基于時(shí)空效應(yīng)的深基坑圍護(hù)墻變形實(shí)驗(yàn)研究

趙延林，丁志剛，張 玉，吳 昊

(黑龍江科技大學(xué) 建筑工程學(xué)院，哈爾濱 150022)

0 引 言

深基坑工程施工具有一定的時(shí)間與空間效應(yīng)，在基坑土方開挖與支撐架設(shè)過程中，如果能夠充分利用土體變形的時(shí)間與空間效應(yīng)，可以有效減小基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，從而減小基坑施工對(duì)周邊環(huán)境的影響。

關(guān)于深基坑工程施工中的時(shí)間與空間效應(yīng)問題，部分學(xué)者開展了一些相關(guān)研究。王桂平等[1]在桿系有限元法的基礎(chǔ)上，綜合考慮土體的時(shí)空效應(yīng)作用，提出軟土地區(qū)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的工程實(shí)用計(jì)算方法。劉洪羽等[2]應(yīng)用Abaqus模擬分析了不同開挖順序和不同開挖單元?jiǎng)澐址绞綄?duì)基坑變形的影響。歐陽(yáng)光輝[3]根據(jù)多個(gè)工程實(shí)例的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，總結(jié)了無支撐暴露期間圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移速率、末次開挖階段總位移量等方面的變化規(guī)律。王國(guó)佐等[4]探討了“分坑”施工方案、“分層、分塊、對(duì)稱、平衡、限時(shí)”的挖土方案在實(shí)際工程中的應(yīng)用。文獻(xiàn)[5-8]結(jié)合實(shí)際工程的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了軟土深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形、支撐體系變形及周邊地表沉降的時(shí)空效應(yīng)特點(diǎn)。筆者以天津市某深基坑項(xiàng)目為工程背景，通過現(xiàn)場(chǎng)原位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)基坑圍護(hù)墻頂豎向位移、水平位移及墻體深層位移變化的時(shí)間與空間效應(yīng)進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析。

1 工程背景

1.1 工程簡(jiǎn)介

天津市某深基坑工程，平面形狀近似于長(zhǎng)方形，南北長(zhǎng)141.40 m，東西寬118.80 m，開挖深度14.90 m。基坑南側(cè)、北側(cè)與東側(cè)緊鄰主要交通干道，西側(cè)緊鄰售樓中心，南側(cè)有4棟高層住宅樓。

基坑西側(cè)采用地下連續(xù)墻支護(hù)，墻厚1.00 m，墻深30.00 m；東側(cè)、南側(cè)和北側(cè)采用三軸水泥攪拌樁作為止水帷幕，樁徑850 mm，樁長(zhǎng)32.00 m，支護(hù)系統(tǒng)采用直徑1 200 mm的鉆孔灌注樁，樁頂位于地表下3.00 m，有效樁長(zhǎng)24.90 m，樁中心距1 400 mm。整個(gè)基坑設(shè)置一道環(huán)梁內(nèi)支撐作為主要支撐結(jié)構(gòu)，周邊設(shè)有4個(gè)小環(huán)梁內(nèi)支撐及眾多角撐和放射撐作為輔助結(jié)構(gòu)；水平支撐體系包括腰梁、環(huán)梁、支撐梁和支撐立柱等，水平支撐體系頂面標(biāo)高為-5.15 m，基坑支護(hù)體系平面圖如圖1所示。

圖1 支護(hù)體系及測(cè)點(diǎn)分布Fig. 1 Support system and survey point distribution

1.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)

(1)工程地質(zhì)條件

依據(jù)巖土工程勘察報(bào)告，本工程場(chǎng)地土層分布情況如下。

人工填土層：層底標(biāo)高-3.17～-1.12 m；黏土、粉質(zhì)黏土層：層底標(biāo)高-2.78～-0.15 m；粉土、粉質(zhì)黏土層：層底標(biāo)高-2.65～-4.18 m；粉質(zhì)黏土層：層底標(biāo)高-11.28～-12.48 m；粉質(zhì)黏土、粉土層：層底標(biāo)高-12.98～-14.18 m；粉砂、粉質(zhì)黏土層：層底標(biāo)高-17.37～-18.97 m。

(2)水文地質(zhì)條件

初見水位埋深為2.20～3.70 m，穩(wěn)定水位埋深為2.00～3.50 m，地下水位年變化幅度在0.50～1.00 m。

1.3 土方工程

基坑內(nèi)土方開挖主要分為兩個(gè)階段，具體施工進(jìn)度見表1。

表1 施工進(jìn)度安排

(1)第1步土方開挖

1)開挖帽梁區(qū)域的土方，施工帽梁。

2)從自然地坪挖到第1道支撐底，挖深4.65 m。

3)土方開挖順序?yàn)樽阅舷虮蓖送?，從南?cè)布置東、西2個(gè)工作面，同時(shí)對(duì)稱向北側(cè)退挖。

(2)第2步土方開挖

1)在第1道鋼筋混凝土支撐達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，降水滿足要求后，從第1道支撐底開挖到基底，開挖深度為10.25 m。

2)由于第2步挖深達(dá)到10.25 m，故采取3級(jí)平臺(tái)接力倒挖。

3)土方開挖順序?yàn)樽阅舷虮狈謱油送冢练介_挖區(qū)間推進(jìn)路線：基坑?xùn)|側(cè)→基坑西側(cè)，西側(cè)距離基坑3.00 m范圍內(nèi)土方最后開挖。

2 監(jiān)測(cè)方案

2.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

(1)圍護(hù)墻體頂部豎向與水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)

沿圍護(hù)墻頂部每間隔15～20 m埋設(shè)一個(gè)豎向與水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共埋設(shè)38個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)代碼為S1～S38，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

(2)圍護(hù)墻體深層水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)

在圍護(hù)墻內(nèi)布置11個(gè)樁體測(cè)斜管，測(cè)點(diǎn)代碼為CX1～CX11。測(cè)斜管深度與鋼筋籠等長(zhǎng)，綁扎在鋼筋籠主筋上，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

2.2 監(jiān)測(cè)頻率與報(bào)警值

各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)頻率與報(bào)警值分別見表2、表3，其中H為基坑開挖深度,n為監(jiān)測(cè)次數(shù)，t為監(jiān)測(cè)時(shí)間。

表2 監(jiān)測(cè)頻率

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

為方便數(shù)據(jù)分析，將整個(gè)基坑施工過程分為9個(gè)工況。工況1：2018-04-01～2018-06-10，開挖第一層土方，第一道支撐施工完成；工況2：2018-06-11～2018-06-22，正在局部開挖；工況3：2018-06-23～2018-06-29，基坑正在開挖；工況4：2018-06-30～2018-09-27，基坑北側(cè)，西側(cè)局部開挖至坑底；工況5：2018-09-28～2018-10-24，基坑北側(cè)，西側(cè)，東側(cè)局部開挖至坑底；工況6：2018-10-25～2018-12-17，基坑開挖至坑底，正在進(jìn)行墊層底板施工；工況7：2018-12-20～2019-03-11，底板澆筑完成；工況8：2019-03-18～2019-04-08，正在進(jìn)行拆撐；工況9：2019-04-15～2019-06-24，開始主體施工。

3.1 圍護(hù)墻墻頂豎向位移

基坑?xùn)|側(cè)圍護(hù)墻頂各測(cè)點(diǎn)豎向位移隨施工過程的變化曲線如圖2所示。其中，sv為圍護(hù)墻墻頂豎向位移。由圖2可知，圍護(hù)墻頂?shù)呢Q向位移在第1工況(2018-6-10之前)中表現(xiàn)為微小的沉降，沉降值均小于1 mm，這主要是由于第一層土體的開挖深度為4.65 m，土體開挖所引起的開挖面以下土體回彈變形較小，土體作用于墻體的向上摩擦力小于圍護(hù)墻與支撐體系的自重所致。

圖2 東側(cè)圍護(hù)墻頂豎向位移曲線Fig. 2 Vertical displacement curve of top of east wall

從工況2至工況4(2018-06-10～2018-09-27)，圍護(hù)墻頂各測(cè)點(diǎn)的豎向位移表現(xiàn)為向上隆起，并隨土體開挖進(jìn)程迅速增長(zhǎng)，豎向位移增加量約為10 mm，占總位移的80%，這主要是由于第2層土體的開挖深度為10.25 m，土體開挖所引起的開挖面以下土體的隆起變形較大，土體作用于墻體的向上摩擦力大于圍護(hù)墻與支撐體系的自重。在工況4中，2018-07-20～2018-08-20階段，沒有進(jìn)行東側(cè)土體的開挖，因此該階段各測(cè)點(diǎn)的豎向位移基本沒有變化。

從工況5至工況6(2018-09-28～2018-12-17)，圍護(hù)墻頂各測(cè)點(diǎn)的豎向位移隨施工進(jìn)程的增長(zhǎng)速度變緩，豎向位移增加量約為1.0 mm，這主要是由于該階段基坑開挖基本接近于坑底，土體開挖深度較小，引起的土體變形較小所致。

工況7(2018-12-20～2019-03-11)完成了基礎(chǔ)底板澆筑工程，基礎(chǔ)底板的存在使坑底土體產(chǎn)生了沉降變形，導(dǎo)致圍護(hù)墻體產(chǎn)生一定的沉降，因此該工況下圍護(hù)墻頂各測(cè)點(diǎn)的豎向位移略有減小，減小值約為0.7 mm。在工況8(2019-03-18～2019-04-08)中，由于支撐的拆除，減小了支護(hù)體系的自重，因此，圍護(hù)墻產(chǎn)生附加回彈，墻體豎向位移增加了約1.0 mm。

基坑?xùn)|側(cè)圍護(hù)墻頂部整體豎向變形情況如圖3所示。從圖3可以看出，圍護(hù)墻頂部整體豎向變形呈現(xiàn)“中間大，兩邊小”的形態(tài)，中部與角部豎向位移差值不大，約為1.5 mm，表明基坑角部的空間效應(yīng)對(duì)圍護(hù)墻頂豎向位移的約束作用較小。圍護(hù)墻頂部豎向位移最大增加量發(fā)生在第4工況，位移增加值約為7.0 mm，占總位移的56%。

圖3 圍護(hù)墻頂部整體豎向變形Fig. 3 Overall vertical deformation of top of wall

取S6、S16、S25和S35四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎向位移，進(jìn)行基坑?xùn)|、西、南、北4個(gè)方向圍護(hù)墻頂部豎向位移對(duì)比分析，如圖4所示。由圖4可知，基坑各方向圍護(hù)墻頂豎向位移隨施工進(jìn)程的整體變化規(guī)律基本相同，但由于土方開挖的空間順序不同，各方向墻頂豎向位移變化曲線表現(xiàn)出局部的時(shí)間差異性，如工況4中的2018-07-20～2018-08-20階段。從最終的位移值來看，東、西兩側(cè)圍護(hù)墻頂部豎向位移最大，約為12.3 mm，南、北兩側(cè)圍護(hù)墻頂部豎向位移略小，約為11.0 mm，相差僅1.3 mm，表明各方向墻頂豎向位移值的空間性差異很小。

圖4 四邊圍護(hù)墻頂豎向位移對(duì)比Fig. 4 Comparison of vertical displacement of wall in four sides

由以上的分析可知，圍護(hù)墻頂豎向位移主要發(fā)生在第2至第4工況，位移的增加量占總位移的80%；基礎(chǔ)底板澆筑與支撐拆除對(duì)圍護(hù)墻頂豎向位移的影響不大；基坑角部的空間效應(yīng)對(duì)圍護(hù)墻頂豎向位移的約束作用很??；基坑不同方向各測(cè)點(diǎn)的豎向位移的時(shí)間與空間性差異不明顯。

3.2 圍護(hù)墻頂水平位移

基坑?xùn)|側(cè)圍護(hù)墻頂各測(cè)點(diǎn)水平位移隨施工進(jìn)程的變化曲線如圖5所示，記圍護(hù)墻墻頂水平位移為sh。由圖5可知，在第1工況中，圍護(hù)墻頂水平位移最大值為1.0 mm，在第2和第3工況中，圍護(hù)墻頂水平位移快速增加，最大增加值為11.0 mm，占總位移的81.5%。在第4至第9工況中，位移增加值為1.0～2.0 mm，這表明在第2步土方開挖過程中，中上部土體(即水平支撐附近土體)開挖對(duì)圍護(hù)墻頂?shù)乃轿灰朴绊懽畲?，中下部土體開挖對(duì)圍護(hù)墻頂水平位移影響較小。

將圖5與圖2進(jìn)行對(duì)比分析可知，圍護(hù)墻頂豎向位移主要發(fā)生在第2至第4工況，且第4工況增長(zhǎng)最大，而圍護(hù)墻頂水平位移主要發(fā)生在第2和第3工況，二者在時(shí)間上存在著非同步性。

圖5 圍護(hù)墻頂水平位移曲線Fig. 5 Horizontal displacement curves of top of wall

基坑?xùn)|側(cè)圍護(hù)墻頂部整體水平變形如圖6所示。由圖6可知，圍護(hù)墻頂部整體水平變形呈現(xiàn)“中間大，兩邊小”的形態(tài)，且中部與角部水平位移差值較大，為5.5～7.5 mm，相差38%～52%，表明基坑角部的空間效應(yīng)對(duì)圍護(hù)墻頂水平位移的約束作用很大；圍護(hù)墻頂部水平位移最大增加量發(fā)生在第3工況，位移增加值約為8.0 mm，占總位移的53%。

圖6 圍護(hù)墻頂部整體水平變形Fig. 6 Overall horizontal deformation of top of wall

取S6、S16、S25、S35四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平位移進(jìn)行對(duì)比分析，如圖7所示。由圖7可知，基坑?xùn)|側(cè)與北側(cè)圍護(hù)墻頂水平位移隨施工進(jìn)程的整體變化規(guī)律基本相同，西側(cè)與北側(cè)的基本相似,但由于土方開挖的空間順序不同，各方向墻頂水平位移變化曲線表現(xiàn)出較大的時(shí)間與空間差異性，具體表現(xiàn)：東側(cè)與北側(cè)的圍護(hù)墻頂水平位移先于西側(cè)與南側(cè)發(fā)生，在時(shí)間上存在較大的差異性。從最終的位移值來看，西側(cè)圍護(hù)墻頂部水平位移最大，約為17.0 mm，其次是東側(cè)，約為14.0 mm，南、北兩側(cè)圍護(hù)墻頂部水平位移最小，為8.5～9.5 mm，各方向圍護(hù)墻頂水平位移相差較大，最大差值為8.5 mm，相差50%，因此存在較大的空間差異性。與圍護(hù)墻頂豎向位移相比，其水平位移在時(shí)間與空間性方面表現(xiàn)出來的差異性尤為顯著。

圖7 四邊圍護(hù)墻頂部水平位移對(duì)比Fig. 7 Comparison of horizontal displacement of wall in four sides

由上述分析可知，圍護(hù)墻頂水平位移主要發(fā)生在第2和第3工況，位移的增加量占總位移的81.5%，其中，第3工況圍護(hù)墻頂水平位移的增加量最大，約占總位移的53%；基坑角部的空間效應(yīng)對(duì)圍護(hù)墻頂水平位移的約束作用顯著；基坑不同方向各測(cè)點(diǎn)水平位移在時(shí)間與空間上存在顯著的差異性。

3.3 圍護(hù)墻深層水平位移

基坑?xùn)|側(cè)、西側(cè)與南側(cè)圍護(hù)墻深層水平位移分別如圖8～10所示，北側(cè)圍護(hù)墻深層水平位移數(shù)據(jù)缺失。由圖8～10可知，各方向圍護(hù)墻深層水平位移圖基本相似，均呈現(xiàn)為“中間大，兩頭小”的整體分布形式，最大水平位移均發(fā)生在墻身9.0 mm處，且最大水平位移值基本相同，約為26.0 mm；圍護(hù)墻頂水平位移約為墻身最大水平位移的50%。

圖8 東側(cè)圍護(hù)墻深層水平位移Fig. 8 Deep horizontal displacement of east wall

圖9 南側(cè)圍護(hù)墻深層水平位移Fig. 9 Deep horizontal displacement of south wall

圖10 西側(cè)圍護(hù)墻深層水平位移Fig. 10 Deep horizontal displacement of west wall

由圖8可知，基坑?xùn)|側(cè)圍護(hù)墻深層水平位移在工況2和工況3中增長(zhǎng)較快，從工況4到工況9，其深層水平位移增長(zhǎng)速度逐漸減小。由圖9、10可知，基坑西側(cè)與南側(cè)圍護(hù)墻深層水平位移在工況5和工況6中增長(zhǎng)較快，從工況7到工況9，其深層水平位移基本不再增加。這表明基坑各方向圍護(hù)墻深層水平位移在時(shí)間上存在著一定的差異性。

4 結(jié) 論

(1)基坑圍護(hù)墻頂變形的80%是由中、下部土體開挖引起的，基礎(chǔ)底板澆筑與支撐拆除對(duì)圍護(hù)墻變形的影響較小，均小于8%。

(2)基坑圍護(hù)墻頂水平位移主要由中部土體(支撐附近土體)開挖引起，豎向位移主要由中、下部土體開挖引起，圍護(hù)墻頂水平位移較豎向位移先完成，二者在時(shí)間上存在較大的差異性。

(3)圍護(hù)墻頂部整體水平與豎向變形均呈現(xiàn)“中間大，兩邊小”的形態(tài)，但角部水平位移與中部相差較大(約38%～52%)，而豎向位移相差甚微(約11%)，表明基坑角部的空間效應(yīng)對(duì)圍護(hù)墻水平位移的約束作用顯著，對(duì)圍護(hù)墻豎向位移的約束作用很小。

(4)基坑不同方向圍護(hù)墻頂水平位移在時(shí)間與空間上存在顯著的差異，而豎向位移在時(shí)間與空間上的差異較小。

(5)圍護(hù)墻深層水平位移呈現(xiàn)為“中間大，兩頭小”的整體分布形態(tài)，最大水平位移發(fā)生在墻身的中下部，不同方向的圍護(hù)墻深層水平位移在時(shí)間上存在一定的差異。