支撑后，连续墙底部的最大水平位移较未拆除前有所减小,可能是因地连墙整体刚度较大发生整体转动所导致。

2.2 连续墙最大水平变形与开挖深度的关系

图4为地下连续墙最大水平位移(δhm)与开挖深度(H)间的关系。为了突出不同基坑形状对地下连续墙变形的影响，矩形、圆形和三角形基坑引起的地下连续墙变形进行了对比分析。

随着深基坑开挖深度的增加，地下连续墙最大水平位移(δhm)快速增加。当深基坑底部1.8 m厚底板浇筑完毕后，大尺寸三角形深基坑的地下连续墙的最大水平位移为0.05%H～0.35%H，平均值为0.20%H(H为基坑开挖深度)。发现圆形和方形基坑的地下连续墙水平位移明显小于大尺寸的三角形深基坑。圆形和方形深基坑地下连续墙最大水平位移的平均值分别为0.5%H和0.10%H。这主要是因为圆形基坑的拱效应限制了地下连续墙变形。不同于矩形基坑，三角形深基坑的支撑不能同时垂直于支撑两端的地下连续墙。施加在基坑内部的斜撑并不能很好的限制地下连续墙水平位移。

2.3 连续墙三维水平位移

图5为地下连续墙的三维水平位移曲线。如图1所示，沿A1和B1开挖区布置了34个水平位移的测定。比较分析每一段墙各个测点的水平位移，揭示地下连续墙的三维变形规律。当横坐标为0.0和1.0时，测点位于地下连续墙的两段；当横坐标为0.5时，测点位于地下连续墙中间。如图5所示，地下连续墙呈现出明显的三维变形特性，地下连续墙中间位置的水平位移明显大于两端的变形。这是因为连续墙端部存在明显的端部约束效应。

图3 地下连续墙水平位移分布

图4 墙体最大水平位移与开挖深度的关系

图5 地下连续三维水平变形

2.4 墙后土体沉降

图6为墙后土体沉降变形曲线。

图6 墙后土体沉降

A1和B1区混凝土底板完工后，最大地表沉降为0.18%He(最终开挖深度)。深基坑开挖引起的墙后土体沉降宽度大于1.5He。Peck[10]提出与砂和软至硬黏土中墙后地表沉降(δv/He)小于1%，软至极软黏土中墙后地表沉降(δv/He)大于1%。然后，现场试验测量的地表沉降明显小于Peck[10]提出的沉降预测范围。这主要是因为此大尺寸三角形深基坑采用了1.0 m～1.2 m厚的地下连续墙和混凝土支撑的维护系统。

3 结 论

通过开展现场试验，研究了大尺寸三角形基坑围护结构及其墙后土体变形特性，得到如下几点结论：

(1) 不同于矩形基坑，大尺寸三角形基坑地下连续墙顶部的水平位移约为其最大水平位移的40%～70%。深基坑开挖结束后，拆除混凝土支撑产生的明显的墙体附加水平位移，约为深基坑开挖引起的墙体水平位移30%～40%之间。

(2) 大尺寸三角形深基坑地下连续墙的最大水平位移为0.05%H～0.35%H，平均值为0.20%H(开挖深度)。圆形和方形深基坑地下连续墙最大水平位移的平均值分别为0.5%H和0.10%H，明显小于三角形深基坑的地下连续墙变形。这主要是因为三角形深基坑的支撑不能同时垂直于支撑两端的地下连续墙。

(3) 由于地下连续墙端部存在明显的端部约束效应，地下连续墙呈现出明显的三维变形特性，墙体中部水平位移明显大于两端位移。

(4) 深基坑开挖结束后，墙后土体最大沉降δv约为0.18%He(最大开挖深度)，且墙后土体沉降的影响区域大于1.5He。