基坑遇水位移过大的分析与处理

许光，夏红萤

（1．中南华鼎武汉岩土工程有限公司，湖北 武汉 430071；2．中南建筑设计院股份有限公司，湖北 武汉 430071）

1 引言

随着城市日新月异发展，基坑支护工程技术日趋成熟，在勘察、设计、施工均具有较高技术水平的情况下，在基坑施工过程中仍出现一些安全事故。施工过程中存在诸多不确定因素，影响了围护结构的质量和效果。除了支护结构和土体的力学性质影响到基坑变形，土中水也是影响基坑变形又一不容忽视的重要因素。通过分析变形过大原因，采取及时有效抢险措施对事故进行处理，应急堵漏，从而控制基坑变形继续发展。本文介绍了因桩边化粪池漏水导致基坑长时间泡水引起较大变形后的应急措施，并进行抗剪强度指标、压缩指标反算分析，对比弹性抗力法、有限元法与监测结果，为以后的基坑支护工程设计、施工和后续类似工程项目提供参考。

2 工程概况和场地条件

2.1 工程概况

基坑工程位于湖北省鄂州市，主体部分为7 层建筑，设2 层地下室，基坑深度6．2～8．2m，基础采用墩基础和桩基础。基坑东西向长180m，南北向宽120m，周长约650m，垂直开挖面积约15000m2。

基坑边线距离其北侧的沿湖路最近5m，沿湖路外为洋澜湖。基坑边线距离其东侧的东城路路边最近25m，基坑到红线边范围内考虑施工车辆荷载。基坑边线距离其西侧的沿湖路最近6m，沿湖路外为洋澜湖。基坑边线距离其南侧的居民住宅小区最近16m。施工进场后，西南角处设置临时项目宿舍，距离支护桩边4m。基坑南侧临时设置卫生间，距离支护桩边5m，临时化粪池距离支护桩0．7m。

图1 基坑周边环境图

2.2 工程地质和水文地质条件

该场地土质情况较好，抗剪强度指标较高，承载力特征值较高，压缩模量较高。地勘揭露地层情况如下。

①素填土：杂色，稍湿，由黏性土夹少量建筑垃圾和生活垃圾组成，填筑时间大于15 年。松散状态，天然重度为18kN/m3，粘聚力为10kPa，内摩擦角为8°；

②黏土：黄色，稍湿，硬塑状态，含少量铁锰氧化物及高岭土。硬塑状态，天然重度为19．4kN/m3，粘聚力为45kPa，内摩擦角为15°，承载力特征值为300kPa，压缩模量为13MPa；

③-1 强风化砂岩：泥钙质胶结，大部分已风化成土夹碎块状或碎块状，岩石基本质量等级属V 类，极软岩。承载力特征值为400kPa，压缩模量为44MPa；

④-2 中风化砂岩：粉砂质结构，铁质胶结，层状构造，主要矿物成份为长石、绢云母和铁质，遇水浸泡易崩解、软化，岩石基本质量等级属Ⅳ类，较软岩。承载力特征值为1800kPa，压缩模量为44MPa。

⑤-1 强风化闪长岩：岩石矿物成分为斜长石、钠长石、角闪石、石英、黑云母等，岩芯多呈砂土夹碎块状或碎块状。承载力特征值为600kPa，压缩模量为48MPa；

⑥-2 中风化闪长岩：中细粒结构，碎块状或块状构造，岩石主要矿物成分为斜长石、角闪石、石英、黑云母等，岩石节理、裂隙较发育，岩体基本质量等级Ⅳ级，较硬岩。承载力特征值为3000kPa，压缩模量为48MPa。

图2 南侧JK段地层剖面图

场区地下水有两种类型：赋存于①素填土层中的上层滞水有一定水量，受大气降水和洋澜湖水补给。在基坑开挖后，浅部土层中的地下水会以汇水点的形式渗入基坑，对坑壁产生浸蚀和渗透破坏，影响基坑安全及坑内生产作业，采取挂网喷混凝土进行隔渗，结合泄水孔导流疏排；赋存于第⑤-1 层强风化闪长岩中的承压水，承压水含量极少，对基坑影响不大。

2.3 场区条件及基坑布置

基坑南侧JK段，原设计悬臂排桩支护，桩直径700mm，间距1200mm，桩长12．5m，悬臂6．2m，如图4所示。基坑南侧为施工单位临时搭建的开水房、洗衣服、卫生间，共两层板房，距离支护桩3．5m，化粪池距离支护桩0．6m，如图3所示。

图3 南侧JK段平面图

图4 南侧JK段剖面图

基坑初始设计时，总包单位未进场，南侧仅考虑走车荷载25kPa及南侧居民楼建筑荷载（20kPa/层），基于弹性抗力法计算得到桩顶位移为9mm，如图5 所示。后考虑增设的临时建筑，按40kPa考虑，弹性抗力法计算得到桩顶位移为15mm。

图5 原设计悬臂排桩土压力、位移、弯矩、剪力图

3 施工现场的基坑变形

3.1 监测结果

基坑支护施工期间以及土方开挖完成后（10 月25 日）基坑监测显示位移速率稳定，最大位移18mm，与设计图纸要求的最大控制位移20mm 相吻合。监测系统显示，11 月14 日基坑南侧JK 段位移突变，冠梁上出现40～70mm 水平位移，超过限值（40mm）。现场踏勘可观察到支护排桩向基坑内倾斜，最大裂缝达50mm，如图6 所示，基坑其他段位移均很小，均在20mm以内。

图6 基坑南侧JK段排桩变形、冠梁开裂照片

3.2 原因分析

现场踏勘发现，JK段支护桩后侧0．6m处的化粪池破裂大量漏水，经分析和计算复核，基坑变形大的原因有以下几点：

①化粪池大量漏水后，基坑外侧水位上升，桩后水未及时排走，主动区的水压力增加，与原设计支护桩受力发生变化，具有较大差异；

②正常状态下老黏土强度较高，压实性较好，土体颗粒结构致密。经过化粪池漏水浸泡，土体结构发生微观变化，粘聚力降低，内摩擦角削弱，老黏土的抗剪性能大大削弱，大打折扣；

③后来临时搭建的板房荷载在原设计中未考虑，此处荷载变化情况也未告知设计单位进行复核。

3.3 处理方案

基坑泡水后，侧壁老黏性土抗剪性能明显降低，单排悬臂支护桩不能满足基坑位移控制要求，如考虑在现状支护桩后排再打一排支护桩，形成双排桩受力模式，在理想状态下可有效控制变形，但考虑支护桩施工需一定时间，在施工及发挥受力作用过程中，基坑仍会急剧变形，而且桩后施工短期内会带来施工机械荷载、动力荷载等扰动。如考虑增设角撑或对撑，混凝土支撑需要较长养护时间，钢支撑对设计跨度要求较局限，且南侧较大变形段与西侧距离较远，需要另外加设立柱。锚杆具有施工快捷，施工操作面便利，受力性能好等优势，综合考虑后，拟采用桩间加设锚杆形成桩锚体系作为加固措施。

基坑发生过大变形后，现场立即启动应急预案，采取了以下多种加固处理的措施。

①沙袋反压

基坑内侧反压4m 高的沙袋，抵消一部分支护桩所受主动土压力，相当于增加了被动土压力。

②挖除化粪池并临时卸土

将化粪池挖除，切断漏水来源，防止土体继续受水浸泡，同时坡顶临时卸土，减少主动土压力。

③增设锚杆

由于场地原因无法进行补勘提供受水浸泡后的土体抗剪强度，通过试算、反算，粘聚力、内摩擦角分别折减至30kPa、10°时，桩顶位移达到65．4mm，基本与当时发生的变形相匹配。反算结果如图7。

图7 按折减值计算的土压力、位移、弯矩、剪力图

经过反算得到折减后的抗剪强度参数（c=30kPa、φ=10°）后，对基坑JK段进行重新设计，在桩顶下2．5m 处设计增加一排成孔直径150mm、11m 长的锚杆，如图8 所示，此时桩顶最大位移为21mm，满足规范要求，如图9所示。

图8 增设锚杆后的剖面图

图9 增设锚杆后的土压力、位移、弯矩、剪力图

4 结果分析

4.1 加固处理后的实施效果

加固处理后，坡顶临时卸土处进行重新回填，坑内反压沙包清除，地下室继续正常施工，并加强基坑监测。监测结果显示，10 月25 日前基坑变形趋于平缓，最大位移一直控制在20mm 之内；在10 月25 日至11 月14 日区间，最大位移陡增，由20mm 增加到70mm。在11月20 日坑顶卸土、增设锚杆之后，支护桩水平位移不再继续发展，维持在70mm 左右。到基坑将回填时，测得桩顶水平位移72mm，如图10所示。

图10 支护桩顶水平位移随时间变化

4.2 三维数值模拟分析

通过PLAXIS3D对基坑进行模拟，采取设置多个钻孔的形式，在化粪池漏水附近设置4个钻孔，按照反算折减考虑，其他地方选取初始地勘报告中钻孔的土层分层与参数。选择土体硬化本构模型，能良好模拟剪切硬化、压缩硬化、莫尔库仑破坏准则。主偏量加载下参考割线刚度模量E50ref按压缩模量Es的1．5倍考虑，主压缩下参考切线刚度模量Eoedref按压缩模量Es的1．5倍考虑，卸载与再加载杨氏模量Eurref按压缩模量Es的4．5倍考虑。通过试算、反算，粘聚力、内摩擦角分别折减至30kPa、10°时，压缩模量（主偏量加载下参考割线刚度模量、主压缩下参考切线刚度模量、卸载与再加载杨氏模量）折减0．6倍，桩顶位移达到75mm，基本与当时发生的变形相匹配。基坑最大位移发生在漏水处，即土体抗剪强度和压缩模量折减处，发生最大位移74．8mm，如图11所示，截取典型剖断面图桩后土体位移68．7mm，如图12所示。

图11 基坑变形云图

图12 基坑变形剖断面图

在JK 段增设一排锚杆，按点对点弹簧考虑。JK 段坑顶卸土，坑顶荷载相应减小。计算得到JK 段桩顶位移达到23mm，邻近未增设锚杆段位移40mm，如图13 所示，截取典型剖断面图设置锚杆处的桩后土体位移23．7mm，如图14所示。对比增设锚杆段和未增设锚杆段，锚杆对基坑有良好变形控制作用。

图13 基坑加固后变形云图

图14 基坑加固后变形剖断面图

数值模拟中，锚杆按照开挖前施加的工况，与实际施工中已发生较大位移后补加锚杆有一定差异，故在实际监测中，位移达到70mm 后几乎不增加，保持在70mm，基坑变形具有累积效应，变形不可恢复。而在数值模拟中位移保持在40mm。

4.3 弹性抗力法、有限元法与监测结果对比分析

在发生化粪池漏水前，弹性抗力法计算得到桩顶最大水平位移为9mm，与监测得到的18mm 接近，位移均很小，这是由于老黏性土具有较高粘聚力和内摩擦角指标，基于弹性抗力法理论计算得到的位移较小，实际施工过程中，基坑变形控制较好。在发生化粪池漏水后，监测得到的最大变形70mm 远大于初始弹性抗力法理论计算结果和原始状态下施工监测结果。老黏性土经过一定时间泡水，土体力学性能大大削弱，通过对粘聚力和内摩擦角的折减，维持支护桩尺寸、桩长、配筋设计不变，重新基于弹性抗力法理论进行核算，得到最大变形65．4mm，还原了施工现场变形效果。以折减后的粘聚力和内摩擦角作为设计依据，加设锚杆参与计算，弹性抗力法计算得到最大位移21mm。以折减后的粘聚力和内摩擦角以及压缩模量，进行有限元法数值模拟辅助验算，在漏水区附近另设钻孔，得到未加设锚杆工况下最大变形74．8mm，加设锚杆工况下最大变形23．2mm。

对比弹性抗力法、有限元法与监测结果，得到以下结论：

①在不考虑土体泡水情况下，弹性抗力法计算结果比实际监测结果偏小，可能是由于现场施工扰动、临时办公用房荷载、环境条件复杂等情况，造成实际施工变形比理论计算略微偏大，但在合理范围；

②在土体长时间泡水后，实际施工监测位移远大于理论计算结果，考虑是由于土体长时间泡水，土体颗粒变得松散，水压力对基坑侧壁有一定不利影响；

③基坑长时间泡水后，土体抗剪强度指标、压缩变形指标按照折减考虑，折减后弹性抗力法、有限元法均与监测结果接近。加设锚杆后，弹性抗力法、有限元法最大变形结果均较小，有限元法计算结果偏大偏保守。实际监测结果位移总量比弹性抗力法、有限元法均明显较大，但位移增量较小，与弹性抗力法、有限元法反映的趋势一致。实际施工中，基坑变形是累加的，不可逆转的，而理论计算中按照加设锚杆工况考虑，未考虑之前无锚杆状态下的变形量累计，故有一定数据误差。

5 结论

本项目原始地质条件较好，基坑侧壁土层以硬塑状态的老黏性土为主，天然状态下的抗剪强度指标较高，具有良好的自稳性，采用悬臂支护桩能满足要求且计算位移很小。项目施工过程中由于基坑边临时搭建的板房和邻近支护桩处的化粪池大量漏水，导致老黏性土抗剪强度降低，支护桩受力状态发生较大改变，现场位移变形远超原设计理论计算值，支护排桩变形严重，冠梁出现过大裂缝。通过采取多种加固处理措施，基坑趋于稳定，并采取弹性抗力法和有限元法进行理论验算，得出以下结论：

①采用反压沙袋、坡顶卸土能快速防止排桩位移的继续发展，效果显著；增设一排锚杆，可有效解决原设计支护桩不能承受变化后的土压力问题，并有效控制变形发展，为基坑继续施工创造了条件；

②老黏土在天然状态下具有良好的力学性能，但长期泡水后，抗剪强度指标降低。由此得到施工经验，应做好坑顶坑底截排水沟和集水坑，做好及时抽排，尽量保持基坑干燥。支护桩间做好泄水孔，避免桩后水压力增高。遇到老黏性土的地层，应尤为重视地下水问题，避免长时间泡水状态下，土体性质发生较大变化，不符合初始理论计算的前提条件。遇到老黏性土情况，应尤为重视特殊工况下施工效果；

③由于基坑工程的时间效应、时空效应、变形累积效应，数值模拟结果与施工监测结果有一定差异性中，其原因主要是实际施工中先发生较大位移后增设锚杆，基坑变形不可恢复，但锚杆有效控制了进一步位移增加。加设锚杆后，两种计算方法的结果均满足变形控制值的要求，其中弹性抗力法计算结果较小，有限元法计算结果较弹性抗力法偏大偏保守。从数值模拟结果看到，增设锚杆段比未增设锚杆段位移控制明显较好，锚杆对基坑有良好变形控制作用；

④施工过程中如发生与原设计不同的荷载条件（如临时建筑、化粪池等），应及时告知设计单位复核。施工过程也应尽可能避免引起地下水短时间大量汇集的突发情况。施工实施时，应严格按照图纸要求满足设计尺寸、配筋、混凝土强度等，确保施工质量；

⑤基坑支护设计时，应进一步加强考虑遇水问题、超载问题，对土层参数适当折减，荷载按不利考虑，在原始设计基础上进行额外的不利条件验算，面对突发状况保留一定富余；

⑥事故很多是因为“水”的问题引起的，除了重视“土”的计算，不能忽视“水”对基坑的影响，在基坑施工过程中一定要做好截排水、泄水等措施。