软土地区超大规模深基坑设计与变形监测分析

陆培毅，王子征

(1. 天津大学建筑工程学院，天津 300072；2. 天津市土木工程结构及新材料重点实验室，天津 300072)

软土地区超大规模深基坑设计与变形监测分析

陆培毅1,2，王子征1

(1. 天津大学建筑工程学院，天津 300072；2. 天津市土木工程结构及新材料重点实验室，天津 300072)

于家堡深基坑位于天津软土地区，整体开挖规模达 10×104,m2．依据监测数据，详细分析了基坑施工各阶段的围护桩身变形、土体侧移以及坑外地表沉降的变形及发展规律．分析结果显示，该基坑支撑刚度和施加位置对排桩变形模式起决定性作用，桩身最终仍呈“倒三角”悬臂排桩的线性变化规律，最大位移仍出现在桩顶．第 2步开挖对该基坑围护结构影响很小，围护桩及土体变形均主要发生在第 1步开挖．监测数据分析揭示了该超大规模深基坑的实际状态，可为类似超大规模深基坑工程的围护结构设计和科学施工提供参考．

软土地区；超大基坑；围护结构变形；现场监测；支护结构

在天津软土中基坑整体开挖规模达 10×104,m2，普遍开挖深度13～14,m，采用一道钢筋混凝土支撑，该基坑工程在天津是首例，在国内亦属罕见．对基坑监测数据的分析发现该超大规模深基坑变形规律呈现与常规经验不符的规律．众所周知，土压力的分布是与变形特征相关联的[1]，而支撑的刚度和施加位置与围护结构变形、周边土体运动密切相关[2-4]，进而影响支护结构背后土压力的分布．因此，研究超大规模深基坑开挖后，土体和支护结构的变形规律能丰富我们对基坑的认识，也为基坑土压力的分布研究提供参考[5]．

1 工程概况与工程地质条件

1.1 工程概况

于家堡金融服务区位于海河北岸，北至新港路，东、西、南三面环水．根据建设规划，选取金融区内1.1,km2土地作为建设区，将建成集传统金融、现代金融及一些商业配套设施于一体的现代建筑，对于家堡金融区的发展将起到承上启下的作用．作为最先建设的一期工程，它涵盖15、16、21、22、25、26共6个地块．一期基坑平面尺寸约为400,m×250,m，占地约10×104,m2．现场地势较平坦开阔，四周修有临时沥青混凝土道路．综合考虑工期和造价等因素，经过国内岩土专家反复论证，最后确定采取整体明挖的方案，如此大规模的深基坑开挖在国内实属罕见．

1.2 工程地质条件及水文特征

从表 1可以看出，③1和③3土质较差，呈流塑至软塑状态、高压缩性，在整个场地中均有分布．潜水含水层埋深 0～2.2,m，稳定水位埋深 0.5～1.7,m．50,m深度内划为两个承压含水组，第 1承压含水组包含⑥粉土层和⑦2粉砂层，对基坑影响相对较大，可能发生突涌现象．

表1 地层参数表Tab.1 Parameters of soil strata

2 基坑支护设计

本基坑侧壁安全等级为一级，普遍开挖深度13～14,m，局部开挖深度 15.00～16.05,m，采用灌注桩＋一道内支撑＋止水帷幕的支护方案，基坑底部位于③4粉质黏土层，支护桩位于⑥粉土层和⑦2粉砂层．具体支护桩信息见表 2．基坑附近没有需要保护的周边建筑及地下管线，因此支撑的施加位置位于桩顶以下 4.4,m处，基坑剖面见图 1．内支撑体系平面布置见图 2，沿基坑周边腰梁截面为 2,400,mm× 1,000,mm，对撑采用梁板结构，边梁截面为1,800,mm ×1,000,mm，中间梁截面为 1,200,mm×1,000,mm，板厚200,mm，斜向格构柱主要杆件截面为1,500,mm ×1,000,mm，其他小斜杆截面均为 800,mm×1,000 mm. 图2中未注明支护桩的桩径为1.1,m．止水帷幕深度为 28.5,m，总体降水采用大口井降水，建筑基坑内部局部深坑区域增设降压井以防承压水突涌．

表2 支护桩数据Tab.2 Data of supporting piles

图1 基坑支护剖面Fig.1 Profile of foundation pit support

图2 支撑布置平面图Fig.2 Plan of foundation pit support

3 基坑开挖过程与监测数据分析

3.1 基坑开挖过程

基坑工程监测项目包括围护桩水平位移和弯矩、坑外土体侧移及地表沉降等．地下空间各地块开挖顺序为：16地块→15地块→21、22地块北侧→25、26地块→21、22地块中间和南侧．本基坑开挖总共可划分为3个阶段，具体工况如表3所示．

表3 基坑开挖阶段的情况Tab.3 Conditions of excavation stages

3.2 桩顶水平位移监测数据分析

图3为第1、2步开挖结束时，围护桩桩顶累计水平位移曲线．曲线显示，由于基坑开挖规模大，基坑角部变形小，空间效应明显，其他部位空间效应很小．因为对撑是梁板结构，刚度比斜撑刚度大，对撑支护部位比斜撑支护部位围护桩变形小，很好地控制了基坑中间部位的变形发展．3道对撑巨大的刚度以及 6个地块单独挖土施工的原因是由于基坑整体变形呈现出6个相对独立的变形部分，每个地块围护桩变形具有相对独立性．从两条曲线的变化趋势还可看出，桩顶位移第 1步开挖变形图与基坑最终变形图的变化规律一致，且变形发展主要集中在第 1步开挖，约为总发展位移的 90%左右．16地块东北角由于开挖初期运土车辆超载，导致位移发展较大，对车辆采取限载之后，桩顶位移没有进一步的发展．25地块南侧由于局部土质较差且挖土较快，导致位移发展较大．

图3 桩顶水平位移曲线Fig.3 Horizontal displacement curve of top beam

3.3 围护桩测斜监测数据分析

Clough等[6]、Addenbrooke等[7-8]的研究表明，支撑系统的刚度是影响基坑变形的重要因素．本基坑工程考虑造价和施工等因素，采用了一道钢筋混凝土支撑，轴线位于桩顶以下4.4,m处，如图1所示．图4为基坑开挖结束时各地块特征点围护桩桩身最终侧移曲线．由于支撑刚度的不同及挖土施工等因素影响，各地块桩身位移相差较大，但可以看出大部分围护桩侧移还是控制在了警戒值 70,mm以内．工程经验和计算分析表明，悬臂排桩围护结构桩身侧移呈“倒三角”的线性变形模式[9]．图中曲线显示，本基坑最终桩身也呈“倒三角”桩身侧移模式，与常规经验不符[10]．这是因为，在基坑悬臂开挖阶段，土层主要为杂填土和淤泥质土，围护桩发生了较大的位移，当施加支撑进行第2步土方开挖时，下部土体土质较好，且围护桩和支撑体系刚度限制了位移的进一步发展．因此，监测数据显示，第 2步开挖引起围护结构的位移很小，围护桩仍呈悬臂排桩的变形规律．

图4 围护桩桩身最终侧移曲线Fig.4 Final lateral displacement curve of supporting pile

3.4 坑外土体测斜数据分析

基坑周边共布置了 10个土体侧移监测点，有效监测点的平面布置如图 2所示，沿土层深度每隔0.5,m记录土体侧移．图5显示最终坑外土体侧移曲线基本上也呈“倒三角”形分布，沿深度变化规律与围护桩侧移曲线变化规律一致．第 2步土方开挖结束后，有效监测点显示的土体侧移曲线与第1步开挖结束时相比，没有进一步的增大．

图5 最终土体侧移曲线Fig.5 Soil lateral displacement after final excavation

3.5 坑外地表沉降监测数据分析

根据已有的分析研究，单撑体系围护结构地表沉降影响范围约为基坑开挖深度的2倍[5]，故在此范围内设沉降监测点位，记录地表的沉降发展情况，特征监测点布置见图2．表4所示的是各地块地表沉降最大点位在第1步开挖和第2步开挖结束时的发展情况，以及第1阶段的地表沉降发展量占总发展量的百分比．其中，16地块由于开挖初期车辆超载导致沉降值较大．从表中可以看出，坑外地表沉降主要发生在第1步开挖阶段，发展量约为总发展量的90%．

表4 地表沉降发展情况Tab.4 Surface subsidence development

4 结 论

本文对整体开挖面积达 10×104,m2的超大规模“明挖正施”深基坑在不同开挖阶段的围护结构响应规律进行了分析，得到了以下3点有益的结论．

(1) 本工程主要监测数据均在设计允许值以内，基坑本身以及周边道路在整个施工过程中处于安全状态，基坑设计和施工是成功的．

(2) 由于本基坑开挖面积超大，除角部外，基坑空间效应不明显．围护结构变形受支撑巨大刚度和挖土施工的影响，每个地块的变形具有相对的独立性.

(3) 加撑进行第2步土方开挖结束后，支护桩侧移数据与坑外土体侧移数据呈现相同的“倒三角”变形规律，而且第2步开挖并没有引起支护桩和坑外土体侧移较大的增大．另外，坑外地表沉降也主要是在第1步土方开挖中产生，发展量约为最终沉降值的90%，这些位移监测数据的相互印证，说明了监测数据的可靠性，揭示了该超大规模深基坑的实际工作状况，也说明支撑施加位置是影响基坑支护结构变形的重要因素．

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

［2］ 杨光华. 深基坑开挖中多支撑支护结构的土压力问题[J]. 岩土工程学报，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］ 陆培毅，顾晓鲁，钱 征，等. 天津港务局综合业务楼深基坑支护与监测 [J]. 岩土工程学报，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，宗金辉，孙良涛. 天津某深基坑工程施工监测及数值模拟分析[J]. 土木工程学报，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］ 房师军，付拥军，姚爱军. 某地铁工程深基坑排桩围护结构变形规律分析[J]. 岩土工程学报，2011，33(增1)：216-219. Fang Shijun，Fu 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).

(责任编辑：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.

陆培毅（1962— ），女，博士，教授.

陆培毅，tjulpy@tju.edu.cn.