深大基坑基底隆起變形性狀及規(guī)律分析*

高 莉，呂連勛，錢(qián) 明，張衍林

(1.中國(guó)石油天然氣股份有限公司廣西石化分公司，廣西 欽州 535008；2.青島中油巖土工程有限公司，山東 青島 266071； 3.北京市勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100038； 4.煤炭科學(xué)研究總院礦山大數(shù)據(jù)研究院，北京 100013)

0 引言

隨著城市開(kāi)發(fā)規(guī)模與建設(shè)密度的不斷增加，地下空間開(kāi)發(fā)利用的需求愈發(fā)突出，深基坑工程也逐漸呈現(xiàn)開(kāi)挖深度、占地面積越來(lái)越大的趨勢(shì)[1-2]。由于周邊環(huán)境與地質(zhì)條件的復(fù)雜性和不確定性，變形控制成為深基坑設(shè)計(jì)與施工中備受關(guān)注的技術(shù)要點(diǎn)。通過(guò)研究有關(guān)深基坑事故實(shí)例發(fā)現(xiàn)，坑底隆起引發(fā)的失穩(wěn)破壞是常見(jiàn)的事故原因之一[3-4]。過(guò)大的基底隆起預(yù)示著地基土層的塑性破壞，影響深基坑工程的穩(wěn)定與安全，應(yīng)當(dāng)在施工與監(jiān)測(cè)過(guò)程中予以足夠的重視。

深基坑基底隆起及穩(wěn)定性控制等研究具有重要實(shí)踐意義，不少學(xué)者已在相關(guān)理論及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等方面取得了豐碩成果。陳昆等[5]基于原狀土強(qiáng)度及卸荷參數(shù)分析了基坑施工過(guò)程中基底回彈及支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形情況，并通過(guò)與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，研究卸荷作用對(duì)土體強(qiáng)度的損傷程度。Borges等[6]依托軟土地區(qū)樁錨支護(hù)基坑工程實(shí)例，分析了軟弱基底的抗隆起穩(wěn)定性，利用有限元研究了加快基坑開(kāi)挖與及時(shí)施作底板等控制措施對(duì)減小基底隆起變形的有效性。趙宏宇等[7]對(duì)基坑施工過(guò)程的環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行追蹤監(jiān)測(cè)，分析了預(yù)應(yīng)力型鋼組合支撐對(duì)圍護(hù)體系變形的影響，并研究了周邊結(jié)構(gòu)的沉降規(guī)律。范建軍等[8]系統(tǒng)研究了自穩(wěn)式深大基坑施工擾動(dòng)后的變形峰值分布，建立了基于施工擾動(dòng)的位移預(yù)測(cè)公式。韓健勇等[9]研究了樁錨支護(hù)體系深基坑的受力變形規(guī)律，并通過(guò)抗傾覆及抗隆起穩(wěn)定性驗(yàn)算，探討圍護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)效果。

上述研究對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程中的基底隆起穩(wěn)定性及支護(hù)變形控制具有一定指導(dǎo)意義，但基底隆起的影響因素復(fù)雜且具有隨機(jī)性，關(guān)于其變形特性及發(fā)展規(guī)律的研究還不成熟。本文以北京某深大基坑工程為依托，建立開(kāi)挖數(shù)值模型，系統(tǒng)研究整體開(kāi)挖引起的土壓力差、支擋結(jié)構(gòu)向坑內(nèi)變位、地下水滲透及深層承壓水水頭變動(dòng)等導(dǎo)致的基底隆起變形性狀，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)資料研究基底變形規(guī)律，以期為超深大基坑支護(hù)設(shè)計(jì)與施工提供一定借鑒。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

某超高層建筑位于北京市CBD核心區(qū)，占地范圍約為135m×85m，基坑深度為38.5m，其中，相對(duì)標(biāo)高 -27.200m 以上采用樁錨支護(hù)(φ1 000大直徑鉆孔灌注樁+5道高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨索)；標(biāo)高-27.200m以下采用地下連續(xù)墻+預(yù)應(yīng)力錨桿+混凝土內(nèi)支撐的綜合支護(hù)方案。該超深基坑典型支護(hù)剖面如圖1所示。第1道錨索長(zhǎng)26m，錨固段長(zhǎng)8m，由3根7股φ5的鋼絲組成；第2道錨索長(zhǎng)23m，錨固段長(zhǎng)7m，由3根7股φ5的鋼絲組成；第3道錨索長(zhǎng)20m，錨固段長(zhǎng)5m，由4根7股φ5的鋼絲組成；第4道錨索長(zhǎng)22m，錨固段長(zhǎng)5m，由4根7股φ5的鋼絲組成；第5道錨索長(zhǎng)20m，錨固段長(zhǎng)5m，由4根7股φ5的鋼絲組成。錨固間距均為1.8m。

圖1 基坑典型支護(hù)剖面

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

項(xiàng)目場(chǎng)地地層按沉積年代及成因特點(diǎn)，分為人工堆積層和第四紀(jì)沉積層[10]?？碧缴疃确秶鷥?nèi)，各土層在豎直方向上，表現(xiàn)為穩(wěn)定的由黏性土、粉土至砂土、卵石的沉積旋回；在水平方向上，各土層分布厚度、土質(zhì)特征有一定變化。

工程場(chǎng)區(qū)自然地面下60m深度內(nèi)存在4層地下水，地下水類型自上而下依次為層間潛水及承壓水(3層)，與區(qū)域地下水分布條件基本一致。各層地下水水位及巖性情況如表1所示。

表1 各層地下水水位及巖性情況

2 隆起誘發(fā)機(jī)理及仿真模擬

2.1 基底隆起誘發(fā)機(jī)理

深基坑基底變形主要包括坑底土體的隆起變形及開(kāi)挖卸載引起的基底回彈[11]。若支護(hù)結(jié)構(gòu)插入深度、強(qiáng)度、剛度足夠且基底封閉及時(shí)，以線性回彈變形為主，否則基底將以隆起變形為主。尤其是地基土在外界環(huán)境等影響下出現(xiàn)塑性破壞時(shí)，豎向位移中雖然也包含卸載回彈，但回彈量級(jí)遠(yuǎn)低于隆起變形。

基底隆起變形不可避免，但可通過(guò)一定措施進(jìn)行控制，避免出現(xiàn)過(guò)大隆起。誘發(fā)基底隆起的影響因素具有模糊性和隨機(jī)性，與開(kāi)挖深度、支護(hù)情況、地層地質(zhì)及水文地質(zhì)條件均有關(guān)。根據(jù)現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)[11-12]及基坑施工后引起的環(huán)境條件變化，總結(jié)如下。

1)由于場(chǎng)區(qū)內(nèi)土體大范圍整體開(kāi)挖，導(dǎo)致基坑與周圍土體產(chǎn)生較大的土壓力差，在內(nèi)外自重壓差的影響下，土體產(chǎn)生豎向變形。

2)由于坑壁的水平力作用，支擋體系向內(nèi)側(cè)移動(dòng)，引起被動(dòng)區(qū)地基土的拉伸剪切破壞，導(dǎo)致坑底隆起變形。

3)地下水繞止水帷幕或深部承壓水通過(guò)勘察孔、樁孔等產(chǎn)生自下而上的滲流，導(dǎo)致滲流影響區(qū)的地基土在動(dòng)水力作用下發(fā)生隆起。

4)承壓水測(cè)壓水頭因現(xiàn)場(chǎng)降水停滯、補(bǔ)給增多等因素增大，或隔水層以上的覆土因基坑開(kāi)挖而減少，導(dǎo)致上部土體及結(jié)構(gòu)受到的承壓水浮力作用變大而發(fā)生豎向變形。

2.2 仿真模型及計(jì)算參數(shù)

隆起變形的形成機(jī)理復(fù)雜，難以通過(guò)解析法進(jìn)行預(yù)測(cè)。根據(jù)上述基底隆起的主要因素，采用數(shù)值仿真法從基底隆起的空間、機(jī)理、變形量級(jí)等方面，分析不同因素引起的基底隆起變形性狀。

2.2.1數(shù)值計(jì)算模型

考慮巖土特性的不確定性與復(fù)雜性，數(shù)值分析中采用以下假定：①土體材料為均質(zhì)、各向同性的連續(xù)介質(zhì)；②忽略施工過(guò)程中疏干的層間水及第1層承壓水的作用，將第2,3層承壓水對(duì)上部土層的影響簡(jiǎn)化為豎向作用力。

約束條件選用默認(rèn)的位移約束，即兩側(cè)限制水平向位移，底部限制豎向位移，頂部設(shè)為自由條件。建立的數(shù)值計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型

2.2.2本構(gòu)模型及參數(shù)確定

根據(jù)已有研究成果及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)[12]，土體本構(gòu)關(guān)系選擇莫爾-庫(kù)侖模型，錨桿及樁結(jié)構(gòu)分別選用cable，pile單元。

根據(jù)場(chǎng)區(qū)勘察報(bào)告，并通過(guò)工程類比及反分析確定土體計(jì)算參數(shù)，如表2所示。

表2 土體主要物理力學(xué)指標(biāo)

2.3 施工模擬步序

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工情況，結(jié)合模擬分析的主要目的，將分步施工模擬分為以下階段。

1)階段1 生成初始應(yīng)力場(chǎng)。

2)階段2 按實(shí)際施工步序施作支護(hù)樁，分層開(kāi)挖，施作錨桿、工程樁和地下連續(xù)墻。

3)階段3 邊開(kāi)挖邊支護(hù)，基坑開(kāi)挖至標(biāo)高 -38.000m， 模擬整體開(kāi)挖后的卸載回彈及土自重壓差對(duì)基底隆起的影響。

4)階段4-1 基坑施工至設(shè)計(jì)標(biāo)高后進(jìn)行位移清零，并取消錨桿及工程樁，模擬支擋體系向坑內(nèi)變位引起的基底變形。

5)階段4-2 基坑開(kāi)挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高后進(jìn)行位移清零，將第2層承壓水水頭升高2m，模擬第3層承壓水通過(guò)樁孔發(fā)生向上滲透引起的基底變形。

6)階段4-3 基坑開(kāi)挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高后進(jìn)行位移清零，將第3層承壓水水頭升高5m，模擬第3層承壓水通過(guò)樁孔發(fā)生向上滲透引起的基底變形。

3 基底隆起變形特性

3.1 基坑整體開(kāi)挖

基坑開(kāi)挖前，其應(yīng)力條件相對(duì)穩(wěn)定；大面積開(kāi)挖后，由于地基土卸載及周邊自重壓差，影響了原土體的平衡狀態(tài)，出現(xiàn)基底向上變形的趨勢(shì)。分析過(guò)程中單獨(dú)考慮基坑整體開(kāi)挖對(duì)基底變形的影響，不考慮地下水的影響。開(kāi)挖及支護(hù)完成后的基坑及周圍土體豎向變形如圖3所示。

圖3 基坑整體開(kāi)挖后的豎向變形(單位：cm)

1)超深基坑施工后，基底與周圍土體的壓力差很大，即便采用多級(jí)高強(qiáng)度支護(hù)，仍會(huì)發(fā)生局部區(qū)域土體的塑性破壞，此時(shí)，基底的豎向變形以塑性隆起為主。

2)受周圍土自重影響，遠(yuǎn)離基坑的土體以相對(duì)微弱的沉降變形為主；地基土的變形大致表現(xiàn)為越靠近基坑中心隆起趨勢(shì)越明顯，坑內(nèi)各部位總變形量為28～62mm。

3)工程樁對(duì)基底隆起具有較好的控制作用，基坑施工完成后，中部受工程樁的約束，豎向變形量略小于右側(cè)立柱附近的無(wú)樁部位，工程樁可減少隆起變形量12～22mm。

4)地下連續(xù)墻、圍護(hù)樁等對(duì)基底豎向變形發(fā)展具有約束效應(yīng)，土體開(kāi)挖在坑角邊處產(chǎn)生的位移量最小，向基坑中部漸增。

3.2 支擋結(jié)構(gòu)向坑內(nèi)變位

基坑開(kāi)挖后，支護(hù)結(jié)構(gòu)向槽內(nèi)偏移造成基坑及周圍土體變形，如圖4所示。

圖4 支擋結(jié)構(gòu)變位引起的豎向變形(單位：cm)

1)支護(hù)結(jié)構(gòu)向槽內(nèi)偏移，導(dǎo)致周邊土體向基坑內(nèi)移動(dòng)而出現(xiàn)較大沉陷，同時(shí)坑內(nèi)土體受擠壓發(fā)生基底隆起，一般來(lái)說(shuō)，支護(hù)樁的剛度及插入深度越小，受壓區(qū)土體因剪切而產(chǎn)生的基底豎向變形越大。

2)由于支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)土體豎向變形的控制，坑底隆起最大點(diǎn)不在最邊緣處；且基坑中部土體距支護(hù)結(jié)構(gòu)較遠(yuǎn)，受擠壓作用較小，隆起變形量最小，僅1～5mm，故坑底隆起性狀總體呈馬鞍形。

3)基底隆起變形主要集中在距坑壁1倍左右基坑深度的小范圍區(qū)域，在不考慮錨桿及支護(hù)結(jié)構(gòu)水平撐力的極端情況下，基底最大變形量約為47mm，但絕大部分區(qū)域隆起量≤5mm。說(shuō)明支擋結(jié)構(gòu)向坑內(nèi)變位對(duì)地基土的影響有限，做好坑側(cè)壁土體水平支撐及圍護(hù)，保證支護(hù)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定，可降低基底隆起。

3.3 地下水滲透

基坑施工時(shí)采用降水、止水進(jìn)行地下水控制。計(jì)算因深層承壓水透過(guò)天窗效應(yīng)滲透至上層含水層引起基底變形，槽底以下的卵石層(第2層承壓水含水層)水頭變化按≤2m考慮。地下水滲透引起的豎向變形如圖5所示。

圖5 地下水滲透引起的豎向變形(單位：mm)

1)深部承壓水通過(guò)勘察孔、樁孔等發(fā)生由下至上的滲流，致使影響范圍內(nèi)的地基土承受較大的動(dòng)水力，引起基坑及周圍土體的整體上浮，且越接近地表土層變形量越大。

2)工程樁對(duì)滲透引起的基底隆起變形抑制作用有限，基坑中部工程樁區(qū)域的變形量?jī)H小于無(wú)樁區(qū)域約0.5mm。

3)滲流作用引起的土層變形量相對(duì)較小，其中基坑外側(cè)土體變形≤3mm，坑內(nèi)基底最大變形約為4mm，且主要位于支護(hù)樁及地下連續(xù)墻附近。因此，受地下水滲透引起的上層含水層較低水頭變動(dòng)，對(duì)基底隆起有一定影響，但影響程度較低。

3.4 深層承壓水水頭變動(dòng)

深層承壓水發(fā)生較大水頭變動(dòng)，將通過(guò)相對(duì)隔水層直接作用于上部地層。假定施工期間第3層承壓水水頭增加5m，以此分析深層承壓水水頭變動(dòng)對(duì)基底隆起變形的影響，結(jié)果如圖6所示。

圖6 承壓水水頭變動(dòng)導(dǎo)致的豎向變形(單位：mm)

1)短時(shí)間內(nèi)深層含水層的承壓性增大，導(dǎo)致隔水層及其以上土體承受的浮力作用增大，引起基坑周邊及附近區(qū)域地層的整體升高，當(dāng)測(cè)壓水頭增加5m時(shí)，附近地表普遍升高可達(dá)6.5mm以上。

2)基底隆起量較大區(qū)域主要位于基坑側(cè)壁的支護(hù)樁及地下連續(xù)墻部位，可能與該部位突變易發(fā)生應(yīng)力集中有關(guān)，最大基底變形達(dá)8.9mm。

3)承壓水變化引起的基底隆起伴隨著周圍地層的整體上浮，水位變化易通過(guò)附近區(qū)域的深層地下水觀測(cè)孔進(jìn)行觀測(cè)，變形可通過(guò)附近的沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)綜合判別。該因素將引起地基發(fā)生較大的均勻變形，與施工過(guò)程及技術(shù)優(yōu)化無(wú)關(guān)，在確?；又ёo(hù)體系穩(wěn)定的前提下，不會(huì)引起較大危害。

4 隆起變形發(fā)展規(guī)律

在施工現(xiàn)場(chǎng)基底立柱上設(shè)置位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)(見(jiàn)圖7)。對(duì)豎向變形進(jìn)行追蹤監(jiān)測(cè)，分析基底變形發(fā)展規(guī)律。分別以基坑?xùn)|、西側(cè)代表性監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為例，繪制基底變形時(shí)程曲線，如圖8所示。

圖7 施工現(xiàn)場(chǎng)豎向變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)

圖8 基底累積變形監(jiān)測(cè)時(shí)程曲線

1)從基底變形量級(jí)來(lái)分析，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累積變形量為29～66mm，為復(fù)雜因素綜合引起的基底隆起；對(duì)比基坑整體開(kāi)挖引起的基底隆起計(jì)算結(jié)果(28～62mm)，發(fā)現(xiàn)二者差距極小，因此，基坑整體開(kāi)挖是形成基底隆起的最關(guān)鍵因素。

2)對(duì)比不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形數(shù)據(jù)，由于基坑北側(cè)地下連續(xù)墻、排樁等支護(hù)體系強(qiáng)度高，對(duì)土體豎向位移約束作用大，土體開(kāi)挖在坑角邊處產(chǎn)生的隆起較小，靠近基坑中部監(jiān)測(cè)點(diǎn)隆起較大，與基坑整體開(kāi)挖卸載數(shù)值分析的結(jié)論一致。

3)基底隆起變形前期以變形量較小且穩(wěn)定的回彈為主，后在某時(shí)段內(nèi)發(fā)生明顯的突變上浮現(xiàn)象。其中，基坑?xùn)|、西側(cè)瞬時(shí)隆起量分別為18，33mm，然后緩慢上浮達(dá)到峰值，再以日變形量亞毫米級(jí)緩慢上浮、下沉波動(dòng)。

4)基底發(fā)生突變上浮是由于基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，對(duì)變形起到一定的抑制作用，致使結(jié)構(gòu)應(yīng)力逐漸積累，出現(xiàn)變形滯后的現(xiàn)象；待結(jié)構(gòu)應(yīng)力達(dá)到一定程度后，應(yīng)力突然釋放并表現(xiàn)為基底短時(shí)間內(nèi)快速隆起。

5 結(jié)語(yǔ)

1)深基坑基底隆起的誘發(fā)因素復(fù)雜，主要與開(kāi)挖施工引起的環(huán)境條件變化有關(guān)，包括地層整體開(kāi)挖產(chǎn)生的土壓力差、支擋結(jié)構(gòu)受水平力作用發(fā)生向坑內(nèi)的變位、地下水滲透作用及深層承壓水的浮托影響等?；茁∑鹱冃坞m不可避免，但可通過(guò)一定措施進(jìn)行控制，防止出現(xiàn)過(guò)大的隆起。

2)超深基坑開(kāi)挖后，基底與周圍土體的自重壓差很大，即便采用多級(jí)高強(qiáng)度支護(hù)措施，仍會(huì)因局部土體的塑性破壞而發(fā)生隆起變形?；油鈧?cè)土體以相對(duì)微弱的沉降變形為主；坑內(nèi)發(fā)生隆起且向中部隆起量漸增，提前施作工程樁對(duì)基底變形具有較好的控制作用。

3)確?；又ёo(hù)體系穩(wěn)定的前提下，整體開(kāi)挖是形成基底隆起的主要因素；支擋結(jié)構(gòu)向坑內(nèi)變位會(huì)引起馬鞍形的基底隆起變形，但影響范圍主要集中在距坑側(cè)壁1倍左右基坑深度的小范圍區(qū)域內(nèi)；地下水滲透及深層承壓水水頭變動(dòng)會(huì)引起基坑及周圍土體發(fā)生整體上浮，但影響較小，一般不會(huì)引起較大危害。

4)基底前期以變形量較小且穩(wěn)定的回彈為主，后在某時(shí)段內(nèi)發(fā)生突變上浮，然后又緩慢上浮達(dá)到峰值，再以日變形量亞毫米級(jí)緩慢上浮、下沉波動(dòng)。