深厚富水砂層排樁擋墻深基坑施工變形特性研究*

邱明明，楊果林，申權(quán)，段君義，張沛然

(1.延安大學(xué)建筑工程學(xué)院，陜西 延安 716000； 2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075； 3.湖南工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 株洲 412007)

隨著城市地下空間開發(fā)利用的深入發(fā)展，涌現(xiàn)出大量的“深、大、近、緊、難”的深基坑甚至是超深基坑工程，這給深基坑設(shè)計、施工安全以及穩(wěn)定性控制帶來較大困難，尤其是城市建筑物密集和地下環(huán)境復(fù)雜區(qū)域[1-3]。工程實踐表明，由于地下環(huán)境的復(fù)雜性和區(qū)域地質(zhì)條件的差異性，使得深基坑施工變形的性狀更具獨特的“個性”。復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境條件下，深基坑變形性狀及其變形預(yù)測和控制已成為亟待解決的關(guān)鍵問題。

目前，針對深基坑施工變形特性已開展了一定的研究工作，諸多學(xué)者采用理論分析[4-7]、原位測試[7-12]、模型試驗[13]、數(shù)值模擬[14-16]等方法從變形性狀、理論預(yù)測和控制方法方面對該問題進(jìn)行了研究。Long等[6]通過對世界范圍近300個典型深基坑工程實測結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析，探討了各種基坑的變形性狀。Wang等[8]基于上海軟土地區(qū)不同類型、不同施工方案等深基坑工程的實測結(jié)果，對基坑施工引起的變形性質(zhì)進(jìn)行了研究。Tan等[9-10]通過對軟土地區(qū)不同形狀、不同支護(hù)結(jié)構(gòu)、不同開挖方案的深基坑變形規(guī)律進(jìn)行了對比分析。研究表明，基坑形狀和大小對基坑施工變形性狀影響顯著。廖少明等[12]結(jié)合蘇州地區(qū)不同類型深基坑變形實測數(shù)據(jù)，研究了不同擋土結(jié)構(gòu)、不同形狀的深基坑的變形特性。Roboski等[14]采用數(shù)值分析方法對深基坑開挖引起的土體位移分布規(guī)律進(jìn)行了研究，提出了三維條件下土體位移的經(jīng)驗計算公式。楊果林等[15]考慮滲流—應(yīng)力耦合作用對泥炭土深基坑變形規(guī)律進(jìn)行了研究。王明年等[16]、陳陽等[17]基于現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬方法分別對卵石、砂土地層深基坑施工變形特性進(jìn)行了分析。吳昌將等[18]、李方明等[19]、劉念武等[20]等以軟土地區(qū)深大基坑為工程背景，研究了軟土深開挖誘發(fā)基坑及臨近建筑變形特性。周勇等[21]采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測方法，對紅砂巖地層地鐵車站深基坑樁撐支護(hù)結(jié)構(gòu)施工力學(xué)行為進(jìn)行了研究。

綜上所述，在軟土深基坑變形特性方面有較為豐碩的研究成果。而，針對深厚富水砂層地質(zhì)條件下基坑施工變形性狀的研究則少有報道。鑒于此，本文以某城市地鐵車站深基坑工程為研究背景，通過現(xiàn)場測試方法研究了深厚富水砂層深基坑施工引起的排樁擋墻水平位移、地表豎向位移及地下水位變化規(guī)律，并建立了深基坑土—結(jié)構(gòu)相互作用數(shù)值計算模型，對比分析了深厚富水砂層排樁擋墻深基坑施工變形特性，以期為富水砂層地區(qū)深基坑優(yōu)化設(shè)計、施工安全及其穩(wěn)定性控制提供參考。

1 工程概況及現(xiàn)場測試

1.1 工程概況

某地鐵車站基坑工程，車站總長470.00 m，寬度為18.00～23.00 m，開挖總深度為15.50～17.84 m，覆土厚度約2.50 m。其中，基坑端頭井開挖深度為16.73～17.87 m，標(biāo)準(zhǔn)段開挖深度為15.50～16.41 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用φ1 000 mm×1 200 mm鋼筋砼鉆孔灌注樁(樁長23.00 m)形成的單排樁擋墻，擋墻外側(cè)施作φ850 mm×600 mm三軸攪拌樁(深度20.50 m)止水帷幕，排樁擋墻與止水帷幕間隙采用高壓旋噴注漿加固增強(qiáng)止水作用。其中，基坑標(biāo)準(zhǔn)段沿深度方向共設(shè)3道橫向支撐，依次距圍護(hù)樁樁頂0.50、6.00、11.00 m，其中第1道為鋼筋混凝土支撐，鋼筋混凝土支撐間距為9.00 m；第2、3道采用鋼支撐，鋼支撐間距為3.00 m。

1.2 測試方案

為掌握基坑開挖誘發(fā)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形及對周邊環(huán)境的影響，分別對圍護(hù)樁水平位移、地表豎向位移及地下水位變化進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，測點布設(shè)如圖1所示。其中，圍護(hù)樁水平位移共40個測斜點，記為CX-1～CX-40；地表豎向位移沿基坑長邊間隔25.0 m布設(shè)40個監(jiān)測斷面，每個斷面設(shè)4個監(jiān)測點，監(jiān)測點間距依次為2.5、5.5、5.5、5.5 m，記為DS1-i～DS40-i；坑外地下水位沿基坑周邊間隔50.0 m布設(shè)24個監(jiān)測點，記為SW-1～SW-24?；娱_挖期間每3天監(jiān)測1次，特殊情況下監(jiān)測頻率可適當(dāng)調(diào)整。根據(jù)工程實際及相關(guān)規(guī)范，基坑施工監(jiān)測項目報警值具體為圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移累計值不超過0.20%he，且不大于20.0 mm，變化速率不超過3.0 mm/d；地表豎向位移累計值不超過30.0 mm，變化速率不超過3.0 mm/d；坑外地下水位累計變化值不超過1 000.0 mm，變化速率不超過500.0 mm/d。

圖1 基坑變形監(jiān)測點布置(單位：m)Fig.1 Monitoring point of foundation pit (unit:m)

1.3 測試結(jié)果分析

1.3.1 排樁水平位移 圖2為排樁擋墻水平位移隨深度變化規(guī)律。由圖可得，當(dāng)基坑淺層開挖時，排樁擋墻水平位移隨深度近似呈上大下小的線性分布，最大水平位移發(fā)生在圍護(hù)樁頂部；隨著開挖深度的加深，排樁擋墻水平位移逐漸增大，最大水平位移位置逐步下移后穩(wěn)定于深度約10.50 m處，排樁擋墻水平位移由兩頭小中間大的“弓”形演變?yōu)榈埂癡”形曲線分布；排樁擋墻水平變形是一個動態(tài)發(fā)展的過程，基坑開挖過程中呈現(xiàn)出顯著的時空效應(yīng)特點，尤其是在端頭井段。同時，各測點對比可知，測點CX-3和CX-5樁體水平位移變化最為顯著，且測點CX-5樁體最大水平位移值達(dá)到23.57 mm，而其它測點的樁體最大水平位移值均小于監(jiān)測報警值20.00 mm。主要原因是端頭井段施工期間受持續(xù)強(qiáng)降雨影響引起地下水位上升，排樁圍護(hù)擋墻中下部存在局部滲漏點(止水帷幕或排樁間隙防水結(jié)構(gòu)局部質(zhì)量缺陷)，造成測點CX-3和CX-5對應(yīng)斷面坑內(nèi)出現(xiàn)不同程度的漏水、漏砂以及坑外地表局部發(fā)生塌陷，進(jìn)而誘發(fā)排樁擋墻水平變形增大，通過采取補(bǔ)救措施，險情得以控制和解決。

圖3為排樁擋墻水平位移變化速率隨深度變化規(guī)律。由圖可得，測點CX-3和CX-5樁體水平位移變化速率波動最為顯著，特別是深度10.00 m以下水平位移變化速率已接近或超過3.00 mm/d，而其它各工況條件下的樁體水平位移變化速率波動較小，且均小于3.00 mm/d。結(jié)合圖2可知，測點CX-3和CX-5樁體水平位移及其變化速率發(fā)生顯著波動，且其變化值已達(dá)到基坑監(jiān)測報警值，此非正常變化是坑內(nèi)出現(xiàn)涌水、涌砂以及坑外地表局部發(fā)生塌陷的前兆，也是判別基坑開挖穩(wěn)定性的重要依據(jù)之一。因此，重視并發(fā)揮基坑施工監(jiān)測的預(yù)判和反饋作用，對控制基坑施工變形和指導(dǎo)基坑安全施工實踐具有重要作用。

圖2 排樁擋墻水平位移隨深度變化規(guī)律Fig.2 Horizontal displacement of retaining pile with depth

圖3 排樁擋墻水平位移變化速率隨深度變化規(guī)律Fig.3 Change rates of horizontal displacement of retaining pile with depth

根據(jù)排樁擋墻水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)(測點CX-1～CX-40)統(tǒng)計分析結(jié)果，排樁擋墻最大水平位移及其位置與開挖深度的關(guān)系如圖4所示。由圖可知，排樁擋墻最大水平位移及其位置與開挖深度之間的關(guān)系可采用線性函數(shù)描述；排樁擋墻最大水平位移Hx,max與開挖深度he之間的比值關(guān)系范圍為(0.03%～0.15%)，均值為0.08%；排樁擋墻最大水平位移位置Ux,max與開挖深度he的比值關(guān)系范圍為(0.40～1.00)，均值為0.65。表1為砂土與其他場地基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形統(tǒng)計結(jié)果對比。由表可知，場地土質(zhì)條件和基坑類型對圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形影響顯著，砂性土層基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形范圍較軟土和黏土層小。

圖4 排樁擋墻最大水平位移及其位置與開挖深度的關(guān)系Fig.4 The maximum horizontal displacement of retaining wall and its location with excavation depth

表1 砂土與其他場地基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形統(tǒng)計分析對比
Table 1 Comparison between horizontal displacements of retaining wall in sandy soil and other stratum case histories

土層條件基坑類型形狀圍護(hù)結(jié)構(gòu)Ux,max/he%Hx,max/heUz,max/Hx,max砂土、硬黏土[5]--樁或墻等0～0.50--0.50～1.00上海軟土[9,10,18,20]--鉆孔灌注樁0.10～1.000.50～1.400.40～0.90長條形(地鐵車站)地下連續(xù)墻0.02～0.500.70～2.400.20～2.00蘇州粉質(zhì)黏土[12]方形基坑鉆孔灌注樁0.04～0.400.20～1.540.22～1.07長條形(地鐵車站)地下連續(xù)墻0.05～0.400.53～1.660.22～1.65富水卵石[16]長條形(地鐵車站)鉆孔灌注樁0.03～0.170.65～0.700.53～1.24砂土[17]長條形(地鐵車站)鉆孔灌注樁--0.50～0.801.18砂卵石[22]長條形(地鐵車站)鉆孔灌注樁0.04～0.170.35～0.980.43～2.80富水砂層[11]長條形(地鐵車站)地下連續(xù)墻0.06～0.100.60～0.770.46～1.04富水砂層(本文)長條形(地鐵車站)鉆孔灌注樁0.03～0.150.40～1.000.40～1.40

1.3.2 地表豎向位移 地表豎向位移是基坑開挖誘發(fā)周圍地層移動和變形最直觀的表現(xiàn)形式之一，也是評價地層變形程度的重要指標(biāo)。圖5為地表豎向位移隨時間的變化規(guī)律。由圖可得，地表豎向位移隨時間增加而增大，其發(fā)展過程近似呈倒“S”形曲線分布，基坑開挖期間地表豎向位移增加趨勢顯著，直至底板澆筑后變形逐漸趨于穩(wěn)定；典型斷面DS8-i與DS9-i的地表豎向位移最大值依次為8.19、12.57 mm，其值均未超過監(jiān)測報警值30.0 mm；在本工程中，最大地表豎向位移Uz,max的統(tǒng)計變化范圍為(0.05%～0.13%)he，均值為0.06%he。地表豎向位移隨橫向水平距離的變化規(guī)律如圖6所示?？梢?，地表豎向位移沿橫向水平距離呈凹槽形分布，沉降槽隨開挖深度增加而加深變寬，沉降槽寬度Lzb約為(1.00～2.00)he，最大地表豎向位移位置Lz,max距基坑邊沿水平距離約為(0.30～0.50)he。表2為砂土與其他場地基坑坑外地表沉降統(tǒng)計結(jié)果的對比。由表可知，砂性土層基坑最大地表沉降和沉降影響范圍明顯小于軟土和黏土層，且砂性土層較軟土和黏土層基坑最大地表沉降位置變化范圍略小。

圖5 地表豎向位移隨時間的變化規(guī)律Fig.5 Change rules of ground vertical displacement with time

圖6 地表豎向位移隨橫向水平距離的變化規(guī)律Fig.6 Change rules of ground vertical displacement with transverse horizontal distance

表2 砂土與其他場地基坑坑外地表沉降統(tǒng)計分析對比
Table 2 Comparison between ground settlements in sandy soil and other stratum case histories

土層條件基坑類型形狀圍護(hù)結(jié)構(gòu)Uz,max/he%Lzb/heLz,max/he砂土[5]--樁或墻等0～0.301.50～2.000.10～0.50上海軟土[9,10,18,20]--鉆孔灌注樁0.10～0.801.50～3.500.20～1.00長條形(地鐵車站)地下連續(xù)墻0.03～0.202.00～2.500.20～1.00蘇州粉質(zhì)黏土[12]方形基坑鉆孔灌注樁0.06～0.152.00～3.000.20～0.50長條形(地鐵車站)地下連續(xù)墻0.04～0.273.00～4.500.50～1.00富水卵石[16]長條形(地鐵車站)鉆孔灌注樁0.07～0.121.00～1.500.20～0.80砂土[17]長條形(地鐵車站)鉆孔灌注樁0.061.00～2.300.30～0.80砂卵石[22]長條形(地鐵車站)鉆孔灌注樁0.05～0.250.80～1.200.15～0.50富水砂層[11]長條形(地鐵車站)地下連續(xù)墻0.03～0.101.00～1.500.30～0.60富水砂層(本文)長條形(地鐵車站)鉆孔灌注樁0.05～0.131.00～2.000.30～0.50

1.3.3 地下水位變化 圖7為坑外地下水位隨時間的變化規(guī)律。圖8為坑外地下水位變化速率隨時間的變化規(guī)律。由圖可知，基坑開挖初期坑外地下水位穩(wěn)定下降，開挖完成后地下水位逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)；測點SW-2、SW-3、SW-5的地下水位先緩慢下降，受持續(xù)強(qiáng)降雨影響后地下水位逐漸回升而后急劇下降；測點SW-3和SW-5的地下水位累積變化量Hw及變化速率ΔHw均超過報警值，導(dǎo)致坑內(nèi)外出現(xiàn)局部失穩(wěn)現(xiàn)象，經(jīng)及時發(fā)現(xiàn)和加固處理，險情得以控制和排除，見圖7(a)和圖8(a)；測點SW-8、SW-9、SW-20、SW-21的地下水位累積變化量呈下降趨勢(圖7(b)和圖8(b))，其最大累積變化量均超過監(jiān)測報警值1 000.0 mm，而水位變化速率均未超過監(jiān)測報警值500.0 mm/d；現(xiàn)場監(jiān)測表明，該測點所在斷面未發(fā)生過大變形及其它失穩(wěn)現(xiàn)象。因此，跟蹤監(jiān)測并合理控制地下水位動態(tài)變化，保證止水帷幕施工質(zhì)量及其防滲效果，是降低基坑施工誘發(fā)周圍環(huán)境影響的關(guān)鍵。

圖7 坑外地下水位隨時間的變化規(guī)律Fig.7 Change rules of underground water level with time

圖8 坑外地下水位變化速率隨時間的變化規(guī)律Fig.8 Change rates of underground water level with time

2 數(shù)值模擬分析

2.1 計算模型及材料參數(shù)

根據(jù)本深基坑工程實際，基坑計算寬度為20.00 m，開挖總深度為16.10 m，開挖深度范圍主要為粘性土層和砂性土層?？紤]地層的無限性及施工擾動影響范圍，以基坑橫斷面方向為x軸，左右邊界距基坑邊沿50.00 m，側(cè)面位移邊界限制水平移動；以基坑開挖深度方向為z軸，上邊界為地表，下邊界取35.00 m，地表為自由邊界，底部固定邊界限制水平移動和垂直移動?？紤]模型的對稱性后取1/2模型進(jìn)行計算，建立的數(shù)值計算模型寬高分別為60.00和35.00 m，模型共劃分1 511個單元，12 610個節(jié)點，如圖9所示。

在數(shù)值模擬計算中，巖土體材料按均質(zhì)彈塑性考慮，屈服準(zhǔn)則采用能較好描述土體破壞應(yīng)力狀態(tài)的莫爾-庫侖(Mohr-Coulomb)屈服條件[23](見公式1)，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)采用彈性本構(gòu)關(guān)系，各材料主要物理力學(xué)參數(shù)詳見表3。基坑開挖采用分層降水分步開挖方式模擬，各工況坑內(nèi)地下水位降至開挖深度底下0.50 m，且先施作支護(hù)結(jié)構(gòu)再進(jìn)行坑內(nèi)土體開挖。地下水位取地表以下4.00 m，考慮地面施工荷載作用，地面超載取20.00 kPa。

(1)

圖9 基坑施工數(shù)值計算模型(單位：m)Fig.9 Numerical computation model for foundation construction (unit:m)

表3 各材料主要物理力學(xué)參數(shù)
Table 3 The main physical and mechanical parameters of soil and structure

類別土層名稱厚度h/(m)天然重度γ/(kN·m-3)飽和重度γsat/(kN·m-3)黏聚力c/(kPa)內(nèi)摩擦角φ/(°)彈性模量E/(MPa)泊松比ν巖土素填土1.9517.019.63.010.05.000.30粉質(zhì)粘土1.7018.719.219.318.09.560.34粉砂4.2017.919.810.830.011.300.34中砂3.0018.520.4035.014.400.31粗砂2.9019.020.7038.015.800.31礫砂5.7019.520.4040.019.700.30強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖0.9021.021.05023.06000.34中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖8.3024.024.060035.015000.34微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖3.8024.524.580040.025000.28結(jié)構(gòu)止水帷幕--20.0--12040.04000.25排樁擋墻--25.0------31 5000.20混凝土支撐--25.0------30 0000.20型鋼支撐--78.0------210 0000.30

2.2 計算結(jié)果對比與分析

2.2.1 水平位移分布特征 圖10為基坑開挖誘發(fā)的排樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移曲線。由圖可得，各工況對應(yīng)的最大水平位移Ux,max分別為1.41、13.88、19.65、20.56 mm；隨著基坑開挖深度加深，圍護(hù)樁水平位移逐漸增大，且最大水平位移值位置逐漸下移，其分布曲線由“斜線”形分布發(fā)展為“弓”形分布，最后形成倒“V”形分布，見圖10(a)；數(shù)值計算結(jié)果和現(xiàn)場實測的圍護(hù)樁水平位移曲線變化趨勢基本一致，兩者所得的圍護(hù)樁最大水平位移Ux,max分別為20.56、18.36 mm；以現(xiàn)場實測值為參照，數(shù)值計算結(jié)果為現(xiàn)場實測值的111.98%，見圖10(b)。

2.2.2 地表沉降分布特征 圖11為基坑開挖誘發(fā)的墻后地表沉降曲線。由圖可得，地表沉降隨基坑開挖深度加深而增大，各工況對應(yīng)的最大地表沉降Uz,max分別為-0.62、-3.68、-5.35、-5.68 mm；地表沉降曲線沿橫向水平距離呈凹槽形分布，即離基坑邊沿水平距離越遠(yuǎn)地表豎向位移越小，沉降槽隨開挖深度增加而加深變寬，見圖11(a)；數(shù)值計算結(jié)果和現(xiàn)場實測的坑外地表沉降曲線變化趨勢基本一致，兩者所得的最大地表沉降Uz,max分別為-5.68、-8.19 mm; 以現(xiàn)場實測值為參照，數(shù)值計算結(jié)果為現(xiàn)場實測值的69.35%；根據(jù)地表沉降曲線分布特征，沉降槽影響區(qū)域可分為變形主敏感區(qū)和變形次敏感區(qū)，即距基坑邊沿水平距離(1.00～1.50)he范圍內(nèi)為變形主敏感區(qū)，超過1.5he范圍為變形次敏感區(qū)，見圖11(b)。

圖10 基坑開挖誘發(fā)的排樁擋墻水平位移曲線Fig.10 Horizontal displacements of retaining pile induced by foundation pit excavation

圖11 基坑開挖誘發(fā)的墻后地表沉降曲線Fig.11 Ground settlements induced by foundation pit excavation

3 結(jié) 論

本文以某城市地鐵車站深基坑工程為研究對象，采用現(xiàn)場測試方法研究了深厚富水砂層排樁擋墻深基坑施工變形特性及其演變規(guī)律，并與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了對比，主要結(jié)論如下：

1)排樁擋墻水平位移分布曲線隨開挖深度的加深由“斜線”形—“弓”形—倒“V”形演變，最大水平位移位置逐步下移，而后穩(wěn)定于深度約10.50 m處，樁體最大水平位達(dá)到23.57 mm。

2)排樁擋墻最大水平位移及其位置與開挖深度的關(guān)系可采用線性函數(shù)描述，最大水平位移Ux,max約為(0.03%～0.15%)he，均值為0.08%he；最大水平位移位置Hx,max約為(0.40～1.00)he，均值為0.65he。

3)地表豎向位移隨時間增加而增大，其發(fā)展過程近似呈倒“S”形曲線分布，基坑開挖期間地表豎向位移增加趨勢顯著，直至底板澆筑后變形逐漸趨于穩(wěn)定；地表豎向位移沿橫向水平距離呈凹槽形分布，沉降槽隨開挖深度增加而加深變寬，沉降槽寬度約為(1.00～2.00)he，最大地表豎向位移位置距基坑邊沿水平距離約為(0.30～0.50)he。

4)持續(xù)強(qiáng)降雨是誘發(fā)排樁擋墻水平位移增大和地下水位顯著波動的重要因素，保證止水帷幕施工質(zhì)量及其防滲效果、重視并發(fā)揮基坑施工監(jiān)測的預(yù)判和反饋作用有利于深厚富水砂層深基坑施工安全及穩(wěn)定性控制。