深厚富水砂层排桩挡墙深基坑施工变形特性研究*

邱明明，杨果林，申权，段君义，张沛然

(1.延安大学建筑工程学院，陕西 延安 716000； 2.中南大学土木工程学院，湖南 长沙 410075； 3.湖南工业大学土木工程学院，湖南 株洲 412007)

随着城市地下空间开发利用的深入发展，涌现出大量的“深、大、近、紧、难”的深基坑甚至是超深基坑工程，这给深基坑设计、施工安全以及稳定性控制带来较大困难，尤其是城市建筑物密集和地下环境复杂区域[1-3]。工程实践表明，由于地下环境的复杂性和区域地质条件的差异性，使得深基坑施工变形的性状更具独特的“个性”。复杂地质环境条件下，深基坑变形性状及其变形预测和控制已成为亟待解决的关键问题。

目前，针对深基坑施工变形特性已开展了一定的研究工作，诸多学者采用理论分析[4-7]、原位测试[7-12]、模型试验[13]、数值模拟[14-16]等方法从变形性状、理论预测和控制方法方面对该问题进行了研究。Long等[6]通过对世界范围近300个典型深基坑工程实测结果进行统计分析，探讨了各种基坑的变形性状。Wang等[8]基于上海软土地区不同类型、不同施工方案等深基坑工程的实测结果，对基坑施工引起的变形性质进行了研究。Tan等[9-10]通过对软土地区不同形状、不同支护结构、不同开挖方案的深基坑变形规律进行了对比分析。研究表明，基坑形状和大小对基坑施工变形性状影响显著。廖少明等[12]结合苏州地区不同类型深基坑变形实测数据，研究了不同挡土结构、不同形状的深基坑的变形特性。Roboski等[14]采用数值分析方法对深基坑开挖引起的土体位移分布规律进行了研究，提出了三维条件下土体位移的经验计算公式。杨果林等[15]考虑渗流—应力耦合作用对泥炭土深基坑变形规律进行了研究。王明年等[16]、陈阳等[17]基于现场实测和数值模拟方法分别对卵石、砂土地层深基坑施工变形特性进行了分析。吴昌将等[18]、李方明等[19]、刘念武等[20]等以软土地区深大基坑为工程背景，研究了软土深开挖诱发基坑及临近建筑变形特性。周勇等[21]采用数值模拟和现场监测方法，对红砂岩地层地铁车站深基坑桩撑支护结构施工力学行为进行了研究。

综上所述，在软土深基坑变形特性方面有较为丰硕的研究成果。而，针对深厚富水砂层地质条件下基坑施工变形性状的研究则少有报道。鉴于此，本文以某城市地铁车站深基坑工程为研究背景，通过现场测试方法研究了深厚富水砂层深基坑施工引起的排桩挡墙水平位移、地表竖向位移及地下水位变化规律，并建立了深基坑土—结构相互作用数值计算模型，对比分析了深厚富水砂层排桩挡墙深基坑施工变形特性，以期为富水砂层地区深基坑优化设计、施工安全及其稳定性控制提供参考。

1 工程概况及现场测试

1.1 工程概况

某地铁车站基坑工程，车站总长470.00 m，宽度为18.00～23.00 m，开挖总深度为15.50～17.84 m，覆土厚度约2.50 m。其中，基坑端头井开挖深度为16.73～17.87 m，标准段开挖深度为15.50～16.41 m，围护结构采用φ1 000 mm×1 200 mm钢筋砼钻孔灌注桩(桩长23.00 m)形成的单排桩挡墙，挡墙外侧施作φ850 mm×600 mm三轴搅拌桩(深度20.50 m)止水帷幕，排桩挡墙与止水帷幕间隙采用高压旋喷注浆加固增强止水作用。其中，基坑标准段沿深度方向共设3道横向支撑，依次距围护桩桩顶0.50、6.00、11.00 m，其中第1道为钢筋混凝土支撑，钢筋混凝土支撑间距为9.00 m；第2、3道采用钢支撑，钢支撑间距为3.00 m。

1.2 测试方案

为掌握基坑开挖诱发的围护结构变形及对周边环境的影响，分别对围护桩水平位移、地表竖向位移及地下水位变化进行跟踪监测，测点布设如图1所示。其中，围护桩水平位移共40个测斜点，记为CX-1～CX-40；地表竖向位移沿基坑长边间隔25.0 m布设40个监测断面，每个断面设4个监测点，监测点间距依次为2.5、5.5、5.5、5.5 m，记为DS1-i～DS40-i；坑外地下水位沿基坑周边间隔50.0 m布设24个监测点，记为SW-1～SW-24。基坑开挖期间每3天监测1次，特殊情况下监测频率可适当调整。根据工程实际及相关规范，基坑施工监测项目报警值具体为围护结构水平位移累计值不超过0.20%he，且不大于20.0 mm，变化速率不超过3.0 mm/d；地表竖向位移累计值不超过30.0 mm，变化速率不超过3.0 mm/d；坑外地下水位累计变化值不超过1 000.0 mm，变化速率不超过500.0 mm/d。

图1 基坑变形监测点布置(单位：m)Fig.1 Monitoring point of foundation pit (unit:m)

1.3 测试结果分析

1.3.1 排桩水平位移 图2为排桩挡墙水平位移随深度变化规律。由图可得，当基坑浅层开挖时，排桩挡墙水平位移随深度近似呈上大下小的线性分布，最大水平位移发生在围护桩顶部；随着开挖深度的加深，排桩挡墙水平位移逐渐增大，最大水平位移位置逐步下移后稳定于深度约10.50 m处，排桩挡墙水平位移由两头小中间大的“弓”形演变为倒“V”形曲线分布；排桩挡墙水平变形是一个动态发展的过程，基坑开挖过程中呈现出显著的时空效应特点，尤其是在端头井段。同时，各测点对比可知，测点CX-3和CX-5桩体水平位移变化最为显著，且测点CX-5桩体最大水平位移值达到23.57 mm，而其它测点的桩体最大水平位移值均小于监测报警值20.00 mm。主要原因是端头井段施工期间受持续强降雨影响引起地下水位上升，排桩围护挡墙中下部存在局部渗漏点(止水帷幕或排桩间隙防水结构局部质量缺陷)，造成测点CX-3和CX-5对应断面坑内出现不同程度的漏水、漏砂以及坑外地表局部发生塌陷，进而诱发排桩挡墙水平变形增大，通过采取补救措施，险情得以控制和解决。

图3为排桩挡墙水平位移变化速率随深度变化规律。由图可得，测点CX-3和CX-5桩体水平位移变化速率波动最为显著，特别是深度10.00 m以下水平位移变化速率已接近或超过3.00 mm/d，而其它各工况条件下的桩体水平位移变化速率波动较小，且均小于3.00 mm/d。结合图2可知，测点CX-3和CX-5桩体水平位移及其变化速率发生显著波动，且其变化值已达到基坑监测报警值，此非正常变化是坑内出现涌水、涌砂以及坑外地表局部发生塌陷的前兆，也是判别基坑开挖稳定性的重要依据之一。因此，重视并发挥基坑施工监测的预判和反馈作用，对控制基坑施工变形和指导基坑安全施工实践具有重要作用。

图2 排桩挡墙水平位移随深度变化规律Fig.2 Horizontal displacement of retaining pile with depth

图3 排桩挡墙水平位移变化速率随深度变化规律Fig.3 Change rates of horizontal displacement of retaining pile with depth

根据排桩挡墙水平位移监测数据(测点CX-1～CX-40)统计分析结果，排桩挡墙最大水平位移及其位置与开挖深度的关系如图4所示。由图可知，排桩挡墙最大水平位移及其位置与开挖深度之间的关系可采用线性函数描述；排桩挡墙最大水平位移Hx,max与开挖深度he之间的比值关系范围为(0.03%～0.15%)，均值为0.08%；排桩挡墙最大水平位移位置Ux,max与开挖深度he的比值关系范围为(0.40～1.00)，均值为0.65。表1为砂土与其他场地基坑围护结构水平变形统计结果对比。由表可知，场地土质条件和基坑类型对围护结构水平变形影响显著，砂性土层基坑围护结构水平变形范围较软土和黏土层小。

图4 排桩挡墙最大水平位移及其位置与开挖深度的关系Fig.4 The maximum horizontal displacement of retaining wall and its location with excavation depth

表1 砂土与其他场地基坑围护结构水平变形统计分析对比
Table 1 Comparison between horizontal displacements of retaining wall in sandy soil and other stratum case histories

土层条件基坑类型形状围护结构Ux,max/he%Hx,max/heUz,max/Hx,max砂土、硬黏土[5]--桩或墙等0～0.50--0.50～1.00上海软土[9,10,18,20]--钻孔灌注桩0.10～1.000.50～1.400.40～0.90长条形(地铁车站)地下连续墙0.02～0.500.70～2.400.20～2.00苏州粉质黏土[12]方形基坑钻孔灌注桩0.04～0.400.20～1.540.22～1.07长条形(地铁车站)地下连续墙0.05～0.400.53～1.660.22～1.65富水卵石[16]长条形(地铁车站)钻孔灌注桩0.03～0.170.65～0.700.53～1.24砂土[17]长条形(地铁车站)钻孔灌注桩--0.50～0.801.18砂卵石[22]长条形(地铁车站)钻孔灌注桩0.04～0.170.35～0.980.43～2.80富水砂层[11]长条形(地铁车站)地下连续墙0.06～0.100.60～0.770.46～1.04富水砂层(本文)长条形(地铁车站)钻孔灌注桩0.03～0.150.40～1.000.40～1.40

1.3.2 地表竖向位移 地表竖向位移是基坑开挖诱发周围地层移动和变形最直观的表现形式之一，也是评价地层变形程度的重要指标。图5为地表竖向位移随时间的变化规律。由图可得，地表竖向位移随时间增加而增大，其发展过程近似呈倒“S”形曲线分布，基坑开挖期间地表竖向位移增加趋势显著，直至底板浇筑后变形逐渐趋于稳定；典型断面DS8-i与DS9-i的地表竖向位移最大值依次为8.19、12.57 mm，其值均未超过监测报警值30.0 mm；在本工程中，最大地表竖向位移Uz,max的统计变化范围为(0.05%～0.13%)he，均值为0.06%he。地表竖向位移随横向水平距离的变化规律如图6所示。可见，地表竖向位移沿横向水平距离呈凹槽形分布，沉降槽随开挖深度增加而加深变宽，沉降槽宽度Lzb约为(1.00～2.00)he，最大地表竖向位移位置Lz,max距基坑边沿水平距离约为(0.30～0.50)he。表2为砂土与其他场地基坑坑外地表沉降统计结果的对比。由表可知，砂性土层基坑最大地表沉降和沉降影响范围明显小于软土和黏土层，且砂性土层较软土和黏土层基坑最大地表沉降位置变化范围略小。

图5 地表竖向位移随时间的变化规律Fig.5 Change rules of ground vertical displacement with time

图6 地表竖向位移随横向水平距离的变化规律Fig.6 Change rules of ground vertical displacement with transverse horizontal distance

表2 砂土与其他场地基坑坑外地表沉降统计分析对比
Table 2 Comparison between ground settlements in sandy soil and other stratum case histories

土层条件基坑类型形状围护结构Uz,max/he%Lzb/heLz,max/he砂土[5]--桩或墙等0～0.301.50～2.000.10～0.50上海软土[9,10,18,20]--钻孔灌注桩0.10～0.801.50～3.500.20～1.00长条形(地铁车站)地下连续墙0.03～0.202.00～2.500.20～1.00苏州粉质黏土[12]方形基坑钻孔灌注桩0.06～0.152.00～3.000.20～0.50长条形(地铁车站)地下连续墙0.04～0.273.00～4.500.50～1.00富水卵石[16]长条形(地铁车站)钻孔灌注桩0.07～0.121.00～1.500.20～0.80砂土[17]长条形(地铁车站)钻孔灌注桩0.061.00～2.300.30～0.80砂卵石[22]长条形(地铁车站)钻孔灌注桩0.05～0.250.80～1.200.15～0.50富水砂层[11]长条形(地铁车站)地下连续墙0.03～0.101.00～1.500.30～0.60富水砂层(本文)长条形(地铁车站)钻孔灌注桩0.05～0.131.00～2.000.30～0.50

1.3.3 地下水位变化 图7为坑外地下水位随时间的变化规律。图8为坑外地下水位变化速率随时间的变化规律。由图可知，基坑开挖初期坑外地下水位稳定下降，开挖完成后地下水位逐渐趋于稳定状态；测点SW-2、SW-3、SW-5的地下水位先缓慢下降，受持续强降雨影响后地下水位逐渐回升而后急剧下降；测点SW-3和SW-5的地下水位累积变化量Hw及变化速率ΔHw均超过报警值，导致坑内外出现局部失稳现象，经及时发现和加固处理，险情得以控制和排除，见图7(a)和图8(a)；测点SW-8、SW-9、SW-20、SW-21的地下水位累积变化量呈下降趋势(图7(b)和图8(b))，其最大累积变化量均超过监测报警值1 000.0 mm，而水位变化速率均未超过监测报警值500.0 mm/d；现场监测表明，该测点所在断面未发生过大变形及其它失稳现象。因此，跟踪监测并合理控制地下水位动态变化，保证止水帷幕施工质量及其防渗效果，是降低基坑施工诱发周围环境影响的关键。

图7 坑外地下水位随时间的变化规律Fig.7 Change rules of underground water level with time

图8 坑外地下水位变化速率随时间的变化规律Fig.8 Change rates of underground water level with time

2 数值模拟分析

2.1 计算模型及材料参数

根据本深基坑工程实际，基坑计算宽度为20.00 m，开挖总深度为16.10 m，开挖深度范围主要为粘性土层和砂性土层。考虑地层的无限性及施工扰动影响范围，以基坑横断面方向为x轴，左右边界距基坑边沿50.00 m，侧面位移边界限制水平移动；以基坑开挖深度方向为z轴，上边界为地表，下边界取35.00 m，地表为自由边界，底部固定边界限制水平移动和垂直移动。考虑模型的对称性后取1/2模型进行计算，建立的数值计算模型宽高分别为60.00和35.00 m，模型共划分1 511个单元，12 610个节点，如图9所示。

在数值模拟计算中，岩土体材料按均质弹塑性考虑，屈服准则采用能较好描述土体破坏应力状态的莫尔-库仑(Mohr-Coulomb)屈服条件[23](见公式1)，基坑支护结构采用弹性本构关系，各材料主要物理力学参数详见表3。基坑开挖采用分层降水分步开挖方式模拟，各工况坑内地下水位降至开挖深度底下0.50 m，且先施作支护结构再进行坑内土体开挖。地下水位取地表以下4.00 m，考虑地面施工荷载作用，地面超载取20.00 kPa。

(1)

图9 基坑施工数值计算模型(单位：m)Fig.9 Numerical computation model for foundation construction (unit:m)

表3 各材料主要物理力学参数
Table 3 The main physical and mechanical parameters of soil and structure

类别土层名称厚度h/(m)天然重度γ/(kN·m-3)饱和重度γsat/(kN·m-3)黏聚力c/(kPa)内摩擦角φ/(°)弹性模量E/(MPa)泊松比ν岩土素填土1.9517.019.63.010.05.000.30粉质粘土1.7018.719.219.318.09.560.34粉砂4.2017.919.810.830.011.300.34中砂3.0018.520.4035.014.400.31粗砂2.9019.020.7038.015.800.31砾砂5.7019.520.4040.019.700.30强风化泥质粉砂岩0.9021.021.05023.06000.34中风化泥质粉砂岩8.3024.024.060035.015000.34微风化泥质粉砂岩3.8024.524.580040.025000.28结构止水帷幕--20.0--12040.04000.25排桩挡墙--25.0------31 5000.20混凝土支撑--25.0------30 0000.20型钢支撑--78.0------210 0000.30

2.2 计算结果对比与分析

2.2.1 水平位移分布特征 图10为基坑开挖诱发的排桩围护结构水平位移曲线。由图可得，各工况对应的最大水平位移Ux,max分别为1.41、13.88、19.65、20.56 mm；随着基坑开挖深度加深，围护桩水平位移逐渐增大，且最大水平位移值位置逐渐下移，其分布曲线由“斜线”形分布发展为“弓”形分布，最后形成倒“V”形分布，见图10(a)；数值计算结果和现场实测的围护桩水平位移曲线变化趋势基本一致，两者所得的围护桩最大水平位移Ux,max分别为20.56、18.36 mm；以现场实测值为参照，数值计算结果为现场实测值的111.98%，见图10(b)。

2.2.2 地表沉降分布特征 图11为基坑开挖诱发的墙后地表沉降曲线。由图可得，地表沉降随基坑开挖深度加深而增大，各工况对应的最大地表沉降Uz,max分别为-0.62、-3.68、-5.35、-5.68 mm；地表沉降曲线沿横向水平距离呈凹槽形分布，即离基坑边沿水平距离越远地表竖向位移越小，沉降槽随开挖深度增加而加深变宽，见图11(a)；数值计算结果和现场实测的坑外地表沉降曲线变化趋势基本一致，两者所得的最大地表沉降Uz,max分别为-5.68、-8.19 mm; 以现场实测值为参照，数值计算结果为现场实测值的69.35%；根据地表沉降曲线分布特征，沉降槽影响区域可分为变形主敏感区和变形次敏感区，即距基坑边沿水平距离(1.00～1.50)he范围内为变形主敏感区，超过1.5he范围为变形次敏感区，见图11(b)。

图10 基坑开挖诱发的排桩挡墙水平位移曲线Fig.10 Horizontal displacements of retaining pile induced by foundation pit excavation

图11 基坑开挖诱发的墙后地表沉降曲线Fig.11 Ground settlements induced by foundation pit excavation

3 结 论

本文以某城市地铁车站深基坑工程为研究对象，采用现场测试方法研究了深厚富水砂层排桩挡墙深基坑施工变形特性及其演变规律，并与数值模拟结果进行了对比，主要结论如下：

1)排桩挡墙水平位移分布曲线随开挖深度的加深由“斜线”形—“弓”形—倒“V”形演变，最大水平位移位置逐步下移，而后稳定于深度约10.50 m处，桩体最大水平位达到23.57 mm。

2)排桩挡墙最大水平位移及其位置与开挖深度的关系可采用线性函数描述，最大水平位移Ux,max约为(0.03%～0.15%)he，均值为0.08%he；最大水平位移位置Hx,max约为(0.40～1.00)he，均值为0.65he。

3)地表竖向位移随时间增加而增大，其发展过程近似呈倒“S”形曲线分布，基坑开挖期间地表竖向位移增加趋势显著，直至底板浇筑后变形逐渐趋于稳定；地表竖向位移沿横向水平距离呈凹槽形分布，沉降槽随开挖深度增加而加深变宽，沉降槽宽度约为(1.00～2.00)he，最大地表竖向位移位置距基坑边沿水平距离约为(0.30～0.50)he。

4)持续强降雨是诱发排桩挡墙水平位移增大和地下水位显著波动的重要因素，保证止水帷幕施工质量及其防渗效果、重视并发挥基坑施工监测的预判和反馈作用有利于深厚富水砂层深基坑施工安全及稳定性控制。