深基坑变形机理与控制技术研究

张锐超

【摘 要】随着社会经济的快速发展，城市高层建筑不断的增多，由于地层的复杂性，深基坑工程极有可能会产生变形，从而严重影响基坑四周的构筑物、交通干道、市政设施及地下管线的正常使用。在基坑的施工过程中，由于卸载作用，开挖基坑侧部土体、基坑底部的土体会出现隆起现象。同时，基坑开挖后，支护体内外两侧产生的土压力差值会使支护结构产生向坑内侧的位移及挡土墙后的地面下沉，从而引起外侧土体发生移动，相邻建筑物和地下管线变形或开裂。基于此，本文就深基坑变形机理与控制技术进行分析与研究。

【关键词】深基坑；变形机理；控制技术

一、深基坑的变形的原因和机理

基坑变形包括支护结构变形、底隆起变形和基坑周围地层移动变形。基坑周围地层移动变形是基坑工程变形控制设计中的首要问题，有不少工程因支护结构变形过大，导致围护结构破坏或围护结构虽未破坏但周围建筑物墙体开裂甚至倒塌的严重后果。故有必要讨论地层移动机理及支护结构变形、坑底隆起机理。

基坑开挖过程是基坑开挖面卸荷过程，由于卸荷而引起坑底土体产生向上为主的位移，同时也引起围护墙在两侧土压力差的作用下而产生水平位移，因此产生基坑周围地层移动变形。研究表明，基坑开挖引起基坑周围地层移动的主要原因是坑底土体隆起和围护墙的位移。

（一）坑底土体隆起变形

坑底隆起是垂直向卸荷而改变坑底土体原始应力状态的反应。在开挖深度不大时，坑底土体在卸荷后发生垂直的弹性隆起。当围护墙底为清孔良好的原状土或注浆加固土体时，围护墙随土体回弹而抬高。坑底弹性隆起的特征为坑底中心部位隆起最高，而且坑底隆起在开挖停止后很快停止。这种坑底隆起基本不会引起基坑周围地层的移动。

随着开挖深度增加，基坑内外的土面高差不断增大，当开挖到一定深度，基坑内外土面高差所形成的加载和地面各种超载的作用就会使围护墙外侧土体向基坑内移动，使基坑坑底产生向上的塑性隆起。同时在基坑周围产生较大的塑性区，并引起地面沉降。此外，也应看到，基坑开挖后墙体向基坑内移动，当基底面以下部分的墙体向基坑方向移动时推挤墙前的土体，造成基底隆起。

（二）围护结构的变形

围护墙体的变形从水平向改变基坑外围土体原始应力状态而引起地层移动。基坑开始开挖后，围护墙便开始受力变形。在基坑内侧卸去原有土压力时，在墙体外侧则受到主动土压力作用，而在基坑的围护墙内侧则受到全部或部分被动土压力作用。由于总是开挖在前，支撑在后，所以围护墙在开挖过程中，安装每道支撑以前总是已发生一定的先期变形。一般挖到设计坑底标高时，墙体最大位移发生在坑底面上1～2m处。

围护墙的位移使墙体主动土压力区和被动土压力区的土体发生位移。墙外侧主动土压力区的土体向坑内产生水平位移，使背后土体水平应力减小，以致剪应力增大，出现塑性区；而在基坑开挖面以下的墙内侧被动土压力区的土体向坑内发生水平位移，使坑底土体加大水平向应力，以致坑底土体增大剪应力而发生水平向挤压和向上隆起的位移，在坑底处形成局部塑性区。而围护墙水平位移与围护墙外侧地面沉降的比值，以及沉降大小与沉降范围的关系，则可大体表述为：墙体位移量较小时，墙侧地面最大沉降量约为墙体水平位移的70%或更小，由于墙体位移小，墙外侧与土体间摩擦力可以制约土体下沉，故靠近围护墙处的沉降量很小，沉降范围小于2倍开挖深度；而当墙体位移量较大时，地面最大沉降量就与墙体水平位移量相等，此时墙外侧与土体间摩擦力已丧失对墙后土体下沉的制约能力，所以最大沉降量发生在紧靠围护墙处，沉降范围大于4倍开挖深度。因此，同样地质条件和开挖深度下，深基坑周围地层变形范围及幅度，因墙体的变形不同而有很大差异，墙体变形往往是引起周围地层移动的重要原因。为此，必须对基坑变形予以控制。

二、深基坑的变形的控制措施

（一）工程位于某市某大道北面，白石路东侧，工程主体为44层的外筒钢结构加内筒钢筋混凝土剪力墙结构，高度202m。场地大致呈正方形，原为某市湾后海海域，后经填海而成。地面标高4.00～6.00m，场地南侧距离滨海大道十余米，西侧和北侧分别与其他在建项目基坑相通，东侧紧邻一市政道路。基坑开挖深度16m，周长270m，其中基坑中间布置有一个低于基坑坑底标高4m的内坑（电梯基坑）。安全等级为一级，设计使用期限为12个月，属于大型深基坑。

（二）工程地质条件

地质报告揭示基坑深度范围内土层构成为：①人工杂填土，厚4.7～7.8m，主要为黏土、石英质砂混碎块石、混凝土块、砖块等建筑垃圾及少量生活垃圾等；②第四系全新统海积层，厚0.5～2.4m，淤泥呈灰黑、黑色含少量机质，局部含少量石英砂岩；③第四系全新统冲洪积层，厚1.5～3.0m，砂砾主要成分为石英质，混少量黏性土；④第四系中更新统残积层，厚16～46m，砾质黏性土，褐黄、灰白、褐红等色，由粗粒花岗岩风化残积而成，含20%～30%的石英砂砾，稍湿-湿，可-硬塑，遇水浸泡易软化，局部夹有强化岩塊。场地内地下水有两种类型：一是松散土层空隙水，二是基岩裂隙水。

（三）应急对策

1.有组织疏排水

在桩间增加长1.5m、Φ50mm的PVC泄水管，泄水管中尾端约1.0m做成花管，花管外包无纺土工布，泄水管水平间距为桩间距，竖向间距为2.0m，泄水管尾端与地下室外墙之前应保持不小于30cm的安全距离。桩面挂Φ6mm钢筋网@200mm×200mm，喷射C20混凝土厚100mm。

2.充填掏空区

西南角桩间已塌空的位置，采用砂袋填满，表面挂Φ6mm钢筋网@200mm×200mm，喷射C20混凝土厚100mm。对基坑顶部已塌空的位置，用C15素混凝土填充，素混凝土填充分层填充，西南侧回填土部分流空的位置用C15混凝土进行地面硬化，厚200mm。

3.卸载加反压

西南侧坑底约30m堆填土台进行反压，土台尺寸为高4m、顶宽3m、放坡坡率1∶1；南侧坑顶卸载，沿基坑卸土高2.0m，宽6.0m。

（四）长效措施

长效措施控制基坑变形，基坑补强满足其服务时限，桩基验收和地下室尚未开展施工，基坑服务时限尚需延长。因此，在应急对策的基础上，确保基坑边坡的稳定性，必须对基坑进行补强加固。

1.对变形最大区段增加钢角撑

图1

基坑变形最大测点在西南角，最大位移量超过设计控制值50mm；最大沉降量超过设计预警值32mm。在基坑西南角加1道钢角撑，角撑分别支撑在相邻基坑支护桩冠梁和该基坑支护第1道腰梁上（图1）。钢管角撑材料采用Q235级钢，钢结构连接均采用现场焊接，角撑预加轴力采用2只千斤顶同时进行，预顶力为180kN，预加应力时，对支护桩进行变形监测，防止桩产生过大的向外位移造成腰梁的松脱，导致锚索预应力损失。

2.增加锚索补强

根据实测变形监测的数据，结合基坑发生险情的区域，有针对性地对基坑进行补强设计，对1j-1j剖面，在原第3道锚索上1.5m处加1道锚索，锚索间距2.0m，在原第3道锚索下2.0m和原第2道锚索上1.5m处各加1道锚索，锚索间距4.0m（图2）；对2j-2j剖面，在原第3道锚索上1.5m处和下2.0m处各加1道锚索，锚索间距分别为2.0m和4.0m（图3）。对锚头松动和夹片缺失的锚杆进行重新张拉锁定。

图2.

图3.

（五）变形控制效果

应急和长效综合对策同时进行，并在基坑西侧增加3个监测点，南侧西部增加1个监测点加强监测。应急措施完成后，基坑变形已经得到有效控制，9月30日测得的一周来的最大位移速率为0.091mm/d。基坑西南侧的角撑施工完成后，监测数据已经显示基坑位移已经得到全面控制。基坑的锚索补强施工于11月份施工完成后，地下室主体工程开展施工，至2013年4月份3层地下室主体施工完成，基坑一直处于安全稳定状态，几乎无变形。主体结构施工到10层时，基坑回填于2013年7月份完成。

结束语

稳定和变形是基坑开挖工程的主要课题，不仅要确保基坑的安全与稳定，而且要有效控制基坑周围地表变形以保护周围环境。特别是在基坑开挖时，往往会产生较大的变形，严重影响临近建筑物，交通道路、地下管线等设施的安全和正常使用性，由此产生的工程事故屡见不鲜，给国家财产造成了重大损失。因此，控制基坑的变形是确保周围环境安全性的关键，是基坑设计中的关键问题。

參考文献：

[1]祝燕燕.深基坑支护变形机理在实例中的运用[J].城市建设理论研究，2013，3（7）.

[2]刘刚，田开洋.深基坑支护变形机理及实例分析[J].岩土工程界，2008，11（1）：48-49.

[5]陈文博，徐立丹，徐玉娇，张亦驰，张傲，赵延林.基坑变形机理与控制方法研究[J].黑龙江科技信息，2012，16（3）：231.