深基坑设计理论与监测数据对比分析研究

王爽

（上海勘测设计研究院有限公司，上海 200434）

0 引言

在现代化城市的建设中，基坑应用越来越多，对于深基坑来说更无放坡开挖条件，因此对于空间有限的基坑更多的是采用先围护后开挖[1,2]。基坑设计时主要采用理论计算与数值模拟[3]，而计算结果的准确性有待验证，因此在基坑开挖过程中进行实时监测就显得尤为重要[4-6]，本文所述的工程基坑设计采用同济启明星进行单元计算，在基坑开挖的过程中进行实时监测，通过监测桩顶水平位移、周边地表沉降、支撑轴力，与理论计算结果进行对比分析，验证软件计算的准确性，为以后基坑设计提供理论技术支撑，确保基坑安全。

1 工程概况

取水泵站基坑工程位于上海市青浦区太浦河北岸，南侧为太浦河大堤，东侧为现有取水闸，基坑深10.80 m，为保障取水闸及周边建筑物的安全，拟在取水泵站开挖时采取基坑围护措施。

1.1 地基土构成与特征

根据地质勘测报告，基坑开挖深度范围内土层从上至下依次为：

①2层素填土：灰黄～灰色，由粘性土组成，大部分为原取水闸施工回填土，偶夹碎石、砖块，表层多含植物根茎，局部为灰色粘性土或淤泥质土，回填时间约4年，尚未完成自重固结，湿～很湿，松散，高等压缩性，土质较均匀。

⑥1层粉质粘土：暗绿～草黄色，少量呈灰黄色，含氧化铁条纹和铁锰质结核，局部夹粉土团块，湿，可塑～硬塑，中等压缩性，土质较均匀。

⑥3层粉质粘土：灰色，含云母和有机质，夹粉土薄层，局部粉性较重，很湿，可塑～软塑，中等偏高压缩性，土质较均匀。

1.2 水文地质条件

场地主要地下水类型为浅部土层中的潜水，主要受大气降水及地表水补给，通过蒸发或向河湖渗流排泄，潜水水位埋深随季节、气候和地形等因素而有所变化，此次勘察期间，陆域钻孔内测得的潜水稳定水位埋深为0.68～3.74 m，潜水对该工程基坑开挖、施工影响较大，应采取适当的降、排水措施。

2 基坑围护结构

泵房段基坑围护型式采用C30钻孔灌注桩+两道混凝土对撑结构，止水帷幕采用单排三轴水泥搅拌桩，钻孔灌注桩桩长23.00 m、桩径800 mm、桩距1 000 mm。为提高围护结构的整体性，并为支撑体系提供支撑反力，拟在围护灌注桩顶设置钢筋混凝土冠梁，冠梁尺寸为1.20 m（宽）×0.80 m（高）；两道支撑截面均宽800 mm、高600 mm，第一道支撑中心标高均为-0.90 m（地面高程为零高程，下同），第二道支撑中心标高均为-6.80 m。

3 理论计算数据分析

3.1 桩体变形内力分析

泵站基坑开挖涉及的工况：工况一为第一道混凝土支撑达到设计强度，准备往下开挖；工况二为第二道混凝土支撑达到设计强度，准备继续往下开挖；工况三为基坑开挖至坑底；工况四为第二道支撑已拆除；工况五为第一道支撑已拆除。

整个施工过程的桩体内力变形最大工况结果包络图见图1。

图1 桩体内力变形包络图

由图1可知：基坑开挖过程中桩体最大水平位移为25.60 mm，根据《基坑工程技术标准》要求，桩体允许最大水平位移为32.40 mm，满足要求；桩体弯矩与剪力从上至下呈S型分布，在拆除第一道支撑后达到最大。

3.2 地表沉降分析

基坑开挖过程中地表沉降最大工况为已拆除第一道支撑，如图2所示，可知：在距离基坑8.50 m位置处，地表沉降达到最大值26.80 mm，根据《基坑工程技术标准》要求，地表沉降允许值为27.00 mm，在允许范围内，满足要求。

图2 基坑周边地表沉降

4 监测数据分析

4.1 桩体水平位移分析

为保证基坑安全，在基坑开挖过程中选择代表性桩体进行实时监测，及时掌握桩体变位情况，分析桩体变形规律与特征。图3为基坑开挖过程中监测的不同施工工况下的桩体水平位移图。

图3 桩体水平位移

由图3可知：同一工况下，随着桩体入土深度的增加，桩体位移先增大后减小，在桩底逐渐趋于零；不同工况下，随着基坑开挖深度的增大，桩体最大水平位移增大，且随着基坑深度增大而下移；在基坑约10.00 m位置处，桩体位移达到最大，最大水平位移为19.49 mm。

4.2 地表沉降分析

选择基坑边缘25.00 m范围内进行地表沉降监测，监测数据见图4，纵坐标正值表示沉降，负值表示隆起。

图4 基坑周边地表沉降

由图4可知：在基坑开挖初期，地表出现了隆起，地表沉降不稳定，随着基坑开挖深度的增加，地表沉降逐渐趋于稳定；随着基坑开挖深度的增大，地表最大沉降值逐渐增大，但拆撑工况更为危险，地表沉降最大值发生在拆除第一道支撑工况，最大值为14.95 mm，因此，等到水工结构达到设计强度再考虑拆撑就显得尤为重要；实测最大值小于理论计算值26.80 m，满足规范要求，同时可以看出，利用理论计算来分析基坑开挖施工时对周边建筑物的影响更为保守；地表沉降最大值大致不发生在基坑边缘，这是由于围护结构的作用，最大值约在基坑边缘8.00 m位置，与理论计算值位置相近；在基坑边缘30.00 m位置时，地表沉降逐渐减小有趋于零的趋势，因此，基坑开挖对周边建筑物的影响距离约为3倍的基坑深度。

4.3 支撑轴力分析

基坑开挖过程中，两道混凝土支撑的轴力如图5所示。

图5 支撑轴力图

由图5可知：随着基坑开挖深度的增加，支撑轴力逐渐增大，当基坑开挖至坑底时，两道支撑的轴力均达到最大，第一道支撑轴力最大值为1 133 kN，设计报警值为1 432 kN，第二道支撑轴力最大值为1 983 kN，设计报警值为2 384 kN，第二道支撑的轴力大于第一道支撑轴力，因此，在设计时可考虑增大第二道支撑的截面面积，确保基坑安全。

5 结语

对金泽水库新增取水泵站泵房段基坑采用了钻孔灌注桩+两道混凝土支撑围护的结构型式，在基坑设计过程中借助同济启明星软件进行了理论计算，分析了围护结构的受力特性，在基坑开挖整个过程中进行了实时监测，并将理论计算与监测数据进行了对比分析，结果表明：随着基坑开挖深度的增加，桩体水平位移、基坑周边地表沉降、支撑轴力均表现出非线性增长，但均在允许范围内，满足规范要求。基坑开挖至坑底时，两道支撑轴力均达到最大值，且第二道支撑的轴力大于第一道支撑轴力，因此，在设计时可考虑增大第二道支撑的截面面积，确保基坑安全。拆除第一道支撑时，桩体水平位移及基坑周边地表沉降达到最大值，因此，等到水工结构达到设计强度再考虑拆撑就显得尤为重要；理论计算结果较监测数据偏大，因此，在基坑设计时，采用理论计算方法确保基坑稳定更为保守。