軟土地區(qū)超大規(guī)模深基坑設計與變形監(jiān)測分析

陸培毅，王子征

(1. 天津大學建筑工程學院，天津 300072；2. 天津市土木工程結構及新材料重點實驗室，天津 300072)

軟土地區(qū)超大規(guī)模深基坑設計與變形監(jiān)測分析

陸培毅1,2，王子征1

(1. 天津大學建筑工程學院，天津 300072；2. 天津市土木工程結構及新材料重點實驗室，天津 300072)

于家堡深基坑位于天津軟土地區(qū)，整體開挖規(guī)模達 10×104,m2．依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，詳細分析了基坑施工各階段的圍護樁身變形、土體側移以及坑外地表沉降的變形及發(fā)展規(guī)律．分析結果顯示，該基坑支撐剛度和施加位置對排樁變形模式起決定性作用，樁身最終仍呈“倒三角”懸臂排樁的線性變化規(guī)律，最大位移仍出現(xiàn)在樁頂．第 2步開挖對該基坑圍護結構影響很小，圍護樁及土體變形均主要發(fā)生在第 1步開挖．監(jiān)測數(shù)據(jù)分析揭示了該超大規(guī)模深基坑的實際狀態(tài)，可為類似超大規(guī)模深基坑工程的圍護結構設計和科學施工提供參考．

軟土地區(qū)；超大基坑；圍護結構變形；現(xiàn)場監(jiān)測；支護結構

在天津軟土中基坑整體開挖規(guī)模達 10×104,m2，普遍開挖深度13～14,m，采用一道鋼筋混凝土支撐，該基坑工程在天津是首例，在國內亦屬罕見．對基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)該超大規(guī)模深基坑變形規(guī)律呈現(xiàn)與常規(guī)經驗不符的規(guī)律．眾所周知，土壓力的分布是與變形特征相關聯(lián)的[1]，而支撐的剛度和施加位置與圍護結構變形、周邊土體運動密切相關[2-4]，進而影響支護結構背后土壓力的分布．因此，研究超大規(guī)模深基坑開挖后，土體和支護結構的變形規(guī)律能豐富我們對基坑的認識，也為基坑土壓力的分布研究提供參考[5]．

1 工程概況與工程地質條件

1.1 工程概況

于家堡金融服務區(qū)位于海河北岸，北至新港路，東、西、南三面環(huán)水．根據(jù)建設規(guī)劃，選取金融區(qū)內1.1,km2土地作為建設區(qū)，將建成集傳統(tǒng)金融、現(xiàn)代金融及一些商業(yè)配套設施于一體的現(xiàn)代建筑，對于家堡金融區(qū)的發(fā)展將起到承上啟下的作用．作為最先建設的一期工程，它涵蓋15、16、21、22、25、26共6個地塊．一期基坑平面尺寸約為400,m×250,m，占地約10×104,m2．現(xiàn)場地勢較平坦開闊，四周修有臨時瀝青混凝土道路．綜合考慮工期和造價等因素，經過國內巖土專家反復論證，最后確定采取整體明挖的方案，如此大規(guī)模的深基坑開挖在國內實屬罕見．

1.2 工程地質條件及水文特征

從表 1可以看出，③1和③3土質較差，呈流塑至軟塑狀態(tài)、高壓縮性，在整個場地中均有分布．潛水含水層埋深 0～2.2,m，穩(wěn)定水位埋深 0.5～1.7,m．50,m深度內劃為兩個承壓含水組，第 1承壓含水組包含⑥粉土層和⑦2粉砂層，對基坑影響相對較大，可能發(fā)生突涌現(xiàn)象．

表1 地層參數(shù)表Tab.1 Parameters of soil strata

2 基坑支護設計

本基坑側壁安全等級為一級，普遍開挖深度13～14,m，局部開挖深度 15.00～16.05,m，采用灌注樁＋一道內支撐＋止水帷幕的支護方案，基坑底部位于③4粉質黏土層，支護樁位于⑥粉土層和⑦2粉砂層．具體支護樁信息見表 2．基坑附近沒有需要保護的周邊建筑及地下管線，因此支撐的施加位置位于樁頂以下 4.4,m處，基坑剖面見圖 1．內支撐體系平面布置見圖 2，沿基坑周邊腰梁截面為 2,400,mm× 1,000,mm，對撐采用梁板結構，邊梁截面為1,800,mm ×1,000,mm，中間梁截面為 1,200,mm×1,000,mm，板厚200,mm，斜向格構柱主要桿件截面為1,500,mm ×1,000,mm，其他小斜桿截面均為 800,mm×1,000 mm. 圖2中未注明支護樁的樁徑為1.1,m．止水帷幕深度為 28.5,m，總體降水采用大口井降水，建筑基坑內部局部深坑區(qū)域增設降壓井以防承壓水突涌．

表2 支護樁數(shù)據(jù)Tab.2 Data of supporting piles

圖1 基坑支護剖面Fig.1 Profile of foundation pit support

圖2 支撐布置平面圖Fig.2 Plan of foundation pit support

3 基坑開挖過程與監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

3.1 基坑開挖過程

基坑工程監(jiān)測項目包括圍護樁水平位移和彎矩、坑外土體側移及地表沉降等．地下空間各地塊開挖順序為：16地塊→15地塊→21、22地塊北側→25、26地塊→21、22地塊中間和南側．本基坑開挖總共可劃分為3個階段，具體工況如表3所示．

表3 基坑開挖階段的情況Tab.3 Conditions of excavation stages

3.2 樁頂水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

圖3為第1、2步開挖結束時，圍護樁樁頂累計水平位移曲線．曲線顯示，由于基坑開挖規(guī)模大，基坑角部變形小，空間效應明顯，其他部位空間效應很?。驗閷问橇喊褰Y構，剛度比斜撐剛度大，對撐支護部位比斜撐支護部位圍護樁變形小，很好地控制了基坑中間部位的變形發(fā)展．3道對撐巨大的剛度以及 6個地塊單獨挖土施工的原因是由于基坑整體變形呈現(xiàn)出6個相對獨立的變形部分，每個地塊圍護樁變形具有相對獨立性．從兩條曲線的變化趨勢還可看出，樁頂位移第 1步開挖變形圖與基坑最終變形圖的變化規(guī)律一致，且變形發(fā)展主要集中在第 1步開挖，約為總發(fā)展位移的 90%左右．16地塊東北角由于開挖初期運土車輛超載，導致位移發(fā)展較大，對車輛采取限載之后，樁頂位移沒有進一步的發(fā)展．25地塊南側由于局部土質較差且挖土較快，導致位移發(fā)展較大．

圖3 樁頂水平位移曲線Fig.3 Horizontal displacement curve of top beam

3.3 圍護樁測斜監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

Clough等[6]、Addenbrooke等[7-8]的研究表明，支撐系統(tǒng)的剛度是影響基坑變形的重要因素．本基坑工程考慮造價和施工等因素，采用了一道鋼筋混凝土支撐，軸線位于樁頂以下4.4,m處，如圖1所示．圖4為基坑開挖結束時各地塊特征點圍護樁樁身最終側移曲線．由于支撐剛度的不同及挖土施工等因素影響，各地塊樁身位移相差較大，但可以看出大部分圍護樁側移還是控制在了警戒值 70,mm以內．工程經驗和計算分析表明，懸臂排樁圍護結構樁身側移呈“倒三角”的線性變形模式[9]．圖中曲線顯示，本基坑最終樁身也呈“倒三角”樁身側移模式，與常規(guī)經驗不符[10]．這是因為，在基坑懸臂開挖階段，土層主要為雜填土和淤泥質土，圍護樁發(fā)生了較大的位移，當施加支撐進行第2步土方開挖時，下部土體土質較好，且圍護樁和支撐體系剛度限制了位移的進一步發(fā)展．因此，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，第 2步開挖引起圍護結構的位移很小，圍護樁仍呈懸臂排樁的變形規(guī)律．

圖4 圍護樁樁身最終側移曲線Fig.4 Final lateral displacement curve of supporting pile

3.4 坑外土體測斜數(shù)據(jù)分析

基坑周邊共布置了 10個土體側移監(jiān)測點，有效監(jiān)測點的平面布置如圖 2所示，沿土層深度每隔0.5,m記錄土體側移．圖5顯示最終坑外土體側移曲線基本上也呈“倒三角”形分布，沿深度變化規(guī)律與圍護樁側移曲線變化規(guī)律一致．第 2步土方開挖結束后，有效監(jiān)測點顯示的土體側移曲線與第1步開挖結束時相比，沒有進一步的增大．

圖5 最終土體側移曲線Fig.5 Soil lateral displacement after final excavation

3.5 坑外地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

根據(jù)已有的分析研究，單撐體系圍護結構地表沉降影響范圍約為基坑開挖深度的2倍[5]，故在此范圍內設沉降監(jiān)測點位，記錄地表的沉降發(fā)展情況，特征監(jiān)測點布置見圖2．表4所示的是各地塊地表沉降最大點位在第1步開挖和第2步開挖結束時的發(fā)展情況，以及第1階段的地表沉降發(fā)展量占總發(fā)展量的百分比．其中，16地塊由于開挖初期車輛超載導致沉降值較大．從表中可以看出，坑外地表沉降主要發(fā)生在第1步開挖階段，發(fā)展量約為總發(fā)展量的90%．

表4 地表沉降發(fā)展情況Tab.4 Surface subsidence development

4 結 論

本文對整體開挖面積達 10×104,m2的超大規(guī)?！懊魍谡鄙罨釉诓煌_挖階段的圍護結構響應規(guī)律進行了分析，得到了以下3點有益的結論．

(1) 本工程主要監(jiān)測數(shù)據(jù)均在設計允許值以內，基坑本身以及周邊道路在整個施工過程中處于安全狀態(tài)，基坑設計和施工是成功的．

(2) 由于本基坑開挖面積超大，除角部外，基坑空間效應不明顯．圍護結構變形受支撐巨大剛度和挖土施工的影響，每個地塊的變形具有相對的獨立性.

(3) 加撐進行第2步土方開挖結束后，支護樁側移數(shù)據(jù)與坑外土體側移數(shù)據(jù)呈現(xiàn)相同的“倒三角”變形規(guī)律，而且第2步開挖并沒有引起支護樁和坑外土體側移較大的增大．另外，坑外地表沉降也主要是在第1步土方開挖中產生，發(fā)展量約為最終沉降值的90%，這些位移監(jiān)測數(shù)據(jù)的相互印證，說明了監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性，揭示了該超大規(guī)模深基坑的實際工作狀況，也說明支撐施加位置是影響基坑支護結構變形的重要因素．

［1］ Terzaghi Peck R B. Soil Mechanics in Engineering Practice[M]. New York：John Wiley and Sons，1967.

［2］ 楊光華. 深基坑開挖中多支撐支護結構的土壓力問題[J]. 巖土工程學報，1998，20(6)：113-115. Yang Guanghua. The earth pressure problems for the multi-braced retaining structure of deep excavation [J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，1998，20(6)：113-115(in Chinese).

［3］ Hsieh Pio-Go，Ou Chang-Yu. Shape of ground surface settlement profiles caused by excavation[J]. Canadian Geotenhnical Journal，1993，30(5)：758-767.

［4］ O’Rourke T D. Ground movement caused by braced excavation[J]. Journal of the Geotechnical Engineering Division，1981，107(9)：1159-1178．

［5］ 陸培毅，顧曉魯，錢 征，等. 天津港務局綜合業(yè)務樓深基坑支護與監(jiān)測 [J]. 巖土工程學報，1999，21(3)：333-337. Lu Peiyi，Gu Xiaolu，Qian Zheng，et al. Design and monitoring of deep foundation pit in Tianjin port office multiple building [J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，1999，21(3)：333-337(in Chinese).

［6］ Clough G W，Smith E M，Sweeney B P. Movenment control of excavation support systems by iterative design [C]//Proceedings of ASCE Foundation Engineering：Current Principles and Practice. New York，USA，1989：869-884.

［7］ Addenbrooke T I. A flexibility number for the displacement controlled design of multi propped retaining walls[J]. Ground Engineering，1994，27(7)：41-45.

［8］ Addenbrooke T I，Potts D M，Dabee B. Displacement flexibility number for multipropped retaining wall design [J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2000，126(8)：718-726.

［9］ 姜忻良，宗金輝，孫良濤. 天津某深基坑工程施工監(jiān)測及數(shù)值模擬分析[J]. 土木工程學報，2007，40(2)：79-84，103. Jiang Xinliang，Zong Jinhui，Sun Liangtao. Construction monitoring and numerical simulation for a deep excavation in Tianjin [J]. China Civil Engineering Journal，2007，40(2)：79-84，103(in Chinese).

［10］ 房師軍，付擁軍，姚愛軍. 某地鐵工程深基坑排樁圍護結構變形規(guī)律分析[J]. 巖土工程學報，2011，33(增1)：216-219. Fang Shijun，F(xiàn)u Yongjun，Yao Aijun. Deformation of row pile retaining structures for deep foundation pit of subway[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2011，33(Suppl 1)：216-219(in Chinese).

(責任編輯：樊素英)

Design and Deformation Monitoring of a Large Deep Foundation Pit in Soft Soil Area

Lu Peiyi1,2，Wang Zizheng1
(1. School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Tianjin Key Laboratory of Civil Engineering Structure and New Materials，Tianjin 300072，China)

Yujiabao deep foundation pit，whose excavation scale reaches to 10×104,m2，is located in Tianjin soft soil area. Based on the actual monitoring data of the deformation of row pile retaining structures，the deformation rules of retaining structures，soil and the ground surface settlement outside pit at each construction stage of deep foundation pit are analyzed. The results indicate that the stiffness and applying position of braces play a decisive role on the deformation modes of piles，the curve of retaining piles still changes linearly like an inverted triangle，the maximum horizontal displacement happens at the top of the pit. The second step in the excavation have a small influence on the retaining structure. The deformation of retaining structures and soils mainly occurs in the first step excavation. The deformation behavior of this huge deep foundation pit can provide the reference for the optimization design and scientific construction of similar deep foundation pits.

soft soil area；large deep foundation pit；deformation of retaining structures；field monitoring；retaining structure

TU46

A

0493-2137(2015)02-0185-04

10.11784/tdxbz201311098

2013-11-30；

2014-02-11.

陸培毅（1962— ），女，博士，教授.

陸培毅，tjulpy@tju.edu.cn.