深基坑土体水平位移与坑底隆起的研究

【摘要】以营口地区万达广场深基坑工程为研究背景，通过整理现场监测数据，得到同一场地条件下不同支护形式的周边土体水平位移的变化规律，分析后得出以下结论：1. 软土地区，高强度支护结构对应的墙后深层土体水平位移呈竖向型，低强度支护结构对应的深层土体水平位移呈抛物线型。2.墙后土体深层水平位移最大值集中于 ，最大水平位移发生于 之内。3.坑底以下土体按照墙后土体水平位移变化趋势分为坑底隆起增强区和坑底隆起减弱区，其中坑底深层土体水平位移最大值集中于 ，坑底隆起增强区大致为坑底以下 范围内，支护结构强度越低，坑底隆起增强区范围越大。

【关键词】软土：深基坑；深层水平位移；坑底隆起。

1 引 言

深基坑工程是一项综合性很强的系统工程，同时深基坑工程问题也是非常复杂的岩土工程问题 。深层水平位移监测是基坑监测工程中的重要部分，通常采用测斜手段量测，测斜观测系统由测斜管和测斜仪两部分组成 。目前为止，许多学者都对深基坑变形的规律提出自己的观点，如李琳等通过总结大量监测数据，对随深度增加后深基坑的变形控制标准提出自己的观点 。 李云安等对影响基坑变形的各因素进行分析，得出了简明计算基坑最大位移及其位置的统计关系式 。姚国圣利用数值模拟发现不同的位移模式及挡墙后不同距离会使土体深层水平位移变化不同 。李治文以玉环县监测实例为依据，介绍了监测频率及监测警报值的确定方法 。贺等人通过建立围护墙下土移的模型，推导了与基坑面积、基坑开挖深度、围护墙插入深度及土性相关的围护墙下土移的计算方法 。兹远涛等通过对青岛地铁实例实时监测，得到开挖过程中地下连续墙深层水平位移的变化规律 。许剑峰以ANSYS 有限元计算程序模拟工程实例，分析了基坑施工引起的深层水平位移和基坑周围的地表沉降 。叶强等通过对某深基坑支护结构的水平位移、深层水平位移、建筑物沉降、立柱沉降和支撑轴力的监测，探讨了水平位移、沉降与内力等变化规律，深入研究了水平位移的变形特性 。

本文中分析的实例是辽宁营口万达广场基坑工程，基坑支护形式主要分为双排桩加锚索和型钢水泥土墙加锚索两类，通过对现场收集到的深层水平位移监测数据进行分析，得出墙后深层土体的水平变形规律，为今后的基坑设计提供经验依据。在分析曲线时，采用纵向分段分析的方式，将水平位移曲线由上及下分为2至3段，通过土体的水平位移推断出支护挡墙的变形，掌握冠梁，角撑等在控制墙后土体水平位移方面的作用以及坑底以下的深层土体在基坑底部隆起时的位移特点，确定坑底隆起增强区，减弱区。

2 工程实例

工程场地位于营口市渤海大街南侧，东邻市府路，西临体育路，南至体育广场南街，占地135936平方米，场地长384米宽354米，最大开挖深度12.8米，基坑重要性等级为一级。

基坑所在场地主要为第四系海陆交互沉积地层，主要由杂填土，粉土夹粉质粘土，粉质粘土与粉砂互层，粉砂，淤泥质粉质粘土，粉砂，粉质粘土等组成，土体不均匀性及变异性极大。场地内地下水类型主要为上层滞水和微承压水，水头高度6.0～7.0m，稳定水位标高0.57～2.88m，平均混合地下水位标高2.03m，土层具体参数详见表1：

在本次基坑支护设计上，采用双排桩加锚杆和型钢水泥土墙加锚杆等常规支护形式，没有大面积使用混凝土内支撑等支护结构，节省了施工经费和工期。具体支护结构布置如图1所示，该基坑支护形式按强度大致分为3类，分别为内支撑式支护结构（刚角撑），离散式支护结构（双排桩），连续式支护结构（型钢水泥土墙）：

内支撑式支护结构为AF段，开挖深度为11.6米，采用双排 钢筋混凝土桩，排间距3.0米，桩顶设置盖梁，支护结构转角处设置斜撑。

离散式支护结构为FO段，开挖深度为12.8米，采用双排桩 钢筋混凝土桩形式，排间距4.0米，桩顶设置钢筋混凝土盖梁，同时设置2道预应力锚索，桩顶放坡3.0米，坡比1：1.5。

连续式支护结构为OA段，开挖深度为7.7米，采用型钢水泥土搅拌桩支护，桩顶设置钢筋混凝土冠梁，同时设置2道预应力锚索结构支护，桩顶放坡1.5米，坡比1：1.

基坑右侧部分的基础形式为筏板基础，目的是降低支护墙及周围土体的水平位移，通过筏板基础支护墙的接触，对支护墙底部水平位移产生抑制作用。

根据支护形式的不同，各自选取1个具有代表性的深层水平位移监测点，分别为1号监测点，8号监测点，22号监测点。其中1号监测点对应内支撑式支护结构，转角处的钢支撑以及直径较大的双排桩具有较高的强度，支护结构变形很小。8号监测点对应离散式支护结构，双排桩加锚索的支护强度一般，支护结构变形较大。22号监测点对应连续式支护结构，型钢水泥土墙整体强度高，防水性好，支护结构变形较小。

3 支护墙后深层土体水平位移

3.1 内支撑支护结构深层土体水平位移

所谓内支撑式支护结构是指在支护挡墙上布置了钢支撑或混凝土支撑.

由图2可知，双排桩挡墙结合钢支撑支护结构周围土体深层水平位移曲线按照变化趋势分为如下三段：

第一段为0.0～-5.0m深度范围内对应的土体水平位移曲线；

第二段为-5.0～-10.0m深度范围内对应的土体水平位移曲线；

第三段为-10.0～-17.0m深度范围内对应的土体水平位移曲线。

结合支护结构形式、拉锚结构布置及开挖深度等多种因素，分析该支护结构周边土体水平位移变化规律如下：

（1）第一段曲线对应的深度范围内土体水平位移近似为零，说明钢支撑结构对于墙后土体水平变形有强大的抑制作用且该作用的影响范围约为地表以下 ，其中 为该区域对应的基坑开挖深度，m。

（2）由第二段曲线变化可知该深度范围内土体面向基坑外侧移动，说明该范围内土体受到了指向基坑外侧的水平作用力，结合工程施工方案可以推测出布置在基坑底部的筏板基础是产生土体反方向位移的主要原因。

（3）整理第二段深层土体水平位移曲线变化可知，筏板基础与支护结构间相互作用可以使地表以下 范围内的土体产生指向基坑外侧的水平变形，最大水平位移约为 ，最大水平位移发生在地表以下 位置。

（4）第三段曲线表明坑底以下土体水平位移随深度的增加呈现先变大后减小的趋势，原因为坑底以下浅层土体受到开挖卸荷、周围附加荷载及基坑内外压力差等综合作用，产生面向坑内的水平位移且随着深度的增加而变大。坑底以下深度区域内土体由于自重荷载增大，导致该范围内的土体水平位移逐渐减小。

（5）坑底土体水平位移随深度的增加呈现先变大后减小的趋势，其中坑底以下-4.0m范围内为水平位移增加区域，基坑底部-4.0m以下为水平位移减小区域。

（6）根据坑底以下土体水平位移变化规律，将水平位移增加区域为坑底隆起增强区，水平位移减少区域称为坑底隆起减弱区。实测数据分析表明，坑底深层水平位移最大值约为 ，坑底隆起增强区是坑底以下 范围。

3.2双排桩支护结构深层水平位移

由图4可知，双排桩挡墙结合锚索支护结构周围土体深层水平位移曲线按照变化趋势分为如下三段：

第一段为0.0～-6.0m深度范围内对应的土体水平位移曲线；

第二段为-6.0～-11.0m深度范围内对应的土体水平位移曲线；

第三段为-11.0～-20.0m深度范围内对应的土体水平位移曲线。

结合支护结构形式、拉锚结构布置及开挖深度等多种因素，分析该支护结构周边土体水平位移变化规律如下：

（1）第一段曲线对应的深度范围内土体水平位移曲线形状与抛物线相似，在-3.0m位置土体水平位移明显降低，结合工程实例分析，可知位于-3.0m处的双排桩顶部冠梁对于深层土体水平位移产生抑制作用。

（2）第二段深层土体水平位移曲线变化可知，筏板基础同样对桩锚结构变形产生影响，使坑底以上 范围内的基坑周边土体产生指向外侧的水平变形，经过计算可知最大水平位移约为 ，最大水平位移发生在地表以下 位置。

（3）第三段曲线表明坑底土体水平位移随深度的增加呈现稍微增加后逐渐减小的趋势，双排桩挡墙附近土体在开挖深度以下 范围内保持较大的水平位移，坑底下面 以下的土体水平位移随着深度的增加而逐渐减小。

（4）根据坑底以下土体水平位移变化规律，将水平位移增加区域为坑底隆起增强区，水平位移减少区域称为坑底隆起减弱区。实测数据分析表明，坑底深层水平位移最大值约为 ，坑底隆起增强区是坑底以下 范围。

3.3 SMW支护结构深层水平位移

由图2.10可知，SMW挡墙结合锚索支护结构周围土体深层水平位移曲线按照变化趋势分为如下三段：

第一段为0.0～-3.0m深度范围内对应的土体水平位移曲线；

第二段为-3.0～-8.0m深度范围内对应的土体水平位移曲线；

第三段为-8.0～-12.0m深度范围内对应的土体水平位移曲线。

结合支护结构形式、拉锚结构布置及开挖深度等多种因素，分析该支护结构周边土体水平位移变化规律如下：

（1）第一段曲线对应的深度范围内土体水平位移曲线形状与抛物线相似，在-3.0m位置土体水平位移大幅降低，结合工程实例分析，可知位于-3.2m处的第一排锚索和-2.0m处的SMW顶部冠梁二者综合作用，对-3.0m处的深层土体水平位移产生明显的抑制作用。

（2）第二段深层土体水平位移曲线变化可知，浅开挖基坑工程布置以刚度较弱的SMW挡墙作为支护结构的浅基坑工程，其最大水平位移发生在坑底附近。实测数据表明，土体最大水平位移发生在坑底以下 处，其位移大小约为 。

（3）第三段曲线表明坑底土体水平位移随深度的增加呈现稍微增加后逐渐减小的趋势，SMW挡墙附近土体在开挖深度以下 范围内保持较大的水平位移，开挖深度以下 以下土体水平位移随着深度的增加而逐渐减小。

（4）根据坑底以下土体水平位移变化规律，将水平位移增加区域为坑底隆起增强区，水平位移减少区域称为坑底隆起减弱区。实测数据分析表明，坑底深层水平位移最大值约为 ，坑底隆起增强区是坑底以下 范围。

3.4各类型支护结构墙后土体水平位移比较

通过分析表2中营口万达基坑工程的不同支护形式对应监测点的水平位移变化，可以总结出软土地区不同支挡结构的墙后土体水平位移。如图1所示，共选取3个最有代表性的点，分别对应内支撑式支护结构，连续式支护结构，离散式支护结构。

软土地区，支挡墙后土体深层水平位移的变化规律如表2所示。首先，土体水平位移的曲线类型随着支挡结构强度的减少从竖向型变为抛物线型。 其次，最大水平位移的变化范围从 到 ，随着支挡结构强度的增加，墙后土体水平位移会逐渐减小，而最大水平位移发生的位置始终维持在基坑底部。最后，基坑开挖会导致坑底隆起，从表2中可以看出，坑底隆起增强区大致为坑底以下 范围内，支护结构强度越低，坑底隆起增强区范围越大。

4 结论

1. 软土地区深基坑工程中，同一开挖深度下，高强度支护结构对应的深层土体水平位移呈现竖向型变化，低强度支护结构的深层土体水平位移呈现抛物线型变化。

2. 软土地区基坑开挖深度以上的墙后土体深层水平位移最大值为 ，最大水平位移处于 之内。

3. 基坑开挖导致坑底以下的周边土体向坑内移动，按照水平位移变化分为坑底隆起增强区和坑底隆起减弱区，其中坑底深层水平位移的最大值为 ，坑底隆起增强区大致为坑底以下 内，支护结构强度越小，坑底隆起增强区越大。

4.筏板基础对于墙后土体水平位移有很大影响，会令土体产生反方向位移，影响范围为坑底以上 范围内。

5坑底以下周边土体水平位移主要受到坑底隆起的影响，与坑底以上的支护结构关系不大。

参考文献：

[1] 龚晓南. 关于基坑工程的几点思考[J]. 土木工程学报， 2005，38（9）： 99 C 102.

[2] 林宗元.岩土工程试验监测手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2005

[3]李琳等.软土地区深基坑变形特性分析[J].土木工程学报：2007，（40）：66-72

作者简介：韩旭，（1989-），男，汉族，辽宁省阜新市，硕士，主要从事基坑支护工程方向，辽宁省沈阳市沈阳建筑大学18624020141、、110168