软土地区深基坑施工监测与变形特性的时空效应分析

奚家米， 尉 阳

(西安科技大学建筑与土木工程学院， 西安 710054)

基坑工程是由土体及支护结构组成的空间三维结构，由基坑开挖导致的作用在支护结构上土压力的改变及围护结构的变形不仅与基坑的平面尺寸、开挖深度及施工时的开挖方式有关，还与支护结构(内支撑)的空间布置及数量有关，呈现出明显的空间效应。不仅如此，对于软土地区的基坑开挖，研究发现，由于软黏土在受到一定荷载作用下表现出的应变随时间增长而不断变化的蠕变特性，致使基坑的变形与时间关系呈现一定的正向相关性，也即时间效应。针对目前基坑工程变形、稳定及相关方面存在的问题[1-2]，中外许多学者基于基坑监测数据展开了大量的研究，并取得了一些成果[3-8]。这些研究大多是采用实测分析与数值模拟手段来反映基坑开挖对围护结构及周围环境的影响，没有从时空效应角度对基坑的稳定性做出动态响应评价。

基于此，以上海陶家宅块地基坑工程为研究背景，介绍了其工程概况及监测项目，对基坑的周边地表沉降、坑外潜水位变化、内支撑轴力及围护结构的侧向位移等实测数据进行分析，归纳并总结了以上监测项目随基坑开挖的变形规律，并对能够反映出基坑开挖对周围环境、建筑物造成显著影响的地表沉降及支护结构深层水平位移提出了较为合理的解析解预测公式，以期采用实时监测加合理的预测手段达到对基坑变形安全控制的目的。

1 工程概况

该项目位于上海市浦东新区，北边和西边分别为昌邑路、福山路，西边和如家酒店毗邻，总建筑面积约为38 952.9 m2，基坑面积为7 784.3 m2，形状呈不规则四边形，由E02-5商业金融用地和E02-6三类住宅用地组成，地下2层，地上1、5、14、19层，开挖深度10.5～13 m。

1.1 工程地质概况

本工程场地属滨海地貌类型，地面标高通常介于2.81～4.34 m,地势较平坦，上部主要为杂填土，含较多建筑垃圾，下部的素填土以黏性土为主，结构松散。不同岩土层物理力学参数取值见表1。

表1 土层分布情况及性质Table 1 Distribution and properties of soil layers

1.2 基坑支护结构设计方案

本基坑东、南、北三侧采用型钢水泥搅拌墙+二道钢筋混凝土内支撑的支护形式；西侧、北侧局部落深坑区域围护采用钻孔灌注桩(20 m)+三轴水泥土搅拌桩止水+二道钢筋砼内支撑。两道支撑截面分别为900 mm×800 mm、1 200 mm×800 mm；围檁中心标高分别为-1.9、-7.4 m，支撑形式为对撑+角撑+边桁架。临时钢立柱采用4 L160 mm×16 mm角格构柱，立柱桩共计110根，支撑砼设计强度C30。

1.3 基坑施工工况

根据本工程的施工组织设计和总施工进度计划，将施工方案定为三大工况，工况1为桩基、围护结构施工段，时间为2016-05-07—2016-09-14；工况2为基坑开挖至基底到底板浇筑完成阶段，时间为2016-09-15—2016-11-09；其中加第一道支撑为2016-09-16，加第二道支撑为2016-10-03；底板浇筑完成为2016-11-09；工况3为支撑拆除至顶板施作；其中第一道支撑拆除完成为2016-12-22、顶板基本施工至±0.00阶段为2017-01-24。

2 监测方案

本工程开挖土方量大，开挖深度深，土质较差，且基坑周围道路埋设市政管线较多，对变形控制的要求较高。因此，监测工作必须严格按变形控制要求[9]进行设计和实施。监测时间为2016-05-07—2017-02-07，与基坑施工保持同步。周边道路地表剖面变形监测共计布设25个测点，编号：B1-i～B5-i；围护桩侧向位移布设编号为PO1～PO8共计8孔监测；坑外潜水水位布设编号为SW1～SW6共计6孔监测；两道支撑轴力监测共计布设8组测点，编号：ZL1-i～ZL2-i；监测点平面布置图分别见图1、图2所示。

图1 地表沉降监测点平面布置Fig.1 Monitoring point layout of surface settlement

图2 基坑环境监测点平面布置Fig.2 Foundation pit environment monitoringpoint layout plan

3 监测结果分析

3.1 地表沉降

根据本工程基坑南侧周边环境复杂，地下市政管线多，对变形控制要求较高的特点，选取B1、B2、B3三组地表剖面共75个监测点进行沉降分析。由图3可看出，围护墙后地表土层的垂直位移在x轴方向上分布形式近似呈抛物线，图3(a)～图3(c)具有类似的规律，从中可以看出，三个地表剖面最大沉降分别为12.58、12.14、10.30 mm，均小于报警值25 mm的控制标准，符合文献[10]中上海软土地区地表沉降最大值处于0.001～0.008倍的基坑开挖深度之间的结论，且距坑边的距离约等于基坑挖深，从最大沉降位置处到约2倍基坑开挖深度距离范围内的沉降监测点垂直位移不断减小，可见地表沉降量具有明显的空间效应，其次，在2016-10-03—2016-11-09日即基坑开挖至底板还未浇筑完成阶段，地表沉降量呈现较为显著的增长，究其原因在于在软土地区基坑开挖时，朗肯主动状态区土体受到扰动，塑性区滑动面不断加大，围护桩外侧土体向坑内发生塑性流动，从而表现出地表沉降现象。

图3 坑周地层沉降曲线Fig.3 Settlement curve of surrounding pit

图4 地表沉降监测数据无量纲处理Fig.4 Non-dimensional processing of surfacesettlement monitoring data

图4给出了地表沉降监测数据无量纲处理后的散点图分布情况，d/H表示地表剖面沉降监测点和坑边之间的距离与基坑开挖深度之比；δv/H表示相应的地表监测点沉降与基坑开挖深度的比值。图4中的三条折线段为根据本工程实测的地表沉降监测数据所绘制的沉降包络线，其分段函数如式(1)所示，由图4可知，围护桩后最大的地表沉降距坑边的距离约等于基坑挖深，受开挖影响的地表沉降主要在2倍基坑开挖深度范围内，且总的影响范围为包络线以内4H范围，该包络线可预测上海软土地区由于基坑开挖引起的坑周最大地表沉降，以正确指导挖土支撑，减少对周围环境和建筑物的不利影响。

(1)

3.2 坑外潜水位

分别选取位于地表剖面B3、B2位置处的SW4及SW5坑外潜水位监测点在关键时间节点的变化量进行分析，从图5可以看出，坑外潜水水位变化幅度较大主要集中在基坑开挖期间，开挖期间随着基坑逐渐开挖至基底，水位逐渐呈下降趋势。其中测点SW4的最大累计变化量为-1.135 m，测点SW5的最大累计变化量为-0.73 m，坑外潜水位的下降会使土中附加应力增大，从而加剧坑周地表的沉降，SW4测点水位的下降也是造成B3地表剖面在基坑开挖阶段沉降加大的另一原因，随着底板浇筑完成后，水位的变化逐渐趋缓，且最终趋于稳定。基坑外潜水水位的变化可以在一定程度上反映该处止水帷幕的施工质量，所以在施工中应密切关注地下水位的变化并进行严格监测，控制其下降幅度不能过大，以免造成基坑周边的水土流失。当发生水位下降较大引起地表面沉降时可适当采取人工回灌的方式进行地下水的补给。

图5 坑外潜水位变化曲线Fig.5 Change curve of water level outside pit

3.3 支撑轴力

图6 支撑轴力Fig.6 Support axial force

选取两道支撑的8组钢筋应力计测点进行轴力变化分析，见图6所示。从图6(a)中可以看出在10月20日之前也即土方开挖期间，第一道支撑轴力增幅较大，随着底板浇筑完成并发挥作用后，支撑轴力的增幅逐渐趋于平缓，其中ZL1-3测点的支撑轴力累计变化量最大为2 497 kN小于设计值6 000 kN。从图6(b)中可以看出第二道支撑轴力增幅最大出现在该道支撑施工完成到下一次挖土这一时期，至垫层施工及底板浇筑完成后轴力大小趋于稳定。随着二道支撑拆除完成，监测工作结束，各测点累计最大变化量为3 500 kN(ZL2-3测点)，小于设计值8 000 kN,均在安全范围内，表明支撑设计安全合理。两道支撑轴力监测最大值都出现在基坑中部位置附近，位于坑角位置处的轴力最小，说明软土地区基坑的“坑角效应”作用较显著，在一定程度上削弱了坑角处作用在内支撑上的土压力大小。因此在基坑工程中内支撑的设计及施工应充分遵循时空效应，开挖至基底后及时浇筑底板并减少基坑暴露的时间，位于坑角位置处的内支撑可适当减弱其结构强度以节省工程造价。

3.4 围护结构侧向位移

本工程围护结构采用钻孔灌注桩支护形式，其本身侧向位移能够反映围护结构的变形情况，也能直观地反映出基坑的安全状况，对钻孔灌注桩水平位移的监测是本次所有监测项目的重点。结合本工程施工特点，选取位于坑角位置处的PO4测斜孔和位于基坑中部位置处的PO8测斜孔在基坑开挖完成、底板浇筑完成、支撑拆除完成和顶板浇筑完成至±0.00四种工况下对围护结构水平位移进行分析，见图7。

图7 围护结构侧向位移曲线Fig.7 Lateral displacement curve of the envelope structure

由图7可以看出不同位置处的测斜孔所测围护结构侧向位移随开挖深度的增加均呈现先增大后减小的趋势，水平位移都为正即侧向变形都朝基坑内发展，且曲线特征呈“鼓胀”型分布，说明在基坑开挖过程中，围护结构顶部接近冠梁处和底端嵌固处水平位移较小，桩体中间部位水平位移较大，PO4、PO8测斜孔在底板浇筑完成时测得的围护结构最大水平位移分别为31.3、24.1 mm，位于基坑开挖面以上，自然地面以下8.5、8 m深度处，为基坑开挖深度的0.73～0.82倍，此最大水平位移位置符合文献[11]及文献[12]中围护结构深层最大水平位移位置约为支护桩长的2/5深度处的结论。

值得一提的是，在基坑开挖完成至底板浇筑完成阶段，地基的应力状态基本未发生变化，位于开挖面处的围护结构水平位移却出现显著增长，其增量分别为6、5 mm，约占总水平位移量的20%、22%，分析认为在基坑开挖至基底时，处于开挖面的土层为夹层褐黄色黏质粉土，该层土渗透性大，具有显著的蠕变特性，在开挖过程中由于水头差作用易产生流砂管涌现象，因此土体的蠕变是造成围护结构水平位移在这一时期显著增大的原因。在底板浇筑完成至支撑拆除完成这一阶段围护结构水平位移也有一定程度的发展，但变形都在合理的预警范围内，支撑拆除期间围护结构水平位移较大的测斜孔位置深度均集中在围护桩长0～5 m位置。可见围护桩的深层水平位移不仅与基坑开挖深度、桩长、支撑的架设有关，还与软土蠕变的时间效应有关，故在上海软土地区基坑施工时应密切关注时空效应给基坑的安全性带来的影响。

围护结构的侧向位移不仅反映了基坑支护结构的安全及稳定性，而且可以在此基础上推算出基坑开挖过程中作用在围护结构上的土压力和弯矩大小，从而可以在一定程度上对基坑的后续施工和设计提出建设性的建议。因此，结合不同方位的测斜孔实际水平位移监测数据，采用工程上常用的线性及指数型两种预测模型，对基坑坑角、基坑中部位置处的围护结构变形做出合理的预测，其拟合效果见图8所示，并以相关系数R的大小来衡量拟合效果的优异性，以此来作为预测结果差异的判定标准，预测公式如表2所示。

图8 不同位置处围护结构水平位移拟合Fig.8 Horizontal displacement fit of theenvelope at different locations

表2 围护结构侧向位移预测公式Table 2 Prediction formula for lateraldisplacement of retaining structure

注：x表示基坑开挖深度，m；y表示围护结构侧向位移，mm。

从表2可以看出，对于基坑不同位置处的围护结构水平位移的预测采用指数型函数模型较线性函数模型的相关系数R更接近于1，表示拟合数据的相关度更高，更具正相关性，所以采用指数函数模型能够起到较好的预测功能，相应的拟合公式可以用于指导基坑的现场工作，做到信息化施工。`

4 结论

(1)最大地表沉降量位于距基坑边约1倍基坑开挖深度处，且在1～2倍基坑开挖深度距离范围内呈现减小的变化趋势，总的影响范围为4H，采用分段函数表达的沉降包络线可作为预测地表沉降的有效手段。

(2)坑外潜水水位的下降会使土中附加应力增加，从而加剧地表沉降，施工中应密切关注坑外潜水位的高度，当发生水位下降过大时可适当采取人工回灌方式进行地下水补给。

(3)支撑轴力在基坑开挖阶段增速较大，在底板浇筑完成后逐渐趋于平稳，位于坑角处的支撑轴力小于位于基坑中部位置的支撑轴力，“坑角效应”显著，在进行内支撑设计时可适当减弱坑角处支撑的结构强度以节省工程造价。

(4)围护结构侧向位移随基坑开挖深度的增加表现为先增大后减小的趋势，当基坑开挖深度约占围护桩长的1/2时，侧向位移最大位置出现在开挖面附近，为开挖深度的0.73～0.82倍；采用指数型函数模型能够对不同位置处的围护结构侧向位移起到较好的预测作用。

(5)上海软土地区土体流变效应显著，基坑施工应按“先撑后挖”的施作方式，开挖至基坑底面后及时浇筑底板，并减小基坑的暴露时间，充分遵循时空效应理论科学指导挖土支撑，结合有效的预测手段对基坑的变形进行动态控制，做到信息化施工。