基坑壁后土體脫空引起的圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)與分析

楊安民，陽軍生，王俊，王樹英，張崢

（1.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410075；2.湖南磁浮交通發(fā)展股份有限公司，湖南長(zhǎng)沙410014）

基坑壁后土體脫空引起的圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)與分析

楊安民1，陽軍生1，王俊2，王樹英1，張崢1

（1.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410075；2.湖南磁浮交通發(fā)展股份有限公司，湖南長(zhǎng)沙410014）

長(zhǎng)沙一房建工程基坑施工過程中圍護(hù)樁壁后出現(xiàn)土體脫空，對(duì)基坑穩(wěn)定造成很大影響。通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值分析，探討了壁后土體脫空現(xiàn)象對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。分析結(jié)果表明，發(fā)生壁后土體脫空現(xiàn)象后，圍護(hù)樁的變形與受力模式均發(fā)生改變，壁后土體穩(wěn)定性降低，樁頂向基坑內(nèi)的水平位移增加量超過50 mm，內(nèi)力峰值增加85%，安全性能顯著降低。通過及時(shí)對(duì)脫空部位進(jìn)行回填處理，保證了基坑穩(wěn)定。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)；脫空；樁頂水平位移；內(nèi)力峰值；回填

在地下水位埋深較淺的地區(qū)開挖基坑，基坑降水成為保證基坑穩(wěn)定的重要工作。降低地下水位勢(shì)必引發(fā)基坑周圍土體應(yīng)力場(chǎng)的改變，進(jìn)而導(dǎo)致土體的變形，引起地表不均勻沉降及支護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移［1］。因此，若降水控制不當(dāng)，有可能危及基坑安全。

針對(duì)基坑降水引起的地表沉降及對(duì)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)影響的研究已經(jīng)取得不少成果［2-8］。但是，作為降水不當(dāng)引起的一種現(xiàn)象，甚少有文獻(xiàn)針對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)壁后土體流失對(duì)體系的穩(wěn)定性影響進(jìn)行量化分析?；涌觾?nèi)降水后，形成的降水漏斗使得水力梯度增加，由此產(chǎn)生的滲透力將作為體積力作用在土體上，當(dāng)滲透力作用達(dá)到一定強(qiáng)度，土體細(xì)顆粒易被滯流帶走或移動(dòng)。如果降水過程中對(duì)土層細(xì)顆粒流失控制不當(dāng)，會(huì)增加基坑壁后土體脫空的風(fēng)險(xiǎn)。

長(zhǎng)沙一房建工程基坑施工過程中，因坑內(nèi)降水引起圍護(hù)樁壁后土體流失，形成較大范圍的土體脫空現(xiàn)象，導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了較大的變形。脫空部位回填處理后，變形則趨于穩(wěn)定。本文在現(xiàn)場(chǎng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)壁后土體脫空情況下體系的變形性狀與受力特征分析，分析結(jié)果可供工程參考。

1　工程概況

基坑平面尺寸約76.7 m×47.6 m，開挖深度約為8 m；東、南、西三面設(shè)置鉆孔灌注樁支護(hù)，樁徑800 mm、深14.2 m、間距1 400 mm，樁頂設(shè)拉梁，場(chǎng)地地層分布及圍護(hù)結(jié)構(gòu)示意如圖1。

圖1　圍護(hù)結(jié)構(gòu)示意

基坑場(chǎng)地內(nèi)原始地形較為平坦，地層自上而下依次為雜填土、素填土、粉質(zhì)黏土、圓礫、泥質(zhì)粉砂巖，圍護(hù)結(jié)構(gòu)持力層為圓礫及泥質(zhì)粉砂巖層。粉質(zhì)黏土層中細(xì)砂顆粒含量豐富，透水性較強(qiáng)。場(chǎng)地內(nèi)地下水位較高，含水層主要為粉質(zhì)黏土和圓礫層，施工過程中需進(jìn)行坑內(nèi)降水。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)施作完成后，自2015年2月7日開挖基坑內(nèi)土體，3月初開挖至坑底。因施工期間降雨量較大，基坑周邊土層地下水位上升，加大了坑內(nèi)降水強(qiáng)度。由于降水過程中粉質(zhì)黏土層中的細(xì)顆粒被大量帶入基坑內(nèi)導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)壁后土體流失，自3月4日起，基坑?xùn)|南角鉆孔樁后下部開始出現(xiàn)土體脫空現(xiàn)象，且空洞尺寸持續(xù)增大，脫空區(qū)域沿東側(cè)、南側(cè)圍護(hù)樁樁底發(fā)展。截止3月19日，最大脫空尺寸達(dá)2 m（高）× 1 m（寬），脫空區(qū)域沿東、南側(cè)圍護(hù)樁樁底發(fā)展，長(zhǎng)度分別約15，10 m?，F(xiàn)場(chǎng)土體脫空見圖2。

圖2　基坑底壁后土體脫空

由于基坑降水會(huì)引起圍護(hù)結(jié)構(gòu)向基坑內(nèi)的水平位移，施工過程中對(duì)鉆孔樁頂?shù)臋M向變形進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見圖3。從圖中可知，隨著基坑開挖，位移量逐漸增大。3月初開挖至基坑底，位移量達(dá)到了32.2 mm；3月5日之后，位移量增加顯著，且變形速率隨脫空區(qū)域的增大而增加，截止3月19日，樁頂水平位移總量達(dá)到了89.9 mm，樁后土體脫空現(xiàn)象對(duì)圍護(hù)樁頂水平位移影響顯著。

圖3　樁頂水平位移時(shí)程曲線

2　基坑圍護(hù)樁壁后空洞的影響分析

為探究壁后土體脫空現(xiàn)象對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)條件采用數(shù)值方法對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)對(duì)比分析不出現(xiàn)土體脫空的情況。

2.1模型建立

采用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行二維模擬，模型尺寸取為80 m×35 m，基坑開挖深度8 m。邊界條件為：左、右側(cè)面x方向約束，底面y方向約束，上表面自由。實(shí)際工程中圍護(hù)樁為圓形截面，建模時(shí)按照剛度相等原則將其等效為0.56 m厚混凝土墻［9］。圍護(hù)樁壁后空洞最大尺寸約為2 m（高）×1 m（寬），依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察，其拱部形狀可利用普氏平衡拱（即自然拱）理論取為2/3個(gè)自然拱進(jìn)行分析，空洞形狀示意如圖4。

土層及圍護(hù)結(jié)構(gòu)均采用平面應(yīng)變實(shí)體單元模擬，土層的判定準(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則。圍護(hù)樁與土之間以接觸對(duì)（Contact Pair）形式建立接觸，樁表面為主控面，樁周土體表面為從屬面，離散方法選用面對(duì)面離散（Surface-to-Surface Discretization）［10］，樁側(cè)、樁底的摩擦系數(shù)采用加權(quán)平均等效，分別取0.578和0.795。

由于本文針對(duì)基坑開挖及圍護(hù)樁壁后土體脫空過程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行分析，不計(jì)施作鉆孔樁過程中體系的變形，因此，施工模擬過程中，施作鉆孔樁后進(jìn)行樁—土體系的地應(yīng)力平衡?；娱_挖分4步進(jìn)行，每次開挖深度為2 m，開挖至基坑底后移除脫空區(qū)域的土體以模擬圍護(hù)樁壁后土體脫空。

2.2結(jié)果分析

2.2.1土層穩(wěn)定性

土層結(jié)構(gòu)的改變直接影響到基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與地表建筑物的變形，故有必要對(duì)壁后土體脫空情況下土層的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。2種工況下基坑周圍土層的塑性區(qū)分布見圖5，可知持力層土體未出現(xiàn)明顯的塑性區(qū)，土層性質(zhì)維持穩(wěn)定。未發(fā)生脫空現(xiàn)象時(shí)，塑性區(qū)僅分布于基坑底部圍護(hù)樁兩側(cè)土體中；發(fā)生脫空現(xiàn)象后，塑性區(qū)擴(kuò)展至空洞頂部及內(nèi)側(cè)土體中，分布區(qū)域大為增加，且有向地表延伸形成剪切破壞滑動(dòng)面的趨勢(shì)。

圖4　土體空洞示意

圖5　基坑周圍土體塑性區(qū)分布

由2種工況下圍護(hù)樁后地表沉降計(jì)算結(jié)果可知離基坑越近，沉降量越大，沉降槽的坡度變化也越明顯。壁后土體未脫空時(shí)離基坑距離約4.5 m范圍內(nèi)地表沉降量不＜5 mm時(shí)，脫空后該距離擴(kuò)展至9.2 m，且最大沉降量較前者增加了78%。

由以上分析可知，發(fā)生壁后土體脫空現(xiàn)象后，空洞周圍土體塑性區(qū)增加，變形增大，脫空區(qū)域有進(jìn)一步擴(kuò)大趨勢(shì)，土層穩(wěn)定性顯著降低。

2.2.2圍護(hù)樁水平變形

在側(cè)向土壓力作用下，樁體產(chǎn)生了一定的撓度，離樁底越遠(yuǎn)，撓度越大。位移最大值點(diǎn)位于樁頂，深入持力層段樁體位移量較小。2種工況下的樁頂位移量計(jì)算結(jié)果分別為26.7，78.3 mm，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果較為相符。與壁后土體未脫空相比，發(fā)生脫空現(xiàn)象后，距樁頂深度12 m以下樁段位移變化較??；12～7 m樁段曲率增大，位移量顯著增加；7 m以上樁段曲率減小，但位移量持續(xù)增加。入土深度＜2 m時(shí)已出現(xiàn)樁土分離現(xiàn)象，這與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果相符。計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果均表明，壁后土體脫空現(xiàn)象對(duì)圍護(hù)樁向基坑內(nèi)的水平變形影響顯著。

從上分析可知，發(fā)生壁后土體脫空現(xiàn)象后，圍護(hù)樁的變形模式見圖6，表現(xiàn)為深入持力層段樁體變形小，持力層以上至脫空區(qū)域上部一段樁體曲率增大，變形增加，入土較淺樁段曲率減小，但撓度持續(xù)增加，甚至出現(xiàn)樁土分離現(xiàn)象。

圖6　脫空情況下樁體變形模式（單位：mm）

2.3圍護(hù)樁受力模式探討

發(fā)生壁后土體脫空現(xiàn)象后，土層應(yīng)力重分布，圍護(hù)樁受到的土壓力也發(fā)生改變。因土層穩(wěn)定性降低主要表現(xiàn)為脫空區(qū)域附近土體塑性區(qū)和變形的增加，持力層土體則維持穩(wěn)定，故主要對(duì)脫空區(qū)域及上部樁體受到的土壓力進(jìn)行分析。圖7為樁后土體水平方向的應(yīng)力云圖，該方向的土體應(yīng)力與樁體水平方向的受力和變形直接相關(guān)。發(fā)生土體脫空現(xiàn)象后，空洞上部區(qū)域土體的水平應(yīng)力顯著增大。盡管土體脫空樁段未受到土壓力直接作用，但土體水平應(yīng)力峰值達(dá)到了72.5 kPa，較未脫空增加了約1.6倍。遠(yuǎn)離持力層端樁體受到的土壓力增加，使得圍護(hù)樁的受力情況更不利。

圖7　樁后土體水平應(yīng)力云圖（單位：Pa）

在樁后土壓力作用下，計(jì)算得出樁后土體未脫空與脫空2種工況下的圍護(hù)樁彎矩，樁頂以下入土深度＜4 m時(shí)，后者樁體的內(nèi)力值較前者??；入土深度＞4 m，盡管2種工況下內(nèi)力值都隨入土深度增大而增加，但后者的增加速率遠(yuǎn)大于前者；到達(dá)持力層時(shí)，2種工況下的樁體內(nèi)力均達(dá)到峰值，但后者數(shù)值遠(yuǎn)大于前者，且分布有明顯區(qū)別：前者呈“平峰”狀，變化梯度較小，后者呈“尖峰”狀，變化梯度大。深入持力層段樁體的內(nèi)力值隨入土深度的增大而降低，但后者的數(shù)值明顯較前者大。

經(jīng)以上分析可知，與壁后土體未脫空相比，發(fā)生壁后土體脫空現(xiàn)象后，圍護(hù)樁的內(nèi)力分布、大小與規(guī)律發(fā)生了明顯改變，最大彎矩（175.9 kN·m）較未脫空時(shí)彎矩（95.1 kN·m）增加了85%，出現(xiàn)部位的入土深度（10.7 m）則較未脫空時(shí)深度（11.2 m）有所減小。

2.4圍護(hù)結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)

壁后土體脫空后，圍護(hù)樁中、下部樁體內(nèi)力急劇增大，但剛性位移較小，主要表現(xiàn)為樁身曲率增大。因此，當(dāng)內(nèi)力峰值達(dá)到或超過極限承載力時(shí)，樁體有發(fā)生開裂甚至破壞的風(fēng)險(xiǎn)。通過計(jì)算樁體的安全系數(shù)，對(duì)壁后土體脫空情況下圍護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

由于本工程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)無內(nèi)支撐，近似于懸臂結(jié)構(gòu)，不計(jì)豎直荷載，依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）［11］規(guī)定的受彎構(gòu)件正截面承載力計(jì)算方法，可得2種工況下每延米圍護(hù)樁體截面的安全系數(shù)。安全系數(shù)最小值分別為2.01，1.08，出現(xiàn)部位均為彎矩峰值處?？芍l(fā)生壁后土體脫空現(xiàn)象后，最小安全系數(shù)較未脫空時(shí)明顯降低，已接近于1，樁體有開裂破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

壁后土體脫空嚴(yán)重影響到圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，為確保后期安全施工，需及時(shí)采取相應(yīng)措施防止脫空區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大。4月18日開始，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)脫空區(qū)域充填混凝土，對(duì)邊坡、樁間土體進(jìn)行網(wǎng)噴加固，并及時(shí)澆筑基坑底板。此后圍護(hù)樁各項(xiàng)變形速率迅速減小。

3　結(jié)論

本文針對(duì)長(zhǎng)沙一房建工程基坑施工過程中因坑內(nèi)降水引起的圍護(hù)樁壁后土體脫空進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值分析，探討了壁后土體脫空現(xiàn)象對(duì)圍護(hù)樁影響的大小與規(guī)律，獲得了以下結(jié)論：

1）現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明，發(fā)生壁后土體脫空現(xiàn)象半個(gè)月內(nèi)，圍護(hù)樁頂向基坑內(nèi)的橫向位移量較脫空前增加了1.79倍，且變形速率隨脫空區(qū)域的增大而增加，影響十分顯著；

2）數(shù)值分析結(jié)果表明發(fā)生壁后土體脫空現(xiàn)象后，壁后土體穩(wěn)定性降低，脫空區(qū)域上部樁體受到的土壓力明顯增大，使得圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力更為不利，最大橫向變形與內(nèi)力值較未脫空時(shí)分別增加了1.93，0.85倍；

3）鑒于壁后土體脫空對(duì)于基坑穩(wěn)定性影響非常大，基坑施工過程中必須采取合理的降水措施，防止圍護(hù)結(jié)構(gòu)壁后土體流失；一旦發(fā)生土體流失形成空洞，需盡快對(duì)空洞進(jìn)行充填處理，保證基坑安全。

［1］劉國彬，王衛(wèi)東.基坑工程手冊(cè)［M］.2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

［2］石鈺鋒，陽軍生，白偉，等.緊鄰鐵路偏壓基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形與內(nèi)力測(cè)試分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，30（4）：826-833.

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［10］費(fèi)康，張建偉.ABAQUS在巖土工程中的應(yīng)用［M］.北京：中國水利水電出版社，2013.

［11］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

Monitoring and Analysis of Retaining Structure Stability Caused by the Soil Void Behind Foundation Pit Wall

YANG Anmin1，YANG Junsheng1，WANG Jun2，WANG Shuying1，ZHANG Zheng1
（1.School of Civil Engineering，Central South University，Changsha Hunan 410075，China；2.Hunan Maglev Transportation Development Co.，Ltd.，Changsha Hunan 410014，China）

During the foundation pit construction of one house-building project in Changsha，there is a soil void behind the retaining pile wall，which has a great influence on the stability of foundation pit.T his paper discussed the influence of the soil void behind the wall on retaining structure stability through field monitoring and data analysis. T he results showed that the deformation and stress mode of retaining pile changed after the soil void behind the wall，soil stability behind the wall decreased.T he horizontal displacement increment of the pile top towards foundation pit was more than 50 mm，peak value of internal force increased by 85%，and safety performance significantly decreased.Backfilling the void position promptly could guarantee the stability of foundation pit.

Retaining structure；Void；Horizontal displacement of the pile top；Peak value of internal force；Backfill

U417.1+1

ADOI：10.3969/j.issn.1003-1995.2016.09.27

1003-1995（2016）09-0108-04

（責(zé)任審編趙其文）

2016-03-12；

2016-06-30

楊安民（1989—），男，碩士研究生。