某深基坑立柱豎向位移實測分析

徐宏妍

（南京東大巖土工程勘察設(shè)計研究院有限公司，南京 210007）

1 引言

目前在深基坑工程中，內(nèi)支撐體系的應(yīng)用已愈發(fā)廣泛。在實際工程中立柱作為內(nèi)支撐體系中的重要組成部分，設(shè)計人員往往更重視其是否滿足承載力，而容易忽略立柱在土方開挖過程中位移變化對整個支撐體系的影響。在基坑監(jiān)測過程中，監(jiān)測人員也常常忽視立柱的變形發(fā)展情況。立柱的抬升和沉降會導(dǎo)致支護結(jié)構(gòu)實際受力情況與設(shè)計工況不符，情況嚴(yán)重時，變形不受控制將成為基坑支撐體系的安全隱患。立柱產(chǎn)生豎向位移的因素主要有坑底隆起（坑底回彈）、豎向荷載、溫度作用、施工誤差大小、承壓水、混凝土收縮徐變等[1]。立柱豎向變形往往是多因素共同作用的結(jié)果，其中坑底隆起（坑底回彈）和豎向荷載是最主要的兩個因素。

深基坑立柱發(fā)生豎向位移（抬升或下沉）是一個隨土方開挖而不斷變化的動態(tài)過程?？觾?nèi)外土壓力差而導(dǎo)致的坑底隆起和卸荷作用導(dǎo)致的坑底回彈是使立柱樁產(chǎn)生抬升趨勢的最主要因素，拆除支撐后作用在立柱上的豎向荷載減小也會使立柱向上回彈[2]?？拥茁∑鹆康拇笮∨c工程地質(zhì)水文條件和圍護結(jié)構(gòu)剛度相關(guān)，參數(shù)選取和理論模型都難以定量計算。豎向荷載（含自重）能夠使立柱產(chǎn)生下沉趨勢，另外，欠固結(jié)軟土或地下水位快速下降而導(dǎo)致的負(fù)摩阻力也會讓立柱樁有下沉趨勢。而溫度作用、混凝土收縮徐變以及立柱樁端土體因立柱抬升時產(chǎn)生的應(yīng)力釋放等對立柱的豎向位移影響都是較小的[3]。由于引起立柱抬升和下沉的因素較多，且動態(tài)變化、機理復(fù)雜，立柱的變形往往難以預(yù)測，同一支撐體系內(nèi)的立柱變形也不均勻，很多實際工程的監(jiān)測數(shù)據(jù)也證明了這一點。立柱豎向位移定量計算困難，要通過分析實時監(jiān)測數(shù)據(jù)來把握其變形發(fā)展，指導(dǎo)施工，從而避免支撐體系內(nèi)局部產(chǎn)生較大的附加應(yīng)力而引發(fā)支撐體系不穩(wěn)定。

2 工程概況

2.1 項目概況及工程水文地質(zhì)條件

某深基坑工程開挖面積約55 000 m2，周長約940 m，基坑挖深為15.80~16.80 m，場地周邊較為開闊。

對工程有影響的地下水主要為潛水和第Ⅰ層承壓水。潛水主要埋藏于②1層砂質(zhì)粉土層，穩(wěn)定水位埋深1.23 m。第Ⅰ層承壓水主要埋藏于③1層砂質(zhì)粉土層和③4層粉砂層中（具連通性），穩(wěn)定水位埋深4.30m。

2.2 支護結(jié)構(gòu)設(shè)計

本工程開挖面積大、挖深較深、水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜（分布有較厚的中密、密實、滲透性極強的砂性土和較厚的流塑狀淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土），支護結(jié)構(gòu)側(cè)壁安全等級為一級。支護結(jié)構(gòu)設(shè)計以基坑安全為前提，綜合經(jīng)濟成本、施工便利和實際地質(zhì)條件，北側(cè)和東側(cè)圍護結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻，西側(cè)和南側(cè)圍護結(jié)構(gòu)采用鉆孔樁結(jié)合TRD工法，內(nèi)支撐采用兩層鋼筋混凝土環(huán)撐[4]。圍護結(jié)構(gòu)嵌固深度20 m，立柱樁采用鉆孔灌注樁，樁徑800~1 000 mm，基坑開挖面下樁長26.0~36.0 m。立柱采用550 mm×550 mm鋼格構(gòu)柱。

3 立柱豎向位移實測值分析

本文選取布有監(jiān)測點的立柱所實測得到的監(jiān)測值進行比較分析，立柱監(jiān)測點布設(shè)于基坑中部、多根支撐交匯處、地質(zhì)條件復(fù)雜處、承受荷載較大處的立柱上，并布設(shè)于立柱上端或側(cè)面，如圖1所示。

圖1 基坑立柱監(jiān)測布置圖

3.1 各開挖工況下實測值分析

1）3月22日—4月4日，第1層支撐已具備設(shè)計強度，環(huán)撐中部土方開挖至2層支撐標(biāo)高，立柱主要承受側(cè)向土壓力和頂部豎向荷載影響，大部分立柱以下沉為主。

2）4月4日—4月8日，東北側(cè)支撐下方土體開挖，開挖范圍內(nèi)立柱仍以下沉為主，因非對稱開挖，導(dǎo)致對向西南側(cè)的立柱則抬升較為明顯。

3）4月9日—4月23日，東側(cè)、北側(cè)和南側(cè)、西側(cè)土方先后開挖至2層支撐標(biāo)高處，2層支撐已施工。因非對稱開挖土方使得整個支撐體系內(nèi)的受力不均衡。開挖順序?qū)α⒅奶统两涤绊戄^大，難以反映出土方卸荷和豎向荷載對立柱豎向位移的影響大小。但當(dāng)土方全部開挖至2層支撐標(biāo)高后，除少量立柱變化較大外，大部分立柱的豎向位移表現(xiàn)為回調(diào)，即已經(jīng)抬升的立柱下沉，而下沉的立柱也有所抬升。同時，整個支撐體系內(nèi)的軸力變化較小，整體向受壓區(qū)收斂。4月24日—5月6日環(huán)撐中部開挖到坑底，所有立柱均下沉。

4）5月7日—5月14日，先開挖東側(cè)和北側(cè)支撐下部土方，東側(cè)和北側(cè)的立柱先抬升后下沉，而對向西側(cè)和南側(cè)的立柱下沉，這主要是不對稱開挖導(dǎo)致的。

5）5月14日—6月8日，大面積開挖支撐下土方，除出土口處立柱表現(xiàn)為受壓外，其余立柱均表現(xiàn)為抬升，位移突變后大部分立柱位移表現(xiàn)為緩慢抬升，5月15日，立柱位移發(fā)生突變是因為環(huán)撐中部區(qū)域進行了墊層施工，限制了環(huán)撐中部土體的隆起回彈。

6）6月9日—8月2日，墊層施工至底板澆筑施工完成，立柱抬升或下沉的趨勢已穩(wěn)定，僅因豎向施工荷載變化而使立柱發(fā)生較小變化。此外，棧橋立柱因是最后開挖土方和施工墊層，其立柱位移由下沉轉(zhuǎn)為抬升。仍有少量5月7日—5月14日先開挖東側(cè)和北側(cè)支撐下部土方，東側(cè)和北側(cè)的立柱先抬升后下沉，而對向西側(cè)和南側(cè)的立柱下沉，這主要是因為不對稱開挖導(dǎo)致的。

7）5月14日—6月8日，大面積開挖支撐下土方，除出土口處立柱表現(xiàn)為受壓外，其余立柱均表現(xiàn)為抬升，5月15日，立柱位移發(fā)生突變是因為環(huán)撐中部進行了墊層澆筑施工。

8）8月3日—9月29日，底板澆筑完成至1層支撐拆除，立柱的位移波動較小。從8月25日2層支撐對稱拆除到9月2日拆撐完成，所有立柱均抬升，且前期抬升位移量較大，后期平緩，同時，圍護結(jié)構(gòu)豎向位移變化與立柱的變化一致。圍護結(jié)構(gòu)和立柱抬升主要是因為豎向荷載變小而引起的。

3.2 立柱位移對支撐軸力和支撐體系穩(wěn)定性的影響

立柱對支撐軸力的影響在于節(jié)點位移變化會使支撐產(chǎn)生附加彎矩。在受力簡單的對撐或角撐體系內(nèi)，通過計算立柱與圍護結(jié)構(gòu)的差異沉降來估算附加彎矩有參考意義，但在類似于本工程這種大環(huán)撐、多節(jié)點、受力復(fù)雜的支撐體系中，附加彎矩的估算比較困難[5]。通過本工程的監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計，立柱在位移變化明顯時，支撐軸力并沒有明顯增加或減小，僅在2層支撐拆除時，立柱抬升與1層支撐軸力增加表現(xiàn)出正相關(guān)性。隨后在立柱緩慢抬升過程中，1層支撐軸力略有減小并趨于穩(wěn)定。

立柱與圍護結(jié)構(gòu)的差異沉降影響支撐體系的穩(wěn)定。本工程中，立柱的豎向位移與圍護結(jié)構(gòu)的位移變化趨勢高度一致，差異沉降較小，導(dǎo)致這種情況的主要原因是土方開挖初期非對稱開挖造成的整個體系受力不均衡，整個體系在初期就產(chǎn)生了豎向形變，使得局部立柱和圍護墻發(fā)生了不可逆的抬升或下沉，這種位移量雖然很小，但直至底板澆筑，立柱和圍護墻抬升或下沉的趨勢也沒有本質(zhì)改變[6]。立柱和圍護結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)變形，差異沉降小則對支撐軸力產(chǎn)生的附加彎矩較小。本工程支撐梁為現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁，立柱為鋼格構(gòu)柱，相較于鋼支撐體系，本工程支撐體系的變形協(xié)調(diào)更好。

4 結(jié)論

1）立柱和圍護結(jié)構(gòu)作為支撐體系的組成部分，受整個體系受力情況的制約，土方開挖如不按設(shè)計工況進行，不均衡的受力勢必會使整個體系在初期就產(chǎn)生一定的位移趨勢，且這種趨勢較難逆轉(zhuǎn)。本工程中，內(nèi)支撐采用環(huán)撐，強調(diào)對稱開挖。實際施工時，非對稱開挖會導(dǎo)致部分立柱下沉、部分立柱抬升，直至底板澆筑，立柱和圍護墻抬升或下沉的趨勢也沒有本質(zhì)改變，但合理的開挖順序會改善這種趨勢，實際施工中應(yīng)盡量保證對稱開挖，以控制立柱的下沉和抬升。

2）立柱對支撐軸力和支撐體系穩(wěn)定的影響主要在于立柱與圍護結(jié)構(gòu)的差異沉降量。僅從立柱位移情況異常而判斷支撐體系不穩(wěn)定是片面的，應(yīng)要結(jié)合圍護結(jié)構(gòu)豎向位移變化情況和軸力變化情況進行綜合分析。本工程中，立柱和圍護結(jié)構(gòu)變形基本協(xié)調(diào)一致，軸力未因立柱位移突變而明顯改變，整個體系穩(wěn)定。

3）對環(huán)撐而言，環(huán)撐中部底板墊層澆筑限制了土體隆起回彈，進而導(dǎo)致了立柱抬升；底板澆筑也限制了立柱豎向位移的變化。拆撐過程中立柱抬升，主要原因是鋼格構(gòu)柱因豎向荷載減少而發(fā)生的彈性變化。根據(jù)本工程監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，在拆下道支撐時，立柱有所抬升的同時上層支撐軸力也有一定程度的增加，且同期圍護結(jié)構(gòu)的水平位移變化很小，這說明，上層支撐軸力的增加主要是立柱與圍護結(jié)構(gòu)差異沉降產(chǎn)生附加彎矩而導(dǎo)致的。相較于圍護墻，2層支撐被拆除后，立柱抬升速率更快、抬升量也更大。

4）內(nèi)支撐支護設(shè)計要結(jié)合安全、經(jīng)濟、工期和實際土建施工條件，概念上要把握住安全控制要求，密切聯(lián)系實際施工，掌握基坑實際情況與設(shè)計假設(shè)條件差距多少。基坑監(jiān)測設(shè)計也要抓住重點區(qū)域和關(guān)鍵工況，及時為設(shè)計單位、施工單位和管理單位提供實測數(shù)據(jù)，反映現(xiàn)場變化情況。