某主动土压力不平衡深基坑的设计实践

李书波，陈涛

(南京市测绘勘察研究院股份有限公司，江苏 南京 210019)

某主动土压力不平衡深基坑的设计实践

李书波*，陈涛

(南京市测绘勘察研究院股份有限公司，江苏 南京 210019)

以南京河西地区某软土深基坑为例，介绍了由于场地地形高差较大引起主动土压力不平衡带来的支护结构设计时内力取值偏小、变形不协调等设计难题。通过支撑系统顶冠梁与腰梁分开设置、支护构件内力综合分析取值、结合主体结构设计增设换撑等针对性处理措施，解决了上述设计难题。施工期间监测数据表明对支护结构采取的措施保证了支护结构及周边环境的安全，取得了良好的效果。

主动土压力；不平衡；深基坑；监测

1 引 言

近年来随着国民经济的发展，需要开发越来越多的地下空间来满足各行业的需求，而城市化建设和地下空间开发迅猛发展，土地资源越来越受到限制，工程建设面临越来越多的复杂条件，深基坑工程面临前所未有的挑战。如何保证在深基坑开挖及地下结构施工过程中对复杂环境条件的影响降至最低成为一项重要的课题。

本文以南京某软土基坑为例，针对地形高差较大引起的主动土压力不平衡问题提出了一些处理措施，通过实践表明采取的措施是合理可行的，可为类似工程提供有益参考。

2 工程实例

2.1 工程概况

南京河西地区某科技研发大厦项目由地上15层主楼及1层满堂地下室组成，框剪结构，桩基础，底板垫层底标高为-7.400(±0.000相当于吴淞高程 +9.200 m)。基坑平面形状基本规则，平面尺寸约为 110 m×65 m，开挖面积 6 800 m2，支护周长 340 m。

场地地形标高为+11.100～+7.800(吴淞高程)，整体呈现南高北低趋势，如图1所示。基坑南侧为1层老旧民房，浅基础，距离基坑 5.0 m，电线杆距离基坑 1.5 m，埋深不详，该侧基坑挖深 9.3 m，对变形控制要求较高；基坑北侧为绿化用地、市政道路及地埋管线，最近管线距离基坑 12.0 m，该侧基坑挖深 6.0 m；基坑东侧为在建2层地下室，埋深约 9.0 m，该侧基坑挖深 6.0 m；基坑西侧为市政道路及地面管线，距离基坑边约 7.5 m，该侧基坑挖深 6.0 m。

图1 基坑平面布置及周边环境

2.2 地质条件

勘察报告显示场地属于长江漫滩地貌单元，基坑开挖影响深度内的地层如下：

土层物理力学指标 表1

勘察钻孔揭示孔隙潜水为对基坑开挖影响的主要含水层，主要赋存于①杂填土、②粉质黏土和③淤泥质粉质黏土中。该含水层为统一含水层，厚度较大、富水性较差、透水性较弱。孔隙潜水主要受大气降水和地表水流补给。勘察期间实测钻孔内孔隙潜水初见水位埋深约 0.50 m～2.60 m，稳定水位埋深约 0.70 m～3.00 m。年水位升降变幅约 0.80 m～1.00 m。场地近3年最高水位标高约7.50 m。

3 支护结构设计

3.1 支护难点分析

场地地形高差较大，导致基坑开挖深度相差较大，综合考虑分析场地条件、周边环境、地质条件基坑支护结构选型存在如下几个重难点：

(1)场地地形整体呈现南高北低，高差达 3.3 m，引起基坑开挖后南北侧主动土压力存在较大的差异，导致南北侧主动土压力不平衡，支护结构将会向土压力较小一侧整体偏移，使主动土压力较小一侧的土压力从主动土压力向静止土压力增大，直至达到被动土压力，对南侧变形控制及北侧支护结构内力计算带来困难。

(2)基坑开挖面全部位于深厚的③淤泥质粉质黏土层中，工程性质较差，具有较大的流变性及触变性。

(3)南侧建筑物为1层老旧民房，基础整体性较弱，结构抗变形能力较差，对支护结构的控制变形能力要求较高；该侧存在电线杆，同样对变形控制要求较高。

3.2 支护选型

根据基坑开挖深度、开挖面积，项目采用整体顺做法施工。结合周边环境、地质条件及地区经验，基坑支护结构整体采用刚度较大且整体性好的排桩结合内支撑的支护形式，外侧设置单排深搅桩止水帷幕。

综合考虑刚度及经济性能，围护结构选用混凝土灌注桩，南侧灌注桩采用φ900@1100，设计强度C30，桩长 22.3 m；其余侧均采用φ800@1000，设计强度C30，桩长 15.5 m。内支撑选择上，对比钢支撑，混凝土支撑具有如下特点：刚度大，易于控制基坑变形；支撑布置形式灵活，且可以利用混凝土结构的特性设置边桁架，利于协调平衡南北侧不平衡的主动土压力带来的变形计土压力的再平衡；施工质量便于控制，因此本项目选择混凝土内支撑。止水帷幕选用φ700@500双轴深搅桩，桩长 14.6 m/10.3 m，水泥掺量14%。典型支护剖面如图2所示。

图2典型支护剖面

4 关键问题处理

4.1 支撑系统设计

场地地面高差3.3 m，且外侧无放坡空间，不能按照常规将支护桩顶设置于统一标高，将支护桩顶冠梁用作支撑系统腰梁。经系统设计分析，沿基坑周边在支护桩顶-1.400～+1.900标高处设置支护桩顶冠梁，支撑系统北侧腰梁与冠梁“合二为一”，南侧除在+1.900处设置冠梁外在-1.400处另设一道混凝土腰梁。按照上述设计支撑系统处于统一标高，支撑传力明确，且便于支撑系统受力分析及方便支撑系统施工。

根据基坑平面形状及周边环境保护要求，支撑结构采用刚度较大且对支护结构变形协调能力较强的混凝土结构。在平面布置上支撑系统整体采用角撑结合中间对撑的形式进行布设(见图1)。考虑南侧地面整体较高，且基坑外侧有重要保护对象，沿基坑南侧设置边桁架加强支撑系统刚度及协调支护结构系统受力，以便于控制南侧支护结构变形及减小地下结构施工队对南侧环境的影响。

4.2 支护桩内力取值

按《建筑基坑支护技术规程》规定，常规条件下支护结构外侧采用主动土压力进行剖面计算分析。计算所得支护结构内力及位移等结果如表2所示。

支护结构剖面计算结果 表2

对比表2中南北侧支护结构剖面计算结果，南侧支撑轴力远大于北侧支撑轴力，计算结果不满足力平衡条件。支护结构将整体向主动土压力较小方向产生偏移。根据土力学原理，当构件向一侧土体位移时，主动土压力较小一侧的土压力从主动土压力逐渐向静止土压力增大，直至达到被动土压力状态，土体通过自身的变形来协调力的平衡。通过上述分析，对北侧支护结构分别按照主动土压力、静止土压力及整体有限元分别进行受力分析及变形计算，计算结果如表3所示。

北侧支护结构分析计算 表3

注：①静止土压力模式下只计算顺向工况。

②有限元方法下为换算支撑轴力。

表2、表3显示静止土压力作用下北侧剖面计算支撑轴力、有限元分析支撑轴力均可与南侧支撑轴力平衡。且静止土压力作用下支护桩弯矩与整体有限元分析结果基本相等。在计算条件受限制时可以采用调整土压力使支撑轴力平衡的条件下计算支护桩弯矩。本次设计支护构件配筋采用综合静止土压力作用下支护桩弯矩及有限分析计算结果确定的内力。

4.3 南侧换撑处理

由于支撑结构位于地下室结构顶板下方，地下结构底板浇筑完成后需要拆除支撑方可继续施工地下结构顶板。南侧支护桩顶距离地下室底板顶为 8.7 m，不能满足支撑拆除后对周边环境的保护要求，需要在中部设置换撑。结合地下主体结构南侧局部设置的自行车库夹层板在-3.300标高处设置临时换撑结构。地下结构外侧在-3.300标高设置换撑板带，内侧在夹层楼板内侧设置斜坡撑——一端与夹层板带处结构梁连接，另一端支撑于地下结构底板。未设置夹层部分参照夹层部分在-3.300标高处设置临时传力构件。换撑临时构件竖向布置见图2。

4.4 变形控制加强措施

基坑开挖深度范围内除表层硬壳层外下部位深厚的淤泥质粉质黏土，基坑土方开挖过程中机械设备的扰动将引起流变性和触变性，易引起支护结构过量变形。为控制对周边环境的影响，采用双轴深层搅拌桩对③层土进行加固改良。双轴深搅桩采用φ700@1200，加固宽度 4.9 m，加固深度为基坑底面下 4.0 m(桩长 8 m)，水泥掺量14%(坑底以上为8%)。坑底土的加固改良及减小了支护结构在基坑开挖面下的变形，又使得支护结构在相同的变形条件下提供较大的抗力，对减小支撑结构的轴力起到明显效果。

考虑该基坑支撑的平面布置，基坑在土方开挖过程中分为两个部分进行开挖，可较好的控制每一部分的施工时间，对减小基坑整体开挖引起的“时空效应”起到有益作用。

5 监测情况分析

为掌握土方开挖及地下施工施工期间支护结构变形及对南侧建筑的影响，工程实施过程中对基坑支护结构及周边环境进行了信息化监测，按照规范要求监测项目包括深层水平位移、桩顶位移、立柱竖向位移、支撑轴力、桩身应力、土压力等。由于受开挖深度、传感器埋设位置等因素影响，本文仅对深层水平位移、桩顶水平位移及支撑轴力等监测项目对比分析。为直观的反应南北侧土压力不平衡带来的影响，选取中部对撑位置监测点测试数据，监测点布置见图3。

图3 监测点平面布置

5.1 深层水平位移

图3显示基坑南北侧支护桩内分别设置有深层水平位移监测点CX1、CX2，其在典型工况下的水平位移变化曲线见图4。

从图4(a)可看出，在开挖至-4.100时，呈悬臂状态的支护结构顶部水平位移最大值为 12.2 mm，小于计算值 15.8 mm；基坑开挖至坑底标高时，支护结构最大变形为 20.4 mm，小于计算值 26.5 mm，桩顶冠梁位移较前工况变化较小，表明支撑系统标高设置合理，坑内加固对控制支护结构变形有效性，两个工况下的支护结构变形均在控制范围内。拆撑工况下，底板以下支护结构变形较小，夹层楼板与底板之间部分在未回填的情况下由于顶部结构二次受力调整存在回缩，但数量较小。夹层楼板以上部分在支撑拆除时，支护桩顶部水平位移增大 4 mm，符合对结构变形的控制要求，表明在该标高设置换撑对控制变形是有效合理的。

图4深层水平位移曲线

从图4(b)可看出，在南侧土方开挖至坑底时，支护结构开始出现向外变形的趋势，但位移较小；随着土方由南向北开挖，冠梁向外侧位移逐渐变大，最大值为 -4.6 mm表明坑内土体在未挖除时对支护结构的内力分配及变形存在一定的影响。在基坑开挖期间，桩体最大位移为 12.6 mm，小于按照主动土压力剖面计算值 15.6 mm；支撑拆除后桩顶水平迅速增大，最大值为 15.7 mm最大变形在控制范围之内，满足设计要求。

综合图4(a)、图4(b)，坑内加固存在一定的效果，但没有支撑标高设置变化明显，可能与施工质量控制有关。

5.2 桩顶水平位移

对撑区域南侧与北侧分别设置3个桩顶水平位移监测点，为使数据具有可比性，选取靠近对撑中部且对称的监测点GL2、GL5进行分析。图6为监测点GL2、GL5随时间变化位移曲线，其中GL2-1为桩顶水平位移、GL2-2为对应位置腰梁水平位移。

图5中GL2-1初始位移12.8 mm为浇筑南侧支护桩冠梁后垂直开挖至-2.200时悬臂式支护结构顶部水平位移。从图5可以看出，在南侧土方开挖初期，监测点GL2-2腰梁水平位移逐渐增大，北侧基本无位移，随着开挖深度逐渐加大及土方开挖区域逐渐向北推进，监测点GL5水平位移逐渐向基坑外侧变化，直至土方开挖完成后一段时间逐渐趋稳。GL5点最大水平位移为 -6.8 mm，GL2-2点水平位移最大位移为+10.6 mm。GL2-1水平位移在 -1.800 m位置支撑性形成至土方开挖过程中变化不大，与计算的在土方开挖过程中向基坑外侧位移不一致，原因为-2.200以上开挖过程引起的变形主要为塑性变形，在下部土方开挖时支护结构构件内力变化致使桩体变形时大部分变形不可恢复。

图5 冠梁(腰梁)水平位移变化曲线

5.3 支撑轴力

对撑区域共布置ZL1～ZL4四个支撑轴力监测点，由于八字撑作用，端部监测点ZL1/ZL4数值明显小于内侧监测点ZL2/ZL3数值，图6为监测点ZL2/ZL3支撑轴力随时间变化曲线。

图6 支撑轴力变化曲线

从图6可以看出，由于基坑土方开挖为从南侧向北侧退挖，基坑开挖初期ZL2轴力值较ZL3轴力值增长迅速，随着基坑北侧土方开挖至坑底，支撑轴力均增大至5 100 kN～5 500 kN，并趋于稳定。由于基坑开挖期间处于盛夏，气温引起温度应力较大，支撑轴力普遍大于设计轴力值，未能体现出坑内加固对南侧支撑轴力调节的有利作用。图6显示基坑在支撑系统的协调下南北侧支撑轴力基本相等。

6 结 论

基坑支护结构设计不仅是整体支护方案的概念选型，还要针对项目的特点对支护体系中关键问题进行针对性的处理。本文结合工程实例，对由地形高差引起的土压力不平衡问题进行分析介绍，基于关键点处理及实施过程中监测数据，可以得出以下结论：

(1)支撑系统采用冠梁与腰梁分开设置对支护结构变形要求是可控的。

(2)支护结构内力应根据剖面计算与整体验算综合确定，且采用调整围护结构北侧土压力至支撑轴力平衡时的支护桩内力取值是合理的。

(3)支护结构变形协调应是考虑迎土侧土压力状态调整后再平衡的结果。

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DesignandPracticeofaDeepFoundationPitUnderUnbalancedActiveEarthPressure

Li Shubo，Chen Tao
(Nanjing Institute of Surveying，Mapping & Geotechnical Investigation，Co.，Ltd.，Nanjing 210019，China)

Using a deep foundation pit of Nanjing in soft clay，the supporting structure design difficulty，such as the value of internal force is smaller than that in practice and the deformation is compatible with the earth pressure because of the unbalanced active earth pressure caused by the uneven terrain of ground surrounding are introduced. Via the methods of setting up the capping beam and waling separately in the supporting system，adopted comprehensive analysis to internal force of retaining and protection structure，adding support replacement combined with underground structure，those design problems are successfully solved. Monitoring data shows that the proposed measures can ensure the safety of the supporting structure and the surrounding environment，and a better result has been achieved in practice.

active earth pressure；unbalanced；deep foundation pit；monitoring

1672-8262(2017)06-161-05

TU753

B

2017—04—26

李书波(1981—)，男，注册土木工程师(岩土)，一级注册结构工程师，主要从事岩土工程勘察设计工作。