降雨影响下残积土层中深基坑变形特性测试及分析

肖朝昀，李明广，王大发，陈锦剑

(1. 华侨大学 土木工程学院， 福建 厦门 361021； 2. 上海交通大学 土木工程系， 上海 200240)

表1 基坑场地主要土层的力学指标Tab.1 Mechanical indices of main soil layer in foundation pit site

花岗岩残积土作为一种区域性特殊土，是广东、福建等地大部分工程建设的地基基础和地质环境的重要介质[1-2].在正常状态下，大部分花岗岩残积土处于非饱和状态，具有较高的强度和承载力，在基坑施工过程中所引起的环境变形较小，基坑的安全系数较高.已有研究多集中于软土[3]、粉土[4-5]、砂土[6]的基坑工程，而对残积土基坑的变形关注较少.非饱和状态的花岗岩残积土土体内部存在大量的原生裂隙，具有孔隙比大、水稳性差等特点[4].当基坑工程在非饱和花岗岩残积土环境中进行施工时，随着残积土含水量的增加，土体的抗剪强度减小.因此，降雨会增大残积土中基坑施工的风险.

目前，关于非饱和残积土力学特性的研究较多.陈东霞等[7-8]采用滤纸法测试了厦门地区残积土的土-水特征曲线，讨论了初始含水量、干密度、竖向应力和干湿循环对脱湿曲线的影响，并进行了不同含水量的残积土剪切试验，获得了含水量对摩擦角和黏聚力的影响规律，建立了强度经验公式，用于指导实际工程.关于非饱和残积土工程性质的研究主要集中在边坡工程[9-10]，而降雨对残积土基坑变形的影响研究较少.杨小莉[11]统计分析了厦门地区13个深厚残积土基坑的监测数据，探究了由于残积土基坑开挖造成的结构和土体变形特性，但忽视了降雨对残积土基坑变形响应的影响；沈启炜[12]采用数值模拟的方法建立了厦门某地铁车站基坑的三维地质模型，探究了水土耦合条件下基坑的变形响应，但缺乏典型工程案例验证.

研究依托厦门第二西通道石鼓山段上跨地铁基坑工程(施工期间经历长达7 d的持续降雨)，开展施工过程中的现场监测.基于监测数据，分析了残积土基坑在开挖过程中的结构和土体变形响应.结合现场降雨情况，进一步探讨了降雨对残积土基坑变形特性的影响.

1 工程概况

1.1 基本情况

基坑位于厦门第二西通道工程湖里区明挖段石鼓山立交A3-I-1区段，基坑上跨厦门地铁1号线一期工程火炬园站—高殿站区间隧道，地铁隧道与本基坑工程在平面上呈55° 斜交，如图1所示.基坑北侧长约66.5 m，南侧长约43.7 m，基坑宽约32.8 m.西侧西边紧靠路面平均标高约5.0 m(场地标高为0)的嘉禾路(已运营道路).基坑开挖深度为 11.3～13.7 m，坑底距地铁区间隧道拱顶净间距约为6.4 m.下卧隧道中心标高-23.0 m，基坑根据安全等级划为一级基坑.

1.2 地质条件

地勘报告显示工程场区属于剥蚀残丘地带，经人工堆填改造过，基坑范围内的地层主要分为6层.各土层力学指标如表1所示。其中，γ为重度，c为黏聚力，φ为内摩擦角，Es为压缩模量，σ0为容许承载力，ν为泊松比.第1层为杂填土，分布在0～-3 m的范围内，成份以碎石、砂砾及花岗岩残积土为主，局部夹杂少量生活垃圾，填埋时间超过10年；第2层为粉质黏土，分布在 -3～-5 m的范围内，呈硬塑或半干硬状，成分以长石等矿物风化后的黏粒、粉粒为主，含质量分数10%～15%的石英颗粒，可见少量黑云母碎片；第3层为残积砾质黏性土，在基坑 -5～-15 m的范围内大量分布，其黏性较差，系母岩花岗岩风化残积物，遇水后易软化、崩解，局部夹杂未风化孤石；第4层为全风化花岗岩，主要分布在坑底以下(-15～-23 m)的位置，呈灰黄或灰白色，除石英以外其他矿物风化为粉末或黏粒，岩体已呈砂土状，手捏即散；第5层为砂砾状强风化花岗岩，呈褐黄、灰白色等，岩石风化严重，结构基本破坏，岩体呈砂砾状，成份主要为未完全风化的长石、石英和云母，分布在 -23～-35 m 范围内；第6层为块状强风化花岗岩，岩石结构破坏严重，呈碎石夹砂砾状，岩块大多质软，多数手可掰碎，分布在-35 m 以下的地层中.

1.3 基坑支护结构布置方案

根据基坑的规模和周边环境以及地形地貌，采用∅1 000 mm@1 200 mm的灌注桩作为基坑围护桩，正常段围护桩桩长23.0 m，上跨地铁隧道段北侧围护桩桩长17.0 m，桩底与地铁区间隧道拱顶净间距约 2 556 mm；南侧围护桩桩长16.5 m，桩底与地铁区间隧道拱顶净间距约 2 447 mm.基坑立柱距地铁隧道水平最小距离3.6 m.基坑用1道 900 mm×900 mm 的钢筋混凝土 (中心标高 -0.5 m)加2道内径609 mm的钢管 (中心标高分别为 -5.5、-8.9 m)作为基坑内支撑，钢支撑预加轴力为500 kN，支撑平面布置和基坑立面示意如图2所示.基坑底部采用袖阀管注浆，并以 1 000×1 000 梅花型布置加固，加固深度4.0 m.基坑底板厚1.9 m，底板垫层 200 mm.

1.4 开挖工况

基坑在实际开挖时共分为2个区域.其中，区域 I 位于基坑西侧，为基坑的主要开挖区域，区域II位于基坑东侧，为基坑的出土区域.整体工况共6种，如图3所示.5月30日之前为工况一，主要进行基坑围护桩和第一道钢筋混凝土支撑的施工，基坑整体开挖深度约1 m；5月30日至6月7日为工况二，此阶段基坑整体开挖至 -7 m；6月8日至14日为工况三，区域I开挖至 -10 m，进行第二道支撑的施工，区域 II 未开挖；6月14日至23日为工况四.由当地6月份每日降雨量统计图(见图4)可以看出，6月14日至20日施工现场遭遇连续降雨，最大降雨量超过200 mm/d[13]，因此工况四前期继续进行第二道支撑的施工，区域 II 未开挖.6月20日雨停，进行排水清淤，降雨后的基坑现场如图5所示；6月23日至7月2日为工况五，区域 I 开挖至坑底(-12.8 m)，同时开始进行第三道支撑和区域内部底板垫层的施工，区域 II 仍未开挖；7月2日至10日为工况六，区域 II 开挖并一次性挖至坑底，底板垫层全部施工结束.

2 监测方案

为确保基坑施工顺利进行及基坑周边环境的安全，现场监测基坑开挖过程中的土体变形和围护结构变形，重点关注基坑围护桩侧向变形和坑外地表沉降变形.其中，围护桩侧向变形用测斜仪测试，精度为±0.01 mm/500 mm；地表沉降用徕卡LS10水准仪测试，精度为0.1 mm.监测点布置如图6所示，主要包括11个围护桩桩身侧向变形测点(CX1～CX11)和14个地表竖向变形测点(D1-1～D4-4).

3 实测结果及分析

3.1 围护桩侧向变形

图7为各围护桩桩身侧向变形测点(测点CX8损坏)的桩身侧向变形(δh)随开挖深度(h)分布的监测结果，其中正值表示向开挖侧变形，负值表示向未开挖侧变形.结果显示桩身侧向变形呈凸鼓状分布.开挖结束后，桩身产生最大侧向变形的深度为8～11 m，位置为基坑西侧斜边中部的测点CX10.同时，测点CX1、CX2、CX9～CX11处的桩身侧向变形比测点CX4～CX7的大，原因为前者测点位于基坑西侧区域，受到来自嘉禾路高边坡产生的土压力作用，桩体侧向变形更大.

图8为基坑围护桩最大侧向变形(δhmax)随施工日期变化的监测结果，其中正值表示向开挖侧变形，负值表示向未开挖侧变形.结果表明：随着开挖的进行，围护桩最大侧向变形不断增大；开挖结束后，变形的最大值出现在基坑斜边中部区域的测点CX10.在工况四阶段，因连续降雨，基坑未开挖，围护桩最大侧向变形几乎不变；后期雨停，区域 I 进行排水清淤，最大侧向变形逐渐增大.在工况五阶段(见图8(a))，区域 I 继续开挖至坑底，基坑西侧区域测点CX1～CX3、CX9～CX11的最大侧向变形急剧增加，其原因主要为基坑区域内存在大量的残积砾质黏性土，降雨使其结构遭到破坏，承载力急剧降低，同时支撑不及时导致变形急剧增大.在工况六阶段(见图8(b))，区域 II 从 -7.0 m处直接开挖至坑底，基坑东侧区域测点CX4～CX7的最大侧向变形因土体卸荷而不断增大.从图8(a)和(b)中可以看出，降雨引起的变形增加具有明显的滞后性，可能的原因是残积土层渗透性较差，入渗需要一定时间，当雨水渗入影响到滑裂面土体性质时，墙体变形才会急剧增加.

3.2 坑外地表沉降分布

图9为坑外地表沉降(δs)随施工时间的变化规律.其中，负值表示沉降，正值表示隆起.结果表明：随着开挖的进行，坑外地表沉降不断增加.在工况四阶段，因连续降雨，基坑未开挖，坑外地表沉降几乎不变；后期雨停，区域 I 进行排水清淤，残积土浸水导致结构弱化，使得地表竖向变形逐渐增大.在工况五阶段，区域 I 开挖至坑底，区域影响范围内土体的开挖卸荷以及支撑措施不及时导致地表变形急剧增大.此外，因为基坑南侧的地质比北侧好，所以测点D1、D2的地表沉降实测数据小于测点D3、D4.

4 案例统计与对比分析

选取与本文基坑地质和支护条件相似的厦门无降雨影响基坑的实测数据[11]作为对照组，探究降雨对残积土基坑变形特性的影响.

围护桩最大侧向变形分布对比如图10所示.结果显示，开挖深度为12.8 m时的最大侧向变形的变化范围为0～0.375%h，约为其他开挖深度时变形最大值的1.5倍.这是由于开挖前期遭遇长达7 d的连续降雨，基坑区域内残积土遇水结构弱化，开挖卸荷作用下的变形增大.其他开挖深度下的最大侧向变形的变化范围为0～0.25%h，实测结果与厦门无降雨影响基坑的变形结果基本一致.

基坑的坑外地表沉降分布对比如图11所示，纵坐标为归一化的坑外地表沉降(δs/he)，横坐标为归一化的测点距基坑边距离(d/he)，he为基坑最终开挖深度.结果表明：本文基坑开挖引起的坑外地表沉降影响范围为0～2.5he，最大沉降小于0.15%he，处于中等硬度黏土基坑的坑外沉降包络线[14]和砂土、硬黏土基坑坑外地表变形包络线[15]以内.同时，本文基坑包络线的纵截距与厦门无降雨影响基坑的包络线纵截距相同，但地表沉降的影响范围更大，约为2he，该结果表明降雨会增大残积土基坑坑外地表沉降的影响范围.

5 结论

本文基于厦门地铁明挖基坑实测数据，分析了残积土基坑在开挖过程的变形特性，并与厦门无降雨影响基坑的变形响应进行对比，探究了连续降雨对基坑变形特性的影响，结论如下：

(1) 随着开挖的进行，基坑围护桩侧向变形不断增大.围护桩最大侧向变形在降雨停止后有急剧增大的趋势.降雨影响下，开挖结束后的围护桩侧向变形变化范围为0～0.375%he，地表沉降影响范围为0～2.5he，最大沉降约为0.15%he.

(2) 无降雨影响时，基坑围护桩侧向变形的变化范围为0～0.25%h，地表沉降影响范围为0～1.5he，最大沉降约为0.15%he.降雨使基坑围护桩最大侧向变形增大，约为无降雨影响下的1.5倍，地表沉降影响范围从1.5he增至2.5he，降雨对地表最大沉降的影响较小.

(3) 降雨会减小残积土层中基坑坑底及两侧残积土的基质吸力和抗剪强度，改变作用在围护桩两侧的土压力，增大桩身侧向位移.若雨水持续入渗，影响坑外滑裂面附近土体的力学性质，则后续开挖扰动会造成更加显著的影响.

(4) 当遭遇强暴雨时，应及时对残积土层中的基坑进行排水，防止积水入渗改变坑外土体性质.此外，降雨对基坑的影响具有滞后效应，因此后续开挖应持续关注基坑变形，并适当采取加强支护结构刚度的措施.