基坑開挖及樁基施工對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響分析

劉青松 盛志戰(zhàn) 王 勇

（北京市勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100038）

0 引言

樁錨支護(hù)是北京地區(qū)深基坑常用的一種支護(hù)形式。采用樁錨支護(hù)的深基坑在基坑土方開挖卸荷、錨索拉力、護(hù)坡樁側(cè)向位移和工程樁施工的共同作用下，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和周邊環(huán)境的變形非常復(fù)雜。受地質(zhì)條件和周邊環(huán)境差異的影響，基坑開挖對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響沒有統(tǒng)一結(jié)論。楊建民等[1]、盛志強(qiáng)等[2]、奚家米等[3-4]研究認(rèn)為基坑開挖坑底土體的回彈變形引發(fā)坑底樁基中產(chǎn)生拉應(yīng)力，使樁身上浮。而俞建霖等[5]、李大鵬[6]、陳生東等[7]認(rèn)為基坑開挖會(huì)造成基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的下沉。因此，有必要深入了解深大基坑開挖和樁基施工對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響，以便提出更好的減小變形的控制措施。

本文以北京通州臺(tái)湖地區(qū)某深基坑為例，探討了基坑開挖卸荷、基坑錨桿施工、基底CFG 樁和抗拔樁施工對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和周邊環(huán)境的變形影響。

1 工程概況

北京某公租房項(xiàng)目位于通州區(qū)臺(tái)湖鎮(zhèn)站前街。擬建工程包括4 棟高層住宅樓、3 棟多層的商業(yè)樓和1 座地下地庫，整體設(shè)5 層地下室。該項(xiàng)目基坑豎向投影面積約11563 m2，支護(hù)范圍周長約584 m，開挖深度為19.77～20.17 m。基坑整體采用護(hù)坡樁+錨索的支護(hù)，基坑地下水控制采用樁后三軸攪拌樁帷幕止水（見圖1）。

圖1 基坑平面布置圖

2 工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件

2.1 地層分布及巖性

根據(jù)勘察報(bào)告，擬建場地地面以下50 m 深度范圍內(nèi)的地層，按其成因年代劃分為人工堆積層、新近沉積層及第四紀(jì)沉積層三大類，并按地層巖性及其物理力學(xué)指標(biāo)劃分為11 個(gè)大層及亞層，地層巖性為粉土、黏性土及砂層。典型地層剖面如圖2 所示。

圖2 場地典型地層剖面圖

2.2 地下水情況

根據(jù)勘察報(bào)告，于勘探深度范圍內(nèi)實(shí)測(cè)到3 層地下水。第1 層地下水穩(wěn)定水位標(biāo)高為14.64～15.86 m（埋深為10.60～12.20 m），地下水類型為層間潛水；第2 層地下水穩(wěn)定水位標(biāo)高為9.86～10.54 m（埋深為16.30～16.60 m），地下水類型為層間水（具有承壓性）；第3 層地下水穩(wěn)定水位標(biāo)高為2.64～3.56 m（埋深為22.90～24.20 m），地下水類型為承壓水。

2.3 基坑開挖影響深度范圍內(nèi)地層的物理力學(xué)性質(zhì)

擬建場地緊鄰河北內(nèi)陸平原Ⅲ區(qū)[8]，此區(qū)域相對(duì)于山前平原Ⅱ區(qū)，其沉積地層的物理力學(xué)參數(shù)偏低?；娱_挖深度范圍內(nèi)的主要地層的物理力學(xué)參數(shù)如表1 所示?；滓陨系貙右责べ|(zhì)粉土為主，所涉地層為②、③、④、⑤1層，黏聚力為15～30 kPa，內(nèi)摩擦角10.5°～20.9°；基底以下地層同樣以黏質(zhì)粉土為主，所涉地層為⑥層，黏聚力為14～21 kPa，內(nèi)摩擦角11.9°～18.4°?？梢?，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的主動(dòng)土壓力區(qū)和被動(dòng)土壓區(qū)的土層參數(shù)均較低。

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)

3 基坑及坑內(nèi)工程樁施工對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的

3.1 基坑監(jiān)測(cè)布置

根據(jù)基坑安全等級(jí)、支護(hù)結(jié)構(gòu)類型，結(jié)合周邊建筑物、地下管線的分布情況，按相關(guān)規(guī)范要求布置基坑監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，如圖3 所示。由于基坑各區(qū)段監(jiān)測(cè)項(xiàng)目數(shù)據(jù)變化規(guī)律具有相似性，本文僅以基坑?xùn)|北側(cè)的相關(guān)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變化規(guī)律為例進(jìn)行分析。

圖3 基坑監(jiān)測(cè)平面布置圖

3.2 基坑開挖及錨索施工對(duì)護(hù)坡樁、周邊地表沉降等監(jiān)測(cè)指標(biāo)的影響

本工程護(hù)坡樁樁徑800 mm，間距1.4～1.5 m。設(shè)置5 道預(yù)應(yīng)力錨索，錨索長度22～32 m?；拥叵滤捎脴逗笕S攪拌樁進(jìn)行止水，三軸攪拌樁樁徑為850 mm，間距600 mm。典型基坑支護(hù)剖面如圖4 所示。

圖4 典型基坑支護(hù)剖面圖（單位：mm）

基坑?xùn)|北側(cè)Z1-Z5 段基坑土方開挖和錨索施工時(shí)間如表2 所示。根據(jù)第三方監(jiān)測(cè)報(bào)告，基坑?xùn)|北側(cè)的樁頂豎向監(jiān)測(cè)點(diǎn)Z1-Z5、地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)D1-D3 和D6-D10 的變化情況如圖5-圖7 所示。在基坑大面積開挖卸荷條件下，槽底以下地層發(fā)生回彈變形，在地層回彈作用下，被動(dòng)土壓力區(qū)護(hù)坡樁受到向上摩擦力作用?？油馔馏w由于護(hù)坡樁的側(cè)向變形產(chǎn)生豎向沉降，基坑深度范圍內(nèi)主動(dòng)土壓力區(qū)的護(hù)坡樁受到坑外土體向下的摩擦阻力。同時(shí)，護(hù)坡樁還受到自身重力、樁端土體支撐、錨索軸向拉力的豎向分力作用。基坑開挖期間，護(hù)坡樁在上述因素共同作用下豎向變形綜合表現(xiàn)較為復(fù)雜。

表2 基坑土方開挖和錨索施工時(shí)間表

圖5 基坑樁頂豎向位移監(jiān)測(cè)圖（Z1-Z5）

從表2 中的基坑開挖和錨索施工時(shí)間表以及圖5 樁頂豎向位移監(jiān)測(cè)圖可以看出，2019 年2 月18日之前，即基坑開挖到-16.5 m 之前，基坑回彈作用于護(hù)坡樁上向上的作用力大于樁外土體下沉作用在護(hù)坡樁上向下的摩擦力和錨桿豎向分力之和，護(hù)坡樁樁頂位移表現(xiàn)為向上的變形，樁頂最大上浮位移為12.29 mm；2019 年2 月18 日之后，隨著基坑開挖深度增加，加之第6 道錨索向下分力的施加，基坑回彈作用在護(hù)坡樁上向上的作用力逐漸小于樁外土體下沉作用在護(hù)坡樁上向下的摩擦力和錨桿豎向分力之和，護(hù)坡樁樁頂位移開始表現(xiàn)為向下的沉降。

基坑周邊地表變形自土方開挖至第四道錨桿作業(yè)面標(biāo)高開始由上浮轉(zhuǎn)為沉降，春節(jié)停工期間逐漸趨于平穩(wěn)；樁頂豎向位移在第四道錨桿完成后10 天開始由上浮轉(zhuǎn)為沉降，春節(jié)停工期間又轉(zhuǎn)為上浮。綜合樁頂和基坑周邊地表豎向位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來看，地表位移由上浮趨勢(shì)轉(zhuǎn)變?yōu)橄陆第厔?shì)的時(shí)間點(diǎn)要早于樁頂豎向位移。

如圖6 和圖7 所示，距離基坑10 m 之內(nèi)的D1、D2、D6、D7，在土方開挖至第四道錨桿作業(yè)面標(biāo)高時(shí)開始由整體上浮趨勢(shì)轉(zhuǎn)為整體沉降趨勢(shì)，第五步土方開始施工后，沉降趨勢(shì)加??；距離基坑10 m 之外的D3、D8、D9、D10，在第三步土方開挖后開始由整體上浮趨勢(shì)轉(zhuǎn)為整體沉降趨勢(shì)，且距離基坑越遠(yuǎn)，地表總沉降值越大，此時(shí)地表最大累計(jì)沉降量為-62 mm。同時(shí)可以看出，護(hù)坡樁的上浮對(duì)周圍一定范圍內(nèi)的土體有一定的帶動(dòng)效應(yīng)。

圖6 基坑周邊地表沉降監(jiān)測(cè)圖（D1-D3）

圖7 基坑周邊地表沉降監(jiān)測(cè)圖（D6-D10）

3.3 基坑降水和坑內(nèi)工程樁施工對(duì)護(hù)坡樁及周邊地表沉降的影響

1#增配商業(yè)樓采用CFG 樁復(fù)合地基，CFG 樁樁徑400 mm，樁間距1.6 m×1.6 m，有效樁長24 m。2#增配商業(yè)樓基礎(chǔ)采用抗拔樁，抗拔樁間距2.4 m×2.8 m，樁徑400 mm，樁長12 m（局部15 m）。

由于第六步土方開挖顯示土體含水量較大，因此于2019 年3 月15 日開始大規(guī)模啟動(dòng)應(yīng)急井和疏干井進(jìn)行坑外降水和槽內(nèi)疏干。1#增配商業(yè)樓CFG樁施工時(shí)間為2019 年4 月7 日-2019 年4 月19 日，2#增配商業(yè)樓抗拔樁施工時(shí)間為2019 年4 月7 日-2019 年5 月2 日。

從樁頂豎向位移和基坑周邊地表沉降監(jiān)測(cè)圖可以看出，受降水、CFG 樁和抗拔樁施工的影響，樁頂豎向位移和基坑周邊地表沉降均呈二次急劇增加，并同時(shí)于2019 年5 月中旬趨于穩(wěn)定，即在CFG 樁和抗拔樁施工完成后10 天左右趨于穩(wěn)定。

從地層上分析，降水井和疏干井井底位于黏質(zhì)粉土⑦1層，CFG 樁和抗拔樁的樁身均穿過了黏質(zhì)粉土⑥層和黏質(zhì)粉土⑦1層進(jìn)入了中砂⑧層（該層賦存承壓水，承壓水水頭距該含水層頂面約11 m）。地下水滲流和地下水位的降低導(dǎo)致基底土層的有效應(yīng)力增加，土體產(chǎn)生固結(jié)沉降，進(jìn)而帶動(dòng)護(hù)坡樁和基坑一定范圍內(nèi)的土體發(fā)生沉降。CFG 樁和抗拔樁施工一方面對(duì)中砂⑧層中的承壓水有一定的卸壓作用，另一方面鉆進(jìn)取土對(duì)基坑內(nèi)被動(dòng)土壓力區(qū)產(chǎn)生擾動(dòng)，削弱了原有的被動(dòng)土壓力，承壓水頭降低引發(fā)有效應(yīng)力增加產(chǎn)生固結(jié)沉降，在基坑內(nèi)外地下水滲流的聯(lián)合作用下，護(hù)坡樁和基坑周邊地表沉降二次加劇?；幼o(hù)坡樁樁頂最大沉降為26.6 mm。受護(hù)坡樁前期上浮的影響，基坑周邊地表沉降隨距護(hù)坡樁的距離增加而增大，沉降值范圍為24.56～51.39 mm，最大沉降發(fā)生在距離基坑1～1.5 倍坑深范圍內(nèi)，此影響范圍與劉熙媛等[9]、馮志先等[10]的研究成果吻合。

基坑護(hù)坡樁樁頂豎向位移和周圍地表沉降在CFG 樁和抗拔樁施工完成12 天后趨于穩(wěn)定，可見土體的固結(jié)穩(wěn)定需要一定的時(shí)間，具有明顯的滯后性。

3.4 北京東南地層偏軟地區(qū)樁錨支護(hù)設(shè)計(jì)建議和坑內(nèi)工程樁施工建議

本工程的樁頂豎向位移和基坑周邊地表沉降較大，均超出了國家和北京市相關(guān)規(guī)范的監(jiān)測(cè)控制標(biāo)準(zhǔn)，但本工程的護(hù)坡樁樁頂水平位移和錨索軸力均在設(shè)計(jì)和規(guī)范規(guī)定的范圍之內(nèi)，基坑整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

基于上述護(hù)坡樁和周邊地表沉降過大的現(xiàn)象，對(duì)于北京東南地層偏軟地區(qū)深基坑樁錨支護(hù)設(shè)計(jì)，建議增加護(hù)坡樁的嵌固深度，以減小護(hù)坡樁和周邊地表的后期沉降。

在深基坑內(nèi)被動(dòng)區(qū)施工CFG 樁、抗拔樁等工程樁時(shí)，建議減緩施工速度，分條從基坑中心向四周采用跳打方式進(jìn)行施工，以減小對(duì)被動(dòng)區(qū)土體的擾動(dòng)，從而減小護(hù)坡樁和周邊地表的后期沉降。

4 結(jié)論

以北京東南區(qū)域某深基坑為例，探討了該區(qū)域深大基坑降水、土方、錨桿及坑內(nèi)工程樁施工對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響，得出以下結(jié)論。

（1）基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊地表隨著基坑的開挖、錨索和坑內(nèi)工程樁的施工出現(xiàn)典型的先上浮后沉降的變化趨勢(shì)，應(yīng)力重新分布現(xiàn)象明顯。具體表現(xiàn)為：基坑開挖卸荷初期引發(fā)圍護(hù)結(jié)構(gòu)及基坑周邊地表上浮，隨著基坑開挖深度的增加，在基坑側(cè)向位移和基坑錨索豎向分力作用下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)及基坑周邊地表開始下沉；在基坑槽底施工CFG 樁和抗拔樁削弱了護(hù)坡樁嵌固區(qū)被動(dòng)土壓力，基坑降水導(dǎo)致土體有效應(yīng)力增加，產(chǎn)生附加固結(jié)沉降，在基坑地下水滲流的聯(lián)合作用下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)及基坑周邊地表呈現(xiàn)二次加速沉降。

（2）基坑周邊地表沉降隨距護(hù)坡樁的距離呈先增大后減小的變化趨勢(shì)，其最大沉降發(fā)生在距離基坑1～1.5 倍坑深范圍內(nèi)。

（3）護(hù)坡樁樁頂豎向位移和周圍地表沉降在CFG 樁和抗拔樁施工完成12 天后趨于穩(wěn)定，表明受工程樁施工擾動(dòng)后的基坑土體完成固結(jié)穩(wěn)定需要一定的時(shí)間，具有明顯的滯后性。

（4）對(duì)于北京東南地層偏軟地區(qū)深基坑樁錨支護(hù)設(shè)計(jì)，建議增加護(hù)坡樁的嵌固深度，以減小護(hù)坡樁和周邊地表的后期沉降。在坑內(nèi)被動(dòng)區(qū)施工CFG 樁、抗拔樁等工程樁時(shí)，建議減緩施工速度，分條從基坑中心向四周采用跳打方式進(jìn)行施工，以減小對(duì)被動(dòng)區(qū)土體的擾動(dòng)，從而減小護(hù)坡樁和周邊地表的后期沉降。