基坑壁后土体脱空引起的围护结构稳定性监测与分析

杨安民，阳军生，王俊，王树英，张峥

（1.中南大学土木工程学院，湖南长沙410075；2.湖南磁浮交通发展股份有限公司，湖南长沙410014）

基坑壁后土体脱空引起的围护结构稳定性监测与分析

杨安民1，阳军生1，王俊2，王树英1，张峥1

（1.中南大学土木工程学院，湖南长沙410075；2.湖南磁浮交通发展股份有限公司，湖南长沙410014）

长沙一房建工程基坑施工过程中围护桩壁后出现土体脱空，对基坑稳定造成很大影响。通过现场监测与数值分析，探讨了壁后土体脱空现象对围护结构稳定性的影响。分析结果表明，发生壁后土体脱空现象后，围护桩的变形与受力模式均发生改变，壁后土体稳定性降低，桩顶向基坑内的水平位移增加量超过50 mm，内力峰值增加85%，安全性能显著降低。通过及时对脱空部位进行回填处理，保证了基坑稳定。

围护结构；脱空；桩顶水平位移；内力峰值；回填

在地下水位埋深较浅的地区开挖基坑，基坑降水成为保证基坑稳定的重要工作。降低地下水位势必引发基坑周围土体应力场的改变，进而导致土体的变形，引起地表不均匀沉降及支护结构的侧向位移［1］。因此，若降水控制不当，有可能危及基坑安全。

针对基坑降水引起的地表沉降及对于围护结构影响的研究已经取得不少成果［2-8］。但是，作为降水不当引起的一种现象，甚少有文献针对基坑围护结构壁后土体流失对体系的稳定性影响进行量化分析。基坑坑内降水后，形成的降水漏斗使得水力梯度增加，由此产生的渗透力将作为体积力作用在土体上，当渗透力作用达到一定强度，土体细颗粒易被滞流带走或移动。如果降水过程中对土层细颗粒流失控制不当，会增加基坑壁后土体脱空的风险。

长沙一房建工程基坑施工过程中，因坑内降水引起围护桩壁后土体流失，形成较大范围的土体脱空现象，导致围护结构产生了较大的变形。脱空部位回填处理后，变形则趋于稳定。本文在现场围护结构变形监测的基础上，进行围护结构壁后土体脱空情况下体系的变形性状与受力特征分析，分析结果可供工程参考。

1　工程概况

基坑平面尺寸约76.7 m×47.6 m，开挖深度约为8 m；东、南、西三面设置钻孔灌注桩支护，桩径800 mm、深14.2 m、间距1 400 mm，桩顶设拉梁，场地地层分布及围护结构示意如图1。

图1　围护结构示意

基坑场地内原始地形较为平坦，地层自上而下依次为杂填土、素填土、粉质黏土、圆砾、泥质粉砂岩，围护结构持力层为圆砾及泥质粉砂岩层。粉质黏土层中细砂颗粒含量丰富，透水性较强。场地内地下水位较高，含水层主要为粉质黏土和圆砾层，施工过程中需进行坑内降水。

围护结构施作完成后，自2015年2月7日开挖基坑内土体，3月初开挖至坑底。因施工期间降雨量较大，基坑周边土层地下水位上升，加大了坑内降水强度。由于降水过程中粉质黏土层中的细颗粒被大量带入基坑内导致围护结构壁后土体流失，自3月4日起，基坑东南角钻孔桩后下部开始出现土体脱空现象，且空洞尺寸持续增大，脱空区域沿东侧、南侧围护桩桩底发展。截止3月19日，最大脱空尺寸达2 m（高）× 1 m（宽），脱空区域沿东、南侧围护桩桩底发展，长度分别约15，10 m。现场土体脱空见图2。

图2　基坑底壁后土体脱空

由于基坑降水会引起围护结构向基坑内的水平位移，施工过程中对钻孔桩顶的横向变形进行现场测试，测试结果见图3。从图中可知，随着基坑开挖，位移量逐渐增大。3月初开挖至基坑底，位移量达到了32.2 mm；3月5日之后，位移量增加显著，且变形速率随脱空区域的增大而增加，截止3月19日，桩顶水平位移总量达到了89.9 mm，桩后土体脱空现象对围护桩顶水平位移影响显著。

图3　桩顶水平位移时程曲线

2　基坑围护桩壁后空洞的影响分析

为探究壁后土体脱空现象对基坑围护结构稳定性的影响，针对现场条件采用数值方法对其进行计算，同时对比分析不出现土体脱空的情况。

2.1模型建立

采用有限元软件ABAQUS进行二维模拟，模型尺寸取为80 m×35 m，基坑开挖深度8 m。边界条件为：左、右侧面x方向约束，底面y方向约束，上表面自由。实际工程中围护桩为圆形截面，建模时按照刚度相等原则将其等效为0.56 m厚混凝土墙［9］。围护桩壁后空洞最大尺寸约为2 m（高）×1 m（宽），依据现场观察，其拱部形状可利用普氏平衡拱（即自然拱）理论取为2/3个自然拱进行分析，空洞形状示意如图4。

土层及围护结构均采用平面应变实体单元模拟，土层的判定准则采用Mohr-Coulomb屈服准则。围护桩与土之间以接触对（Contact Pair）形式建立接触，桩表面为主控面，桩周土体表面为从属面，离散方法选用面对面离散（Surface-to-Surface Discretization）［10］，桩侧、桩底的摩擦系数采用加权平均等效，分别取0.578和0.795。

由于本文针对基坑开挖及围护桩壁后土体脱空过程中的结构稳定性进行分析，不计施作钻孔桩过程中体系的变形，因此，施工模拟过程中，施作钻孔桩后进行桩—土体系的地应力平衡。基坑开挖分4步进行，每次开挖深度为2 m，开挖至基坑底后移除脱空区域的土体以模拟围护桩壁后土体脱空。

2.2结果分析

2.2.1土层稳定性

土层结构的改变直接影响到基坑围护结构的稳定性与地表建筑物的变形，故有必要对壁后土体脱空情况下土层的稳定性进行分析。2种工况下基坑周围土层的塑性区分布见图5，可知持力层土体未出现明显的塑性区，土层性质维持稳定。未发生脱空现象时，塑性区仅分布于基坑底部围护桩两侧土体中；发生脱空现象后，塑性区扩展至空洞顶部及内侧土体中，分布区域大为增加，且有向地表延伸形成剪切破坏滑动面的趋势。

图4　土体空洞示意

图5　基坑周围土体塑性区分布

由2种工况下围护桩后地表沉降计算结果可知离基坑越近，沉降量越大，沉降槽的坡度变化也越明显。壁后土体未脱空时离基坑距离约4.5 m范围内地表沉降量不＜5 mm时，脱空后该距离扩展至9.2 m，且最大沉降量较前者增加了78%。

由以上分析可知，发生壁后土体脱空现象后，空洞周围土体塑性区增加，变形增大，脱空区域有进一步扩大趋势，土层稳定性显著降低。

2.2.2围护桩水平变形

在侧向土压力作用下，桩体产生了一定的挠度，离桩底越远，挠度越大。位移最大值点位于桩顶，深入持力层段桩体位移量较小。2种工况下的桩顶位移量计算结果分别为26.7，78.3 mm，与现场实测结果较为相符。与壁后土体未脱空相比，发生脱空现象后，距桩顶深度12 m以下桩段位移变化较小；12～7 m桩段曲率增大，位移量显著增加；7 m以上桩段曲率减小，但位移量持续增加。入土深度＜2 m时已出现桩土分离现象，这与现场观测结果相符。计算与实测结果均表明，壁后土体脱空现象对围护桩向基坑内的水平变形影响显著。

从上分析可知，发生壁后土体脱空现象后，围护桩的变形模式见图6，表现为深入持力层段桩体变形小，持力层以上至脱空区域上部一段桩体曲率增大，变形增加，入土较浅桩段曲率减小，但挠度持续增加，甚至出现桩土分离现象。

图6　脱空情况下桩体变形模式（单位：mm）

2.3围护桩受力模式探讨

发生壁后土体脱空现象后，土层应力重分布，围护桩受到的土压力也发生改变。因土层稳定性降低主要表现为脱空区域附近土体塑性区和变形的增加，持力层土体则维持稳定，故主要对脱空区域及上部桩体受到的土压力进行分析。图7为桩后土体水平方向的应力云图，该方向的土体应力与桩体水平方向的受力和变形直接相关。发生土体脱空现象后，空洞上部区域土体的水平应力显著增大。尽管土体脱空桩段未受到土压力直接作用，但土体水平应力峰值达到了72.5 kPa，较未脱空增加了约1.6倍。远离持力层端桩体受到的土压力增加，使得围护桩的受力情况更不利。

图7　桩后土体水平应力云图（单位：Pa）

在桩后土压力作用下，计算得出桩后土体未脱空与脱空2种工况下的围护桩弯矩，桩顶以下入土深度＜4 m时，后者桩体的内力值较前者小；入土深度＞4 m，尽管2种工况下内力值都随入土深度增大而增加，但后者的增加速率远大于前者；到达持力层时，2种工况下的桩体内力均达到峰值，但后者数值远大于前者，且分布有明显区别：前者呈“平峰”状，变化梯度较小，后者呈“尖峰”状，变化梯度大。深入持力层段桩体的内力值随入土深度的增大而降低，但后者的数值明显较前者大。

经以上分析可知，与壁后土体未脱空相比，发生壁后土体脱空现象后，围护桩的内力分布、大小与规律发生了明显改变，最大弯矩（175.9 kN·m）较未脱空时弯矩（95.1 kN·m）增加了85%，出现部位的入土深度（10.7 m）则较未脱空时深度（11.2 m）有所减小。

2.4围护结构安全性评价

壁后土体脱空后，围护桩中、下部桩体内力急剧增大，但刚性位移较小，主要表现为桩身曲率增大。因此，当内力峰值达到或超过极限承载力时，桩体有发生开裂甚至破坏的风险。通过计算桩体的安全系数，对壁后土体脱空情况下围护结构的安全性进行评价。

由于本工程中围护结构无内支撑，近似于悬臂结构，不计竖直荷载，依据《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）［11］规定的受弯构件正截面承载力计算方法，可得2种工况下每延米围护桩体截面的安全系数。安全系数最小值分别为2.01，1.08，出现部位均为弯矩峰值处。可知发生壁后土体脱空现象后，最小安全系数较未脱空时明显降低，已接近于1，桩体有开裂破坏的风险。

壁后土体脱空严重影响到围护结构的稳定，为确保后期安全施工，需及时采取相应措施防止脱空区域进一步扩大。4月18日开始，现场对脱空区域充填混凝土，对边坡、桩间土体进行网喷加固，并及时浇筑基坑底板。此后围护桩各项变形速率迅速减小。

3　结论

本文针对长沙一房建工程基坑施工过程中因坑内降水引起的围护桩壁后土体脱空进行了现场监测与数值分析，探讨了壁后土体脱空现象对围护桩影响的大小与规律，获得了以下结论：

1）现场测试结果表明，发生壁后土体脱空现象半个月内，围护桩顶向基坑内的横向位移量较脱空前增加了1.79倍，且变形速率随脱空区域的增大而增加，影响十分显著；

2）数值分析结果表明发生壁后土体脱空现象后，壁后土体稳定性降低，脱空区域上部桩体受到的土压力明显增大，使得围护结构受力更为不利，最大横向变形与内力值较未脱空时分别增加了1.93，0.85倍；

3）鉴于壁后土体脱空对于基坑稳定性影响非常大，基坑施工过程中必须采取合理的降水措施，防止围护结构壁后土体流失；一旦发生土体流失形成空洞，需尽快对空洞进行充填处理，保证基坑安全。

［1］刘国彬，王卫东.基坑工程手册［M］.2版.北京：中国建筑工业出版社，2009.

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［11］中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50010—2010混凝土结构设计规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2010.

Monitoring and Analysis of Retaining Structure Stability Caused by the Soil Void Behind Foundation Pit Wall

YANG Anmin1，YANG Junsheng1，WANG Jun2，WANG Shuying1，ZHANG Zheng1
（1.School of Civil Engineering，Central South University，Changsha Hunan 410075，China；2.Hunan Maglev Transportation Development Co.，Ltd.，Changsha Hunan 410014，China）

During the foundation pit construction of one house-building project in Changsha，there is a soil void behind the retaining pile wall，which has a great influence on the stability of foundation pit.T his paper discussed the influence of the soil void behind the wall on retaining structure stability through field monitoring and data analysis. T he results showed that the deformation and stress mode of retaining pile changed after the soil void behind the wall，soil stability behind the wall decreased.T he horizontal displacement increment of the pile top towards foundation pit was more than 50 mm，peak value of internal force increased by 85%，and safety performance significantly decreased.Backfilling the void position promptly could guarantee the stability of foundation pit.

Retaining structure；Void；Horizontal displacement of the pile top；Peak value of internal force；Backfill

U417.1+1

ADOI：10.3969/j.issn.1003-1995.2016.09.27

1003-1995（2016）09-0108-04

（责任审编赵其文）

2016-03-12；

2016-06-30

杨安民（1989—），男，硕士研究生。