軟土地基深基坑地表豎向位移監(jiān)測與分析

伍天賜

(上海新地海洋工程技術有限公司，上海 200083)

自21世紀以來我國經(jīng)濟發(fā)展迅速，城市面貌日新月異，地下空間的進一步開發(fā)迫在眉睫，施工安全是地下空間開發(fā)的首要問題，特別是軟土地基深基坑施工安全值得關注。近年來深基坑開挖施工產(chǎn)生的安全事故時有發(fā)生，成因涵蓋了勘察、設計、施工及監(jiān)測等多個階段及工作環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)均應予以重視，基坑施工安全的根本是控制支護結構的變形[1-3]，支護結構的變形得到控制即減小了坑外地表、建構筑物的變形，從而控制了基坑本體及周邊環(huán)境安全。文章以軟土地基某深基坑坑外豎向位移的監(jiān)測成果為例進行了相關分析，了解坑外地表豎向位移的影響因素[4-8]，旨在說明其成因及相關控制措施的重要性，為軟土地基的類似工程的施工提供參考。

1 工程概況

1.1 基坑概況

上海浦東新區(qū)某房建項目為地下二層，基坑形狀呈規(guī)則矩形，基坑面積約為14200m2，基坑周長500m，深10.4～11.8m。工程采用整坑順作法實施，基坑北側、西側主要采用800mm厚地下連續(xù)墻作為圍護結構，墻深25m；南側、東側采用Φ1000的鉆孔灌注樁作為圍護結構，樁長25m。地下連續(xù)墻側槽壁加固采用Φ850的三軸攪拌樁，內(nèi)側樁長16m，外側樁長19m，鉆孔灌注樁側止水帷幕采用Φ850的三軸攪拌樁，樁長19m?；友刎Q向設置兩道鋼筋混凝土支撐，支撐間距為5.4、4.5m，第一道鋼筋混凝土支撐截面尺寸為900mm800mm/700mm700mm，棧橋處支撐平面尺寸為800mm1200mm，第二道鋼筋混凝土支撐平面尺寸為1100mm800mm/800mm800mm。基坑沿豎向設置兩道鋼筋砼圍檁，第一道圍檁平面尺寸為1200mm800mm/800mm1000mm，第二道鋼筋砼圍檁平面尺寸為1300mm800mm。

基坑南北側及西側為市政道路，東側為既有河道。

1.2 地質(zhì)條件

(1)場地地層分布

本項目場地地層分布見表1。

表1 地層特性表

(2)地下水

①地表水

本工程東側西群河距離場地基坑較近，河水水面動態(tài)變化受大氣降雨量及潮汐影響較大。

②潛水

上海地區(qū)淺層地下水屬潛水，主要補給來源為大氣降水及地表涇流，排泄以蒸發(fā)為主，水位受降雨、潮汐、地表水及地面蒸發(fā)的影響有所變化；當大面積填土時，潛水水位會隨地面標高的升高而上升?？辈炱陂g潛水穩(wěn)定水位埋深為0.98～1.22m。

③承壓水

本工程勘察深度內(nèi)賦存有⑦1～⑨層承壓水，中間無隔水層，可視為同一承壓水層。根據(jù)上海市長期水位觀測資料，承壓水水位呈周期性變化，水位埋深為3.0～12.0m。根據(jù)設計計算，本基坑不存在突涌風險。

2 監(jiān)測點布置及埋設

本基坑布置了基坑本體及周邊環(huán)境監(jiān)測點，其中基坑本體監(jiān)測點包括圍護頂部豎向及水平位移監(jiān)測點、圍護結構深層水平位移監(jiān)測點、支撐軸力監(jiān)測點、立柱隆沉監(jiān)測點、坑外地下水位監(jiān)測點，周邊環(huán)境監(jiān)測點包括坑外地表監(jiān)測點、市政管線變形監(jiān)測點、建構筑物豎向位移監(jiān)測點。文章主要分析基坑坑外地表豎向位移的變形規(guī)律及成因，圍護結構深層水平位移一般是坑外地表豎向位移的主導因素，因此基坑監(jiān)測點布置主要介紹圍護結構深層水平位移及坑外地表豎向位移，本基坑南部區(qū)域變形具有代表性，因此監(jiān)測點布置基于該區(qū)域進行介紹，南部區(qū)域監(jiān)測點平面布置如圖1所示。

圖1 基坑南側監(jiān)測點平面布置圖

(1)圍護結構深層水平位移監(jiān)測

圍護結構深層水平位移監(jiān)測點一般間距30m左右，測點主要分布在圍護墻中間部位、陽角部位等關鍵部位，測斜孔深度較地下連續(xù)墻鋼筋籠長度短50cm左右。地墻鋼筋籠制作完成后，將測斜管牢固綁扎于鋼筋籠中部，管節(jié)間采用膠水進行密封處理，地墻混凝土澆筑前在管內(nèi)注水平衡內(nèi)外壓力，確保測斜管在混凝土澆筑施工過程中的姿態(tài)穩(wěn)定。

(2)坑外地表豎向位移監(jiān)測

坑外地表豎向位移監(jiān)測點以剖面形式布設，本項目沿基坑圍護邊相鄰剖面間距一般為30m，受場地條件限制，地表剖面監(jiān)測點布設范圍一般為2倍基坑挖深范圍，基坑東側為河道，到基坑邊線最近距離僅7.1m，最遠距離為35.0m，因此東側地表豎向位移監(jiān)測點布設原則為：圍護墻與防汛墻距離不足兩倍挖深的條件下測點布設至防汛墻邊緣土體，距離達兩倍挖深條件的布設至2倍距離。每條地表豎向位移監(jiān)測剖面上布設5個監(jiān)測點，由密至疏布置，至基坑邊線的距離分別為2、5、9、15、22m。為有效觀測坑外斷面準確可靠的豎向位移測值，采用鉆孔法將道路結構層穿透，直接在土體中安裝埋設不少于60cm長度的鋼筋，作為地表豎向位移監(jiān)測點，管口采用專業(yè)保護蓋進行保護。

3 主要施工工況

本項目基坑主要工況見表2。

表2 基坑主要工況

4 監(jiān)測成果分析

4.1 深層水平位移監(jiān)測

(1)基坑土方開挖后，圍護結構兩側形成壓力差，在外側水土荷載作用下，圍護結構開始向坑內(nèi)產(chǎn)生水平位移，深層水平位移曲線呈魚腹狀，隨著開挖深度的增加，產(chǎn)生最大位移的深度逐漸下移，如圖2—4所示，可以看出，第二層土方開挖引起的深層水平位移均在2cm以內(nèi)，最大位于東側測孔CX3處，9m深度處的位移量為11.91mm。第二層開挖完成至第三層土方開挖歷時41天，圍護深層水平位移是顯著的，尤其是中部測孔CX2在該階段的最大位移量增長了38.87mm，主要有三方面的因素，一是基坑暴露時間過長，墊層澆筑、支撐鋼筋綁扎及支撐達到設計強度前基坑均處于暴露狀態(tài)，產(chǎn)生了明顯的時間效應屬性位移；二是基坑平面尺寸大，南北向長度為173.0m，尤其東西向寬度達到了83.7m，屬于超寬基坑，圍護墻易變形；三是基坑南側圍護緊鄰道路，車輛荷載、開挖機械及土方運輸車輛形成的附加應力增加了圍護體深層水平位移。第二層土方開挖至第三層土方開挖前圍護深層水平位移大部分發(fā)生在支撐墊層施工、鋼筋綁扎施工等非開挖工況，位移量達到該階段總位移量的42.6%～71.0%，其中圍護邊中部測點位移量占比達到了71.0%，可見，加快支撐施工進度是有效抑制圍護深層水平位移的重要措施。

圖2 CX1孔各工況深層水平位移曲線

圖3 CX2孔各工況深層水平位移曲線

圖4 CX3孔各工況深層水平位移曲線

(2)第三層土方開挖后，開挖深度范圍內(nèi)的圍護外側圍壓增大，圍護深層水平位移速率較第二層土方要大，土方開挖過程中的位移總量相應也大。第二道混凝土支撐在底板鋼筋綁扎施工過程中對抑制圍護變形有一定效果，基坑暴露形成的時間效應變形明顯減弱，3個測孔的位移量均在10mm內(nèi)。底板澆筑后，隨著其強度的逐漸增長，其板撐作用明顯，圍護深層水平位移趨于收斂。第一、二道混凝土支撐拆除后，圍護體在不同深度產(chǎn)生了向坑內(nèi)的位移，以管口最為明顯，坑底下方較小。

(3)至監(jiān)測末期，北側圍護最大深層水平位移發(fā)生測孔CX2處，位移量為104.40mm，位于管口下13.0m深度(坑底下方1.5m)，見表3。

表3 監(jiān)測末期圍護結構深層水平位移統(tǒng)計

4.2 地表豎向位移監(jiān)測

(1)基坑開挖后，圍護結構向坑內(nèi)產(chǎn)生側向位移，坑外土體損失，擾動的土體開始固結沉降，地表產(chǎn)生向下的豎向位移，DB1斷面各測點豎向位移速率在底板澆筑完成前總體相當，如圖5所示。DB2、DB3斷面沉降速率在第三層土方開挖期間有所增長，如圖6—7所示，該工況下圍護深層水平位移增長較快，坑外土體損失量大，地表沉降速率相應增長；底板澆筑完成初期地表沉降速率增長明顯，其主要原因為混凝土強度小，尚未完全發(fā)揮其板撐作用，同時在澆筑過程中坑周泵車荷載較大，加劇了坑周土體的固結量，引起該階段地表沉降量顯著；隨著底板強度的逐漸增長，其板撐效應明顯，圍護結構側向位移逐漸收斂，坑周地表沉降主要受結構施工材料超載影響，監(jiān)測末期坑外地表豎向位移基本收斂。坑周水位在基坑土方開挖施工過程中總體表現(xiàn)出降落趨勢，亦是增加坑周地表豎向位移因素之一。監(jiān)測末期斷面監(jiān)測點累計豎向位移量統(tǒng)計見表4。

圖5 DB1剖面各測點豎向位移歷時過程線

圖6 DB2剖面各測點豎向位移歷時過程線

圖7 DB3剖面各測點豎向位移歷時過程線

表4 監(jiān)測末期地表剖面豎向位移累計量 單位：mm

(2)對三個地表沉降剖面進行了不同工況下坑外地表沉降槽的繪制，如圖8—10所示。可以看出，基坑土方開挖后坑外土體損失，地表在垂直基坑邊線方向逐漸形成沉降槽，隨著開挖深度的增加，槽深亦逐漸增加，剖面最大沉降基本發(fā)生在距圍護外邊線9m測點處，DB3剖面最大沉降發(fā)生在距圍護外邊線5m處，剖面最大沉降距離與基坑挖深的比值分別為0.8、0.5，符合軟土地基深基坑地表沉降槽最大沉降點分布規(guī)律，即地表最大沉降量發(fā)生的位置至基坑邊緣距離與基坑挖深之比為0.5～1.0。基坑底板澆筑完成10天后地表最大沉降位于DB2剖面，累計沉降量為-135.54mm，但對應的CX2測斜孔最大深層水平位移量僅為88.29mm，遠小于坑外地表剖面最大沉降量，與劉濤[9]統(tǒng)計的最大地表沉降與測斜比值在0.9到1之間有明顯偏差，其原因為基坑開挖施工過程中坑周超載較大，加劇了地表土層的固結速率，同時加大了總固結量。

圖8 DB1剖面各工況沉降槽分布圖

(3)從各剖面地表不同工況沉降槽可以看出，底板澆筑完成后的地表沉降槽整體降落較大，且沉降槽加深，由主要結構施工期建筑材料堆放形成的超載附加應力影響所致，底板澆筑后坑外被擾動土體次固結亦是沉降槽降落的原因之一。與采用同類圍護結構形式及同挖深的基坑相比，監(jiān)測末期本基坑坑外地表沉降量偏大，其原因主要有3點，一是該側圍護結構采用灌注樁圍護結構，整體剛度較同寬度的地下連續(xù)墻要小，在坑外水土荷載作用下易變形；二是基坑寬度較大，在相同荷載作用下，對于同深度基坑，寬度大的基坑側向位移相對明顯；三是本基坑坑底上下分布了較厚軟弱土層，在外側荷載作用下易變形。

圖9 DB2剖面各工況沉降槽分布圖

圖10 DB3剖面各工況沉降槽分布圖

5 結語

(1)坑外地表豎向位移與圍護體深層水平位移、圍護體滲漏、地表超載形成的附加應力及土層強度相關，其中圍護體深層水平位移是決定地表豎向位移量值大小的關鍵因素，因此基坑土方開挖過程中應嚴格遵循“開槽支撐，先撐后挖，分層開挖，嚴禁超挖”的十六字原則，有效控制圍護體深層水平位移，減小坑外土體的擾動，從而控制坑外地表豎向位移。

(2)具有較大寬度的深基坑通常采用混凝土支撐，其施工周期長，基坑暴露的時間相對較長，在軟土地區(qū)時間效應產(chǎn)生的圍護深層水平位移顯著，應組織足夠的人力實施混凝土支撐的施工，盡快實現(xiàn)支撐對圍護體變形的抑制作用，有效控制坑外土體的擾動變形。

(3)基坑底板澆筑完成后坑外地表豎向位移主要由坑周超載附加應力及土體次固結沉降決定。結構施工原材料宜堆放在對坑周地表變形影響較小區(qū)域，集中堆放時應考慮地面硬化并控制其高度，盡量形成均布小荷載，將附加應力對坑周地表的變形影響程度控制到最小。