某深基坑立柱竖向位移实测分析

徐宏妍

（南京东大岩土工程勘察设计研究院有限公司，南京 210007）

1 引言

目前在深基坑工程中，内支撑体系的应用已愈发广泛。在实际工程中立柱作为内支撑体系中的重要组成部分，设计人员往往更重视其是否满足承载力，而容易忽略立柱在土方开挖过程中位移变化对整个支撑体系的影响。在基坑监测过程中，监测人员也常常忽视立柱的变形发展情况。立柱的抬升和沉降会导致支护结构实际受力情况与设计工况不符，情况严重时，变形不受控制将成为基坑支撑体系的安全隐患。立柱产生竖向位移的因素主要有坑底隆起（坑底回弹）、竖向荷载、温度作用、施工误差大小、承压水、混凝土收缩徐变等[1]。立柱竖向变形往往是多因素共同作用的结果，其中坑底隆起（坑底回弹）和竖向荷载是最主要的两个因素。

深基坑立柱发生竖向位移（抬升或下沉）是一个随土方开挖而不断变化的动态过程。坑内外土压力差而导致的坑底隆起和卸荷作用导致的坑底回弹是使立柱桩产生抬升趋势的最主要因素，拆除支撑后作用在立柱上的竖向荷载减小也会使立柱向上回弹[2]。坑底隆起量的大小与工程地质水文条件和围护结构刚度相关，参数选取和理论模型都难以定量计算。竖向荷载（含自重）能够使立柱产生下沉趋势，另外，欠固结软土或地下水位快速下降而导致的负摩阻力也会让立柱桩有下沉趋势。而温度作用、混凝土收缩徐变以及立柱桩端土体因立柱抬升时产生的应力释放等对立柱的竖向位移影响都是较小的[3]。由于引起立柱抬升和下沉的因素较多，且动态变化、机理复杂，立柱的变形往往难以预测，同一支撑体系内的立柱变形也不均匀，很多实际工程的监测数据也证明了这一点。立柱竖向位移定量计算困难，要通过分析实时监测数据来把握其变形发展，指导施工，从而避免支撑体系内局部产生较大的附加应力而引发支撑体系不稳定。

2 工程概况

2.1 项目概况及工程水文地质条件

某深基坑工程开挖面积约55 000 m2，周长约940 m，基坑挖深为15.80~16.80 m，场地周边较为开阔。

对工程有影响的地下水主要为潜水和第Ⅰ层承压水。潜水主要埋藏于②1层砂质粉土层，稳定水位埋深1.23 m。第Ⅰ层承压水主要埋藏于③1层砂质粉土层和③4层粉砂层中（具连通性），稳定水位埋深4.30m。

2.2 支护结构设计

本工程开挖面积大、挖深较深、水文地质条件较为复杂（分布有较厚的中密、密实、渗透性极强的砂性土和较厚的流塑状淤泥质粉质黏土），支护结构侧壁安全等级为一级。支护结构设计以基坑安全为前提，综合经济成本、施工便利和实际地质条件，北侧和东侧围护结构采用地下连续墙，西侧和南侧围护结构采用钻孔桩结合TRD工法，内支撑采用两层钢筋混凝土环撑[4]。围护结构嵌固深度20 m，立柱桩采用钻孔灌注桩，桩径800~1 000 mm，基坑开挖面下桩长26.0~36.0 m。立柱采用550 mm×550 mm钢格构柱。

3 立柱竖向位移实测值分析

本文选取布有监测点的立柱所实测得到的监测值进行比较分析，立柱监测点布设于基坑中部、多根支撑交汇处、地质条件复杂处、承受荷载较大处的立柱上，并布设于立柱上端或侧面，如图1所示。

图1 基坑立柱监测布置图

3.1 各开挖工况下实测值分析

1）3月22日—4月4日，第1层支撑已具备设计强度，环撑中部土方开挖至2层支撑标高，立柱主要承受侧向土压力和顶部竖向荷载影响，大部分立柱以下沉为主。

2）4月4日—4月8日，东北侧支撑下方土体开挖，开挖范围内立柱仍以下沉为主，因非对称开挖，导致对向西南侧的立柱则抬升较为明显。

3）4月9日—4月23日，东侧、北侧和南侧、西侧土方先后开挖至2层支撑标高处，2层支撑已施工。因非对称开挖土方使得整个支撑体系内的受力不均衡。开挖顺序对立柱的抬升和沉降影响较大，难以反映出土方卸荷和竖向荷载对立柱竖向位移的影响大小。但当土方全部开挖至2层支撑标高后，除少量立柱变化较大外，大部分立柱的竖向位移表现为回调，即已经抬升的立柱下沉，而下沉的立柱也有所抬升。同时，整个支撑体系内的轴力变化较小，整体向受压区收敛。4月24日—5月6日环撑中部开挖到坑底，所有立柱均下沉。

4）5月7日—5月14日，先开挖东侧和北侧支撑下部土方，东侧和北侧的立柱先抬升后下沉，而对向西侧和南侧的立柱下沉，这主要是不对称开挖导致的。

5）5月14日—6月8日，大面积开挖支撑下土方，除出土口处立柱表现为受压外，其余立柱均表现为抬升，位移突变后大部分立柱位移表现为缓慢抬升，5月15日，立柱位移发生突变是因为环撑中部区域进行了垫层施工，限制了环撑中部土体的隆起回弹。

6）6月9日—8月2日，垫层施工至底板浇筑施工完成，立柱抬升或下沉的趋势已稳定，仅因竖向施工荷载变化而使立柱发生较小变化。此外，栈桥立柱因是最后开挖土方和施工垫层，其立柱位移由下沉转为抬升。仍有少量5月7日—5月14日先开挖东侧和北侧支撑下部土方，东侧和北侧的立柱先抬升后下沉，而对向西侧和南侧的立柱下沉，这主要是因为不对称开挖导致的。

7）5月14日—6月8日，大面积开挖支撑下土方，除出土口处立柱表现为受压外，其余立柱均表现为抬升，5月15日，立柱位移发生突变是因为环撑中部进行了垫层浇筑施工。

8）8月3日—9月29日，底板浇筑完成至1层支撑拆除，立柱的位移波动较小。从8月25日2层支撑对称拆除到9月2日拆撑完成，所有立柱均抬升，且前期抬升位移量较大，后期平缓，同时，围护结构竖向位移变化与立柱的变化一致。围护结构和立柱抬升主要是因为竖向荷载变小而引起的。

3.2 立柱位移对支撑轴力和支撑体系稳定性的影响

立柱对支撑轴力的影响在于节点位移变化会使支撑产生附加弯矩。在受力简单的对撑或角撑体系内，通过计算立柱与围护结构的差异沉降来估算附加弯矩有参考意义，但在类似于本工程这种大环撑、多节点、受力复杂的支撑体系中，附加弯矩的估算比较困难[5]。通过本工程的监测数据统计，立柱在位移变化明显时，支撑轴力并没有明显增加或减小，仅在2层支撑拆除时，立柱抬升与1层支撑轴力增加表现出正相关性。随后在立柱缓慢抬升过程中，1层支撑轴力略有减小并趋于稳定。

立柱与围护结构的差异沉降影响支撑体系的稳定。本工程中，立柱的竖向位移与围护结构的位移变化趋势高度一致，差异沉降较小，导致这种情况的主要原因是土方开挖初期非对称开挖造成的整个体系受力不均衡，整个体系在初期就产生了竖向形变，使得局部立柱和围护墙发生了不可逆的抬升或下沉，这种位移量虽然很小，但直至底板浇筑，立柱和围护墙抬升或下沉的趋势也没有本质改变[6]。立柱和围护结构协调变形，差异沉降小则对支撑轴力产生的附加弯矩较小。本工程支撑梁为现浇钢筋混凝土梁，立柱为钢格构柱，相较于钢支撑体系，本工程支撑体系的变形协调更好。

4 结论

1）立柱和围护结构作为支撑体系的组成部分，受整个体系受力情况的制约，土方开挖如不按设计工况进行，不均衡的受力势必会使整个体系在初期就产生一定的位移趋势，且这种趋势较难逆转。本工程中，内支撑采用环撑，强调对称开挖。实际施工时，非对称开挖会导致部分立柱下沉、部分立柱抬升，直至底板浇筑，立柱和围护墙抬升或下沉的趋势也没有本质改变，但合理的开挖顺序会改善这种趋势，实际施工中应尽量保证对称开挖，以控制立柱的下沉和抬升。

2）立柱对支撑轴力和支撑体系稳定的影响主要在于立柱与围护结构的差异沉降量。仅从立柱位移情况异常而判断支撑体系不稳定是片面的，应要结合围护结构竖向位移变化情况和轴力变化情况进行综合分析。本工程中，立柱和围护结构变形基本协调一致，轴力未因立柱位移突变而明显改变，整个体系稳定。

3）对环撑而言，环撑中部底板垫层浇筑限制了土体隆起回弹，进而导致了立柱抬升；底板浇筑也限制了立柱竖向位移的变化。拆撑过程中立柱抬升，主要原因是钢格构柱因竖向荷载减少而发生的弹性变化。根据本工程监测数据可知，在拆下道支撑时，立柱有所抬升的同时上层支撑轴力也有一定程度的增加，且同期围护结构的水平位移变化很小，这说明，上层支撑轴力的增加主要是立柱与围护结构差异沉降产生附加弯矩而导致的。相较于围护墙，2层支撑被拆除后，立柱抬升速率更快、抬升量也更大。

4）内支撑支护设计要结合安全、经济、工期和实际土建施工条件，概念上要把握住安全控制要求，密切联系实际施工，掌握基坑实际情况与设计假设条件差距多少。基坑监测设计也要抓住重点区域和关键工况，及时为设计单位、施工单位和管理单位提供实测数据，反映现场变化情况。