填土深基坑施工监测及失稳分析

雷 扬，易念平，陆海丽

(1.中国建筑科学研究院地基基础研究所，北京100013;2.建研地基基础工程有限责任公司，北京100013;3.广西大学 土木建筑工程学院，广西 南宁530004;4.广西大学 工程防灾与结构安全重点实验室，广西 南宁530004)

建筑工程的实时监测是施工过程中一个重要的测量工作，尤其对于地层软弱复杂地区。在现代城市中，基坑的开挖还受到基坑周围环境条件的限制，如靠近基坑边有民房或其他重要建筑设施等［1］。基坑在进行开挖后，由于基坑土体也会支护结构都会发生一定程度的变形和位移，因此会对周围的建筑以及地下管线造成严重安全隐患［2-3］。因此对工程进行现场监测并对监测数据进行较为详细的分析就显得十分必要了。

1 工程概况

该办公综合楼位于南宁市白沙大道，楼高9 层，地下室1 层，埋深约5 m。基坑长×宽约为58m×50 m，开挖深度为6.3 ～8.7 m，在基坑的开挖深度范围内地下土层大部分为填土。基坑设计分为三区段:一区深6.3 m，长17.4 m;二区为一电梯井的基底，深8.7 m，长×宽为7.775 m×10 m;三区深6.3 m，长33.025 m。在基坑东侧距边0.3 m 处有一堵墙，墙厚约450 mm，墙高约2.5 m，从基坑一区延伸至基坑三区中部。在基坑北侧紧邻基坑边有一住宅楼正在进行主体施工，该楼基础为桩基。在基坑东侧5.5 m 外有一汽车销售店，其基础形式为桩基础，具体布置见图1。

图1 监测点分布平面图Fig.1 The distributed ichnography of monitoring sites

2 工程地质及水文地质特性

场地下覆土层情况见表1。

本工程地质条件特点:①在开挖深度内以软弱填土为主，自立性差，不利于基坑的稳定;

②基坑一区含丰富地下水，对基坑有不利影响。

表1 工程地质情况表Tab.1 Engineering geological data

3 基坑设计方案

综合考虑施工工期、工程造价、水文地质及周边环境影响，设计采用采用土钉喷射混凝土结构支护形式，一区基坑设置5 层土钉:Φ16 与Φ20，L 为9 m，垂直间距0.90 ～1.10 m，水平间距1.0 m，土钉内力设计值:40 ～60 kN;二区基坑设置7 层土钉:Φ16、Φ20、Φ28，L 为9 m，垂直间距0.90 ～1.10 m，水平间距1.2 m，土钉内力设计值:60 ～150 kN;三区基坑设置5 层土钉:Φ16 与Φ20，L 为9 m，垂直间距0.90 ～1.10 m，水平间距1.2 m，土钉内力设计值:40 ～100 kN。实际施工时，考虑到工程造价及工程经验，最终基坑在6.3 m 深度内只打了4 层土钉。

为确保基坑开挖的安全以及为基坑施工提供指导资料，建筑方决定对基坑及周边建筑进行沉降监测和水平位移监测［4］。

4 监测方案

根据工况及相关规范，布置观测点C1、C2、C3、C4，以进行沉降观测和水平位移观测。同时在基坑东侧汽车销售点的墙体上布置有4 个观测点C5、C6、C7、C8，以进行沉降观测，具体布置见图1。

5 监测结果分析

5.1 数据

监测结果分别见图2 ～图4。

图2 水平位移—时间曲线Fig.2 Horizontal displacement versus time

图3 累计沉降—时间曲线aFig.3 Accumulative sedimentation versus time a

图4 累计沉降—时间曲线bFig.4 Accumulative sedimentation versus time b

5.2 基坑变形破坏

自3 月16 日起开始监测，此时基坑的开挖深度接近2 m，完成了第1 层土钉的施工。3 月23 日晚，由于开挖速度过快导致的土体变形过大，至使靠近C6 测点处一埋于地面以下约1 m 的自来水管被拉裂，水大量灌入到了周围土体。第2 天，在C2 点到C3 点的基坑底部出现了的“鼓肚子”现象，且在C3 点附近发生了基坑壁的局部坍塌。同时在沉降观测点C5 附近，室外墙脚处的混凝土地面发生了沉降，总沉降量约4 mm;在C6、C7 点附近，室外墙脚处的混凝土地面发生了显著的往外偏移，目测有3 ～10 mm;在C8 点附近没见有明显的混凝土地面沉降和偏移情况。止水后，基坑破坏得到有效控制，没有再进一步扩展。

5.3 分析

5.3.1 监测数据分析

整个水平位移监测过程中，有三个突变阶段。第一个在3 月23 日晚水管断裂之后，水平位移监测数据及比较见如表2。比较4 个测点的数据，C4 点本次位移及累计位移值均为最小值，本次位移占累计位移值的89%，同时观察其累计绝对位移值，C4 点的的值大小恰好相反的。由于基坑北端正在进行住宅楼的主体施工，前期施工对该处土体有扰动，同时该区域地下水含量丰富，造成了在基坑开挖过程中土体向基坑内外的反复运动，致使C4 点处出现了累计绝对位移很大而累计位移值较小的情况。C2 点与C3 点都位于基坑中部，条件较为接近，从数据上其也较为接近。C1 点条件相较C2、C3 点有利，其各项数据也相较C2、C3 要小。修补好水管后，3 月25 日监测数据显示，位移量最大的C2 点为3.3 mm，与前日相比显著减小，表明了水对基坑的稳定起有重要作用。

表2 3 月24 日水平位移监测数据分析Tab.2 Analysis of horizontal displacement on March 24

基坑快开挖完毕时，基坑位移变形量显著加大，在图2 曲线上反映为在4 月5 日至4 月10 日的下降段。之后，基坑内部分土体回填，对基坑起到了反压的作用，使基坑壁的土体整体外移，基坑顶部随着整体外移，同时基坑滑裂面的可能向下滑动会使基坑顶部往外倾斜，从而形成了位移-时间曲线上的4月5 日至4 月15 日的波谷图形，此为第二个突变阶段。4 月26 日，受特大暴雨影响，土体向基坑内位移，出现了第三个突变阶段。

观察3 月24 日发生局部坍塌后沉降监测数据及比较见如下表3。C1、C2、C3、C4 的沉降量分别为占各点累计沉降的1/4、1/2、1/2、1/2 强，表明基坑受水大量灌入的影响，在发生显著位移的同时也在迅速下沉，也说明水是基坑破坏的一个重要因素。对于基坑周围的建筑物，受水影响也发生了大量沉降，占其累计沉降值1/3 左右。

表3 3 月24 日沉降监测数据分析Tab.3 Analysis of accumulative sedimentation on March 24

止水后，3 月25 日监测数据显示，沉降量最大的C3 点为3.0 mm，与前日相比显著减小，基坑边建筑物的最大沉降量为0.9 mm，得到了有效控制，表明止水对基坑的稳定起有重要作用［5］。在后续的基坑开挖过程中，基坑及周边建筑的沉降变化都比较平缓，整体为一个渐趋稳定的过程。在4 月29 日测得基坑边建筑的沉降远远小于基坑顶部的沉降，建筑物的沉降速率最大值为0.03 mm/d，小于规范要求的0.04 mm/d［8］，此时基坑已经开挖完毕一段时间，认为建筑物沉降已经稳定，可以不做监测。该建筑由于采用的是桩基础，其地基持力层远在基坑开挖深度之下，所以受基坑开挖影响小，没有发生大的沉降变化。

水的大量注入对基坑土体的影响是巨大的，粘土饱和度增加，致使土体粘聚力c 值和内摩擦角φ 都有很大程度的降低，抗剪能力变弱［6］，使由于开挖速度过快而处于不稳定状态之下土体的自立能力大大降低;同时土中水没有得到很好的排泄，造成了土体中静水压力增大，使土中主动土压力增大，对基坑破坏有重大影响;土体抗剪能力变弱使得基坑滑裂面的抗滑力矩减小，使基坑滑裂面的安全系数大大减小;土体强度的降低也使得土钉锚固体与土体之间的摩擦力减小，土钉的作用得不到完全发挥。上述因素是造成基坑因水的大量灌入而发生局部破坏的主要因素。

5.3.2 监测布置

从监测方面来说，诸多因素会影响到监测结果的准确性，例如仪器、观测者、基准点的布置、观测路线等［7-8］，本文仅考虑了观测点的布设。在本工程水平位移监测中，监测点都埋设于基坑顶部，监测数据直接反映的是基坑顶部的水平位移变化。

有如下两种情况:①当基坑壁整体往外或是整体往内位移时，基坑顶部与基坑底部的位移方向一致，监测数据能反映实际变化情况;②当基坑壁土体沿着滑裂面向下滑动时，基坑顶部呈一个后仰的趋势，基坑顶部的位移方向与基坑底部的位移方向相反，监测数据不能反映基坑的实际变化情况。

在工程中，除在基坑顶部布置监测点外，尚应在基坑的中部和靠近底部处适当布置监测点来监测基坑中部和底部的位移或布置少量测斜孔，对数据进行对比分析，正确判断基坑实际位移变形情况。

5.3.3 基坑设计及失稳分析

对基坑进行稳定分析是为了评价在假定的破坏机理、破坏面及边坡几何形状下的安全系数。由于用于计算的参数如抗剪强度、地下水分布、构成破坏面的不连续面的产状要素、重度等具有很大的变化性和不确定性。而安全系数计算所使用的参数值不可能代表该参数的真值。客观地质体的任何性质都不存在唯一的确定值，都有一定的随机性，数据的离散性会对计算结果产生很大影响［9-11］。根据岩土勘察报告，对基坑支护进行验算，笔者选用参数如表4，如下参数并非完全是设计者所采用参数，只能从整体上反映其坑的稳定情况。采用有效应力法来考虑地下水的计算，圆弧分析方法采用瑞典条分法，基坑外地下水深度考虑为7.0m。基坑边上的围墙为超载，现分别按考虑超载和不考虑超载来进行计算并比较，计算结果如表5。

在考虑超载的情况下，三区的基坑局部抗拉验算无法通过，各工况下的内部稳定安全系数［12-13］比无超载下的安全系数约小17%。表明超载的存在十分不利于基坑的内部稳定，在基坑施工前应该首先拆除位于基坑顶部的围墙。从外部稳定分析看，超载在一定程度上增大了抗滑和抗倾覆的安全系数，但十分有限，可以忽略不计。

表4 土钉支护设计参数1Tab.4 Parameters of soil-nailing

表5 验算成果表Tab.5 Checking results

杂填土的厚5.5 m，其粘聚力和内摩擦角的正确选取对于土钉的设计十分重要。以考虑超载的二区基坑为例验算，粘聚力c=10 kPa 时其内部稳定平均安全系数为1.39，较c 为5 kPa 时增大了23%，所以杂填土物理参数的正确选取关系到整个基坑的安全稳定，在设计之前应进行土钉的基本试验，确定各土层的物理参数。

本工程没有进行土钉基本试验，不利于正确选取物理参数，增加了基坑的设计风险。实际施工时，在基坑开挖5.3 m 深度范围内只打了4 层土钉，基坑顶部的围墙没有拆除，都为基坑稳定的不利因素。大量水灌入土体，在较短的时间内土体变软，抗剪能力大幅降低，静水压力上升，使基坑安全系数大幅降低，导致了基坑的局部坍塌。

6 结 语

针对本填土深基坑，综合规范、前人成果及工程实际经验，主要从如下几个主要影响因素进行了讨论:

①进行土钉设计前应进行土钉基本试验，考虑安全、经济、方便施工等因素，土层物理力学参数的选取在很大程度上决定了设计的成功与否;②基坑旁边的建筑采用的为桩基础，受基坑开挖变形影响小。基坑边的围墙对基坑安全影响大，理应拆除;③本基坑开挖深度内主要为杂填土，其自立性差，开挖速度不宜过快，防止土体长期处于不稳定状态之下;④施工速度过快，土钉打入时间较短，对土体的锚固作用有限，钻孔施工扰动了土的体的结构，影响土的应力状态;⑤土体中水的大量增加是基坑坍塌的主要因素，使土体抗剪能力的降低、土中静水压力上升，造成土中主动土压力增大，土钉与周围土体的摩擦力减小;⑥对于基坑开挖水平位移监测，除了在基坑顶部布置监测点外，尚应随着基坑的开挖在基坑的中部、底部附近布设监测点，优先采用测斜仪［14］。

［1］ 赵志缙，应惠清.简明深基坑工程设计施工手册［M］.北京:中国建筑工业出版社，1999.

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