深基坑支护变形机理及实例分析

1  深基坑变形机理

基坑变形包括支护结构变形、坑底隆起和基坑周围地层移动。基坑周围地层移动是基坑工程变形控制设计中的首要问题，有不少工程因支护结构变形过大，导致围护结构破坏或围护结构虽未破坏但周围建筑物墙体开裂甚至倒塌的严重后果。故有必要讨论地层移动机理及支护结构变形、坑底隆起机理。

基坑开挖过程是基坑开挖面卸荷的过程，由于卸荷而引起坑底土体产生向上为主的位移，同时也引起围护墙在两侧压力差的作用下而产生水平位移，因此产生基坑周围地层移动。大家公认，基坑开挖引起基坑周围地层移动的主要原因是坑底土体隆起和围护墙的位移。下面讨论这两种主要原因。

A. 坑底土体隆起；坑底隆起是垂直向卸荷而改变坑底土体原始应力状态的反应。在开挖深度不大时，坑底土体在卸荷后发生垂直的弹性隆起。当围护墙底为清孔良好的原状土或注浆加固土体时，围护墙随土体回弹而抬高。坑底弹性隆起的特征为坑底中心部位隆起最高，而且坑底隆起在开挖停止后很快停止。这种坑底隆起基本不会引起基坑周围地层的移动。随着开挖深度增加，基坑内外的土面高差不断增大，当开挖到一定深度，基坑内外土面高差所形成的加载和地面各种超载的作用就会使围护墙外侧土体产生向基坑内移动，使基坑坑底产生向上的塑性隆起。同时在基坑周围产生较大的塑性区，并引起地面沉降。Mana(美)于1981年在旧金山的勒威斯特拉斯大楼，按不同开挖深度以理论预测，作出了软粘土基坑随开挖深度的增加基坑周围土体移动矢量场及塑性区分布图(详见图1－1)。

另外，也应看到，基坑开挖后，墙体向基坑内移动，当基底面以下部分的墙体向基坑方向移动时推挤墙前的土体，造成基底隆起。

基底隆起量的大小是判断基坑稳定性和将来建筑物沉降的重要因素之一。基坑隆起量的大小除和基坑本身特点有关外，还和基坑内是否有桩、基底是否加固、基底土体的残余应力等密切相关。因此，计算基底隆起量的方法虽然很多，但多数方法的计算结果和实测值相差较大。如：日本规范公式、（同济大学）模拟实验经验公式^[2]

B. 围护墙的位移：围护墙墙体的变形从水平向改变基坑外围土体原始应力状态而引起地层移动。基坑开始开挖后，围护墙便开始受力变形。在基坑内侧卸去原有土压力时，在墙体外侧则受到主动土压力。而在基坑的围护墙内侧则受到全部或部分被动土压力。由于总是开挖在前，支撑在后，所以围护墙在开挖过程中，安装每道支撑以前总是已发生一定的先期变形。一般挖到设计坑底标高时，墙体最大位移发生在坑底面上1~2m处。围护墙的位移使墙体主动土压力区和被动土压力区的土体发生位移。墙外侧主动土压力区的土体向坑内水平位移，使背后土体水平应力减小，以致剪应力增大，出现塑性区，而在基坑开挖面以下的墙内侧被动土压力区的土体向坑内水平位移，使坑底土体加大水平向应力，以致坑底土体增大剪应力而发生水平向挤压和向上隆起的位移，在坑底处形成局部塑性区。而围护墙水平位移与围护墙外侧地面沉降的比值，以及沉降大小与沉降范围的关系，则可大体示于图1-2。从图1-2中可以看出：墙体位移量小时，墙侧地面最大沉降量约为墙体位移的70%或更小，由于墙体位移小，墙外侧与土体间摩擦力可以制约土体下沉，故靠近围护墙处的沉降量很小，沉降范围小于2倍开挖深度；而当墙体位移量大时，地面最大沉降量就与墙体位移量相等，此时墙外侧与土体间摩擦力已丧失对墙后土体下沉的制约能力，所以最大沉降量发生在紧靠围护墙处，沉降范围大于4倍开挖深度。因此，同样地质条件和开挖深度下，深基坑周围地层变形范围及幅度，因墙体的变形不同而有很大差异，墙体变形往往是引起周围地层移动的重要原因。

2  工程实例分析

2.1 工程概况

拟建建筑物泰达图书馆周围环境较为复杂，被四条街道所包围，四周相邻街道为柏油路并存在地下管线，西侧为开发区投资服务中心办公楼，地下一层，是开发区对外交流的窗口；东侧为泰达学院住宅(桩基基础六层砖混)；北靠第三大街，南临宏达路，南北两侧虽为空旷绿地，但地下有重要管线通过。

支护设计采用钢筋混凝土灌注桩围护，大直径混凝土格构环梁支撑组合。坑深6~10m,基坑面积17000m²，环梁直径110m以上。

根据中国地质科学院工程勘察院天津工程处提供的泰达图书馆岩土工程勘察报告可知：深3~6m范围为杂填土、素填土、粘土，土层水平方向分布不均匀；向下11m范围土层分布较均匀，并且由流塑状态的淤泥质粘土组成，土质的粘聚力和摩擦角指标分别为9KPa、4^°，天然含水率47%以上，压缩模量约2.5MPa，再向下有3m左右的粘土层，土质的粘聚力和摩擦角指标分别为14.3KPa、5.2^°，天然含水率39%以上，压缩模量约3.3MPa，再向下有2m左右的粉土层和粘土层，土质的粘聚力和摩擦角指标较好，天然含水率降至19%和33%，压缩模量上升至12.9和4.4MPa，可作为围护桩端的嵌固层。场地地下水属潜水型，平均埋深1.5m。

2.2 基坑周围地层移动实测结果与分析

变形观测方法：围墙范围内在基坑四周硬化地面上各选取一个点打入射钉作为沉降观测点，围墙外在市政道路路牙（距基坑6~8m）上用红油漆标识作为沉降观测点，采用水准仪进行观测。

实测结果：距基坑2~3m范围内，沉降值较大，在40~80mm范围之间，比计算值（25mm）大，硬化地面已经断开；道路路牙距基坑5~6m范围内，土体沉降值在8~12mm之间，比计算值（17mm）小，西侧建筑距基坑约15m范围内，沉降最大值3.44mm，东侧建筑距基坑约30m范围内，沉降值很小，可忽略不计；以往对基坑周围地面变形的研究很少，计算多采取分层总和法估算。显然实测值与计算值相差较大(详见图2-1)。

由图2-1对比曲线可知，上述计算方法存在较大缺陷。是否存在一种新方法，能比较准确的反映基坑周围土体的变形呢？目前，有人在基坑开挖二维非线性有限元分析基础上，已提出三维非线性有限元分析方法计算基坑周围地面变形。其计算结果也比较理想，如图2-2、图2-3所示。

该曲线计算结果比较符合软土地基发生塑性变形时的情况，尽管不考虑基坑降水引起的土体固结的影响。但比以往的估算方法要准确的多。只是计算方法比较复杂，土体单元采用改进邓肯——张本构模型，建立了耦合接触面而且由三节点、四节点二维有限元单元划分发展为三维八节点等参元有限单元和无限单元来模拟基坑周围土体。为了更好的被广大工程技术人员应用，该方法正在投入商业软件项目的实践与研究工作中。

2.3 基坑及环梁水平位移分析

该工程基坑及环梁水平位移的实测结果是从基坑开挖到拆除环梁时止，其结果具有一定的代表性。下面分析环梁工作阶段，基坑及环梁水平位移情况。资料显示：土方开挖过程中实测支护结构变形最大(其值为34.6mm)，而且随土方开挖的进展，支撑体系变形的发展也在不断变化。

基坑采用岛式开挖，支撑处挖至-2.3m，浇注混凝土支撑。尽管没有继续开挖，但环梁已开始工作，并有部分初始位移。当基坑南面已经开挖到接近设计标高-5.8m，此时支护桩在环梁的约束下，接近平移了3~4mm，北面已经开挖到接近设计标高-7.8m，此时支护桩在环梁的约束处位移达到34.6mm(拆除环梁前支护桩位移最大值)，并从环梁的位置到坑底接近线性递减至12mm。至拆除环梁前，基坑变形比较稳定，南面支护桩在环梁的约束处(-2m)位移最小3.9mm，坑底(-5.8)支护桩位移最大6.4mm，并从环梁的位置到坑底接近抛物线型递增。北面支护桩在环梁的约束处(-2m)位移最大26.1mm，坑底(-7.8m)支护桩位移20mm，并从环梁的位置到坑底接近弧线型递减。水平位移变化的全过程如图2-4所示。

由此可见，不仅围护结构最大变形值出现在开挖过程中，而且环梁变形最大值也发生在开挖过程中。而且，都不在工况三(见表2-1)。

表2-1                       各工况环梁水平位移

工况	东	西	南	北
一	8.5	3.9	10.4	28.6
二	13	4.6	13.9	34.6
三	16.5	1.7	33.0	29.3

注：  工况1：2001、11、14基坑采用岛式开挖，支撑处挖至-2.3m，浇注混凝土支撑；

工况2：2001、11、20基坑四周开挖至设计坑底标高(除两个出土口外)；

工况3：2001、12、28基坑土方开挖工作结束，并浇注完垫层混凝土。

以往在支护设计中不考虑挖土方案，一般由施工单位自己确定，当土方开挖量较小时，对工程影响不大；而一般深基坑开挖土方量都较大，而且挖土顺序等挖土方案与设计的吻合性，直接影响支护效果的好坏。轻者混凝土构件开裂，给工程施工造成隐患，重者在挖土过程中破坏。因此，考虑土方开挖过程对支撑系统的影响是十分必要的。

2.4 基坑回弹监测概况

下面我们再来分析环梁浇注完到拆除后坑底（回弹）隆起量，监测方法为钻孔埋点法^[3]，监测点位见图2-5。因本工程基坑面积近17000㎡，仅以图2-5所示两个剖面为例说明如下：

剖面一：5^#——3^#——2^#——1^#，剖面全长121m。5^#和3^#测点在同一标高(-5.8m)，5^#、3^#和2^#相隔52m，且3^#测点为基坑中心，2^#和1^#测点在同一标高(-7.8m)，相距17.4m。5^#距坑边约15m；1^#距坑边约4m，各测点回弹量见表2-2。

表2-2                         剖面一坑底回弹值

测点	5#	3#	2#	1#
回弹量(cm)	13	25	13	20

剖面二：4^#——3^#——6^#——7^#，剖面全长140m。4^#、3^#和6^#测点在同一标高(-5.8m)，4^#、3^#相距54m，3^#、6^#相隔36m，且3^#测点为基坑中心，7^#测点标高(-6.8m)，与6^#相距40m。4^#和7^#距坑边约15m，各测点回弹量见表2-3.

表2-3                         剖面二坑底回弹值

测点	4#	3#	6#	7#
回弹量(cm)	19	25	7	30

从实测结果可以看出，一个月后，泰达图书馆一侧开挖较浅(-5.8m)，坑底为弹性隆起，其特征为坑底中部隆起最高，两边相对较少；当图书馆一侧继续开挖1^#、2^#、7^#点时(较深)，基坑边上的隆起量逐步增加，甚至超过坑底中部。从其变形特征来看，属于塑性隆起。完全符合坑底隆起机理。

3  结语

通过对泰达图书馆基坑工程实例分析，说明深基坑支护变形机理研究，有助于系统地了解和掌握深基坑的实际变形特点，以便及时采取相应措施，改善基坑内土体性能，加快工期以减少基坑暴露时间，并及时排降水和控制地面超载和振动等，使支护设计达到良好的应用效果。

基坑支护设计应考虑土方开挖和开挖方式或顺序对水平支护结构系统变形的影响，加强工程动态监测及其结果的适时分析，并在施工设计中具体研究和体现。对于采用信息化施工的基坑支护工程，不仅在施工中适时监测并及时反馈分析数据，而且在工程结束时积累观测数据资料，为科学研究和结构设计等提供科学依据。

由于水平所限，文中定有不妥或错误之处，敬请指正。

参考文献：

【1】         孙更生， 郑大同， 软土地基与地下工程，北京，中国建筑工业出版社，1984

【2】         刘建航， 候学渊， 基坑工程手册，北京，中国建筑工业出版社，1997

【3】         龚晓南，深基坑工程设计施工手册，北京，中国建筑工业出版社，1998

作者简介：齐亮，男，30岁，工程师。

          刘康和，男，41岁，高级工程师

Mechanism of Shoring Transfiguration of Deep Foundation Pit and Example Analysis

QI Liang¹   LIU Kanghe²

(1 Tianjin LANCHAO Engineering Project Management Co. Ltd., Tianjin 300202)

(2 China Water BEIFANG Investigation, Design & Research Co. Ltd., Tianjin 300222)

Abstract: This text introduced the mechanism of shoring transfiguration of deep foundation pit. Then, collect and settle the survey result of an engineering example. Some shortcoming is founded in the current design of shoring system. At last, some new calculation methods of ambient stratum displacement are discussed.

Key word: deep foundation pit； shoring of trench；the transfiguration mechanism； apophysis of pit bottom； ambient stratum displacement 　

作者:佚名