基于时空效应的深基坑围护墙变形实验研究

赵延林，丁志刚，张 玉，吴 昊

(黑龙江科技大学 建筑工程学院，哈尔滨 150022)

0 引 言

深基坑工程施工具有一定的时间与空间效应，在基坑土方开挖与支撑架设过程中，如果能够充分利用土体变形的时间与空间效应，可以有效减小基坑围护结构的变形，从而减小基坑施工对周边环境的影响。

关于深基坑工程施工中的时间与空间效应问题，部分学者开展了一些相关研究。王桂平等[1]在杆系有限元法的基础上，综合考虑土体的时空效应作用，提出软土地区基坑支护结构内力和变形的工程实用计算方法。刘洪羽等[2]应用Abaqus模拟分析了不同开挖顺序和不同开挖单元划分方式对基坑变形的影响。欧阳光辉[3]根据多个工程实例的监测数据，总结了无支撑暴露期间围护结构水平位移速率、末次开挖阶段总位移量等方面的变化规律。王国佐等[4]探讨了“分坑”施工方案、“分层、分块、对称、平衡、限时”的挖土方案在实际工程中的应用。文献[5-8]结合实际工程的监测数据，分析了软土深基坑支护结构变形、支撑体系变形及周边地表沉降的时空效应特点。笔者以天津市某深基坑项目为工程背景，通过现场原位监测数据，对基坑围护墙顶竖向位移、水平位移及墙体深层位移变化的时间与空间效应进行了较为详细的分析。

1 工程背景

1.1 工程简介

天津市某深基坑工程，平面形状近似于长方形，南北长141.40 m，东西宽118.80 m，开挖深度14.90 m。基坑南侧、北侧与东侧紧邻主要交通干道，西侧紧邻售楼中心，南侧有4栋高层住宅楼。

基坑西侧采用地下连续墙支护，墙厚1.00 m，墙深30.00 m；东侧、南侧和北侧采用三轴水泥搅拌桩作为止水帷幕，桩径850 mm，桩长32.00 m，支护系统采用直径1 200 mm的钻孔灌注桩，桩顶位于地表下3.00 m，有效桩长24.90 m，桩中心距1 400 mm。整个基坑设置一道环梁内支撑作为主要支撑结构，周边设有4个小环梁内支撑及众多角撑和放射撑作为辅助结构；水平支撑体系包括腰梁、环梁、支撑梁和支撑立柱等，水平支撑体系顶面标高为-5.15 m，基坑支护体系平面图如图1所示。

图1 支护体系及测点分布Fig. 1 Support system and survey point distribution

1.2 工程地质与水文地质

(1)工程地质条件

依据岩土工程勘察报告，本工程场地土层分布情况如下。

人工填土层：层底标高-3.17～-1.12 m；黏土、粉质黏土层：层底标高-2.78～-0.15 m；粉土、粉质黏土层：层底标高-2.65～-4.18 m；粉质黏土层：层底标高-11.28～-12.48 m；粉质黏土、粉土层：层底标高-12.98～-14.18 m；粉砂、粉质黏土层：层底标高-17.37～-18.97 m。

(2)水文地质条件

初见水位埋深为2.20～3.70 m，稳定水位埋深为2.00～3.50 m，地下水位年变化幅度在0.50～1.00 m。

1.3 土方工程

基坑内土方开挖主要分为两个阶段，具体施工进度见表1。

表1 施工进度安排

(1)第1步土方开挖

1)开挖帽梁区域的土方，施工帽梁。

2)从自然地坪挖到第1道支撑底，挖深4.65 m。

3)土方开挖顺序为自南向北退挖，从南侧布置东、西2个工作面，同时对称向北侧退挖。

(2)第2步土方开挖

1)在第1道钢筋混凝土支撑达到设计强度，降水满足要求后，从第1道支撑底开挖到基底，开挖深度为10.25 m。

2)由于第2步挖深达到10.25 m，故采取3级平台接力倒挖。

3)土方开挖顺序为自南向北分层退挖，土方开挖区间推进路线：基坑东侧→基坑西侧，西侧距离基坑3.00 m范围内土方最后开挖。

2 监测方案

2.1 监测点布置

(1)围护墙体顶部竖向与水平位移监测点

沿围护墙顶部每间隔15～20 m埋设一个竖向与水平位移监测点，共埋设38个监测点，测点代码为S1～S38，监测点布置如图1所示。

(2)围护墙体深层水平位移监测点

在围护墙内布置11个桩体测斜管，测点代码为CX1～CX11。测斜管深度与钢筋笼等长，绑扎在钢筋笼主筋上，监测点布置如图1所示。

2.2 监测频率与报警值

各监测项目的监测频率与报警值分别见表2、表3，其中H为基坑开挖深度,n为监测次数，t为监测时间。

表2 监测频率

3 监测数据分析

为方便数据分析，将整个基坑施工过程分为9个工况。工况1：2018-04-01～2018-06-10，开挖第一层土方，第一道支撑施工完成；工况2：2018-06-11～2018-06-22，正在局部开挖；工况3：2018-06-23～2018-06-29，基坑正在开挖；工况4：2018-06-30～2018-09-27，基坑北侧，西侧局部开挖至坑底；工况5：2018-09-28～2018-10-24，基坑北侧，西侧，东侧局部开挖至坑底；工况6：2018-10-25～2018-12-17，基坑开挖至坑底，正在进行垫层底板施工；工况7：2018-12-20～2019-03-11，底板浇筑完成；工况8：2019-03-18～2019-04-08，正在进行拆撑；工况9：2019-04-15～2019-06-24，开始主体施工。

3.1 围护墙墙顶竖向位移

基坑东侧围护墙顶各测点竖向位移随施工过程的变化曲线如图2所示。其中，sv为围护墙墙顶竖向位移。由图2可知，围护墙顶的竖向位移在第1工况(2018-6-10之前)中表现为微小的沉降，沉降值均小于1 mm，这主要是由于第一层土体的开挖深度为4.65 m，土体开挖所引起的开挖面以下土体回弹变形较小，土体作用于墙体的向上摩擦力小于围护墙与支撑体系的自重所致。

图2 东侧围护墙顶竖向位移曲线Fig. 2 Vertical displacement curve of top of east wall

从工况2至工况4(2018-06-10～2018-09-27)，围护墙顶各测点的竖向位移表现为向上隆起，并随土体开挖进程迅速增长，竖向位移增加量约为10 mm，占总位移的80%，这主要是由于第2层土体的开挖深度为10.25 m，土体开挖所引起的开挖面以下土体的隆起变形较大，土体作用于墙体的向上摩擦力大于围护墙与支撑体系的自重。在工况4中，2018-07-20～2018-08-20阶段，没有进行东侧土体的开挖，因此该阶段各测点的竖向位移基本没有变化。

从工况5至工况6(2018-09-28～2018-12-17)，围护墙顶各测点的竖向位移随施工进程的增长速度变缓，竖向位移增加量约为1.0 mm，这主要是由于该阶段基坑开挖基本接近于坑底，土体开挖深度较小，引起的土体变形较小所致。

工况7(2018-12-20～2019-03-11)完成了基础底板浇筑工程，基础底板的存在使坑底土体产生了沉降变形，导致围护墙体产生一定的沉降，因此该工况下围护墙顶各测点的竖向位移略有减小，减小值约为0.7 mm。在工况8(2019-03-18～2019-04-08)中，由于支撑的拆除，减小了支护体系的自重，因此，围护墙产生附加回弹，墙体竖向位移增加了约1.0 mm。

基坑东侧围护墙顶部整体竖向变形情况如图3所示。从图3可以看出，围护墙顶部整体竖向变形呈现“中间大，两边小”的形态，中部与角部竖向位移差值不大，约为1.5 mm，表明基坑角部的空间效应对围护墙顶竖向位移的约束作用较小。围护墙顶部竖向位移最大增加量发生在第4工况，位移增加值约为7.0 mm，占总位移的56%。

图3 围护墙顶部整体竖向变形Fig. 3 Overall vertical deformation of top of wall

取S6、S16、S25和S35四个监测点的竖向位移，进行基坑东、西、南、北4个方向围护墙顶部竖向位移对比分析，如图4所示。由图4可知，基坑各方向围护墙顶竖向位移随施工进程的整体变化规律基本相同，但由于土方开挖的空间顺序不同，各方向墙顶竖向位移变化曲线表现出局部的时间差异性，如工况4中的2018-07-20～2018-08-20阶段。从最终的位移值来看，东、西两侧围护墙顶部竖向位移最大，约为12.3 mm，南、北两侧围护墙顶部竖向位移略小，约为11.0 mm，相差仅1.3 mm，表明各方向墙顶竖向位移值的空间性差异很小。

图4 四边围护墙顶竖向位移对比Fig. 4 Comparison of vertical displacement of wall in four sides

由以上的分析可知，围护墙顶竖向位移主要发生在第2至第4工况，位移的增加量占总位移的80%；基础底板浇筑与支撑拆除对围护墙顶竖向位移的影响不大；基坑角部的空间效应对围护墙顶竖向位移的约束作用很小；基坑不同方向各测点的竖向位移的时间与空间性差异不明显。

3.2 围护墙顶水平位移

基坑东侧围护墙顶各测点水平位移随施工进程的变化曲线如图5所示，记围护墙墙顶水平位移为sh。由图5可知，在第1工况中，围护墙顶水平位移最大值为1.0 mm，在第2和第3工况中，围护墙顶水平位移快速增加，最大增加值为11.0 mm，占总位移的81.5%。在第4至第9工况中，位移增加值为1.0～2.0 mm，这表明在第2步土方开挖过程中，中上部土体(即水平支撑附近土体)开挖对围护墙顶的水平位移影响最大，中下部土体开挖对围护墙顶水平位移影响较小。

将图5与图2进行对比分析可知，围护墙顶竖向位移主要发生在第2至第4工况，且第4工况增长最大，而围护墙顶水平位移主要发生在第2和第3工况，二者在时间上存在着非同步性。

图5 围护墙顶水平位移曲线Fig. 5 Horizontal displacement curves of top of wall

基坑东侧围护墙顶部整体水平变形如图6所示。由图6可知，围护墙顶部整体水平变形呈现“中间大，两边小”的形态，且中部与角部水平位移差值较大，为5.5～7.5 mm，相差38%～52%，表明基坑角部的空间效应对围护墙顶水平位移的约束作用很大；围护墙顶部水平位移最大增加量发生在第3工况，位移增加值约为8.0 mm，占总位移的53%。

图6 围护墙顶部整体水平变形Fig. 6 Overall horizontal deformation of top of wall

取S6、S16、S25、S35四个监测点的水平位移进行对比分析，如图7所示。由图7可知，基坑东侧与北侧围护墙顶水平位移随施工进程的整体变化规律基本相同，西侧与北侧的基本相似,但由于土方开挖的空间顺序不同，各方向墙顶水平位移变化曲线表现出较大的时间与空间差异性，具体表现：东侧与北侧的围护墙顶水平位移先于西侧与南侧发生，在时间上存在较大的差异性。从最终的位移值来看，西侧围护墙顶部水平位移最大，约为17.0 mm，其次是东侧，约为14.0 mm，南、北两侧围护墙顶部水平位移最小，为8.5～9.5 mm，各方向围护墙顶水平位移相差较大，最大差值为8.5 mm，相差50%，因此存在较大的空间差异性。与围护墙顶竖向位移相比，其水平位移在时间与空间性方面表现出来的差异性尤为显著。

图7 四边围护墙顶部水平位移对比Fig. 7 Comparison of horizontal displacement of wall in four sides

由上述分析可知，围护墙顶水平位移主要发生在第2和第3工况，位移的增加量占总位移的81.5%，其中，第3工况围护墙顶水平位移的增加量最大，约占总位移的53%；基坑角部的空间效应对围护墙顶水平位移的约束作用显著；基坑不同方向各测点水平位移在时间与空间上存在显著的差异性。

3.3 围护墙深层水平位移

基坑东侧、西侧与南侧围护墙深层水平位移分别如图8～10所示，北侧围护墙深层水平位移数据缺失。由图8～10可知，各方向围护墙深层水平位移图基本相似，均呈现为“中间大，两头小”的整体分布形式，最大水平位移均发生在墙身9.0 mm处，且最大水平位移值基本相同，约为26.0 mm；围护墙顶水平位移约为墙身最大水平位移的50%。

图8 东侧围护墙深层水平位移Fig. 8 Deep horizontal displacement of east wall

图9 南侧围护墙深层水平位移Fig. 9 Deep horizontal displacement of south wall

图10 西侧围护墙深层水平位移Fig. 10 Deep horizontal displacement of west wall

由图8可知，基坑东侧围护墙深层水平位移在工况2和工况3中增长较快，从工况4到工况9，其深层水平位移增长速度逐渐减小。由图9、10可知，基坑西侧与南侧围护墙深层水平位移在工况5和工况6中增长较快，从工况7到工况9，其深层水平位移基本不再增加。这表明基坑各方向围护墙深层水平位移在时间上存在着一定的差异性。

4 结 论

(1)基坑围护墙顶变形的80%是由中、下部土体开挖引起的，基础底板浇筑与支撑拆除对围护墙变形的影响较小，均小于8%。

(2)基坑围护墙顶水平位移主要由中部土体(支撑附近土体)开挖引起，竖向位移主要由中、下部土体开挖引起，围护墙顶水平位移较竖向位移先完成，二者在时间上存在较大的差异性。

(3)围护墙顶部整体水平与竖向变形均呈现“中间大，两边小”的形态，但角部水平位移与中部相差较大(约38%～52%)，而竖向位移相差甚微(约11%)，表明基坑角部的空间效应对围护墙水平位移的约束作用显著，对围护墙竖向位移的约束作用很小。

(4)基坑不同方向围护墙顶水平位移在时间与空间上存在显著的差异，而竖向位移在时间与空间上的差异较小。

(5)围护墙深层水平位移呈现为“中间大，两头小”的整体分布形态，最大水平位移发生在墙身的中下部，不同方向的围护墙深层水平位移在时间上存在一定的差异。