深大基坑基底隆起变形性状及规律分析*

高 莉，吕连勋，钱 明，张衍林

(1.中国石油天然气股份有限公司广西石化分公司，广西 钦州 535008；2.青岛中油岩土工程有限公司，山东 青岛 266071； 3.北京市勘察设计研究院有限公司，北京 100038； 4.煤炭科学研究总院矿山大数据研究院，北京 100013)

0 引言

随着城市开发规模与建设密度的不断增加，地下空间开发利用的需求愈发突出，深基坑工程也逐渐呈现开挖深度、占地面积越来越大的趋势[1-2]。由于周边环境与地质条件的复杂性和不确定性，变形控制成为深基坑设计与施工中备受关注的技术要点。通过研究有关深基坑事故实例发现，坑底隆起引发的失稳破坏是常见的事故原因之一[3-4]。过大的基底隆起预示着地基土层的塑性破坏，影响深基坑工程的稳定与安全，应当在施工与监测过程中予以足够的重视。

深基坑基底隆起及稳定性控制等研究具有重要实践意义，不少学者已在相关理论及现场监测等方面取得了丰硕成果。陈昆等[5]基于原状土强度及卸荷参数分析了基坑施工过程中基底回弹及支护结构的变形情况，并通过与现场监测数据对比，研究卸荷作用对土体强度的损伤程度。Borges等[6]依托软土地区桩锚支护基坑工程实例，分析了软弱基底的抗隆起稳定性，利用有限元研究了加快基坑开挖与及时施作底板等控制措施对减小基底隆起变形的有效性。赵宏宇等[7]对基坑施工过程的环境效应进行追踪监测，分析了预应力型钢组合支撑对围护体系变形的影响，并研究了周边结构的沉降规律。范建军等[8]系统研究了自稳式深大基坑施工扰动后的变形峰值分布，建立了基于施工扰动的位移预测公式。韩健勇等[9]研究了桩锚支护体系深基坑的受力变形规律，并通过抗倾覆及抗隆起稳定性验算，探讨围护结构的支护效果。

上述研究对基坑开挖过程中的基底隆起稳定性及支护变形控制具有一定指导意义，但基底隆起的影响因素复杂且具有随机性，关于其变形特性及发展规律的研究还不成熟。本文以北京某深大基坑工程为依托，建立开挖数值模型，系统研究整体开挖引起的土压力差、支挡结构向坑内变位、地下水渗透及深层承压水水头变动等导致的基底隆起变形性状，并结合现场监测资料研究基底变形规律，以期为超深大基坑支护设计与施工提供一定借鉴。

1 工程概况

1.1 项目概况

某超高层建筑位于北京市CBD核心区，占地范围约为135m×85m，基坑深度为38.5m，其中，相对标高 -27.200m 以上采用桩锚支护(φ1 000大直径钻孔灌注桩+5道高强预应力锚索)；标高-27.200m以下采用地下连续墙+预应力锚杆+混凝土内支撑的综合支护方案。该超深基坑典型支护剖面如图1所示。第1道锚索长26m，锚固段长8m，由3根7股φ5的钢丝组成；第2道锚索长23m，锚固段长7m，由3根7股φ5的钢丝组成；第3道锚索长20m，锚固段长5m，由4根7股φ5的钢丝组成；第4道锚索长22m，锚固段长5m，由4根7股φ5的钢丝组成；第5道锚索长20m，锚固段长5m，由4根7股φ5的钢丝组成。锚固间距均为1.8m。

图1 基坑典型支护剖面

1.2 工程地质及水文地质条件

项目场地地层按沉积年代及成因特点，分为人工堆积层和第四纪沉积层[10]。勘探深度范围内，各土层在竖直方向上，表现为稳定的由黏性土、粉土至砂土、卵石的沉积旋回；在水平方向上，各土层分布厚度、土质特征有一定变化。

工程场区自然地面下60m深度内存在4层地下水，地下水类型自上而下依次为层间潜水及承压水(3层)，与区域地下水分布条件基本一致。各层地下水水位及岩性情况如表1所示。

表1 各层地下水水位及岩性情况

2 隆起诱发机理及仿真模拟

2.1 基底隆起诱发机理

深基坑基底变形主要包括坑底土体的隆起变形及开挖卸载引起的基底回弹[11]。若支护结构插入深度、强度、刚度足够且基底封闭及时，以线性回弹变形为主，否则基底将以隆起变形为主。尤其是地基土在外界环境等影响下出现塑性破坏时，竖向位移中虽然也包含卸载回弹，但回弹量级远低于隆起变形。

基底隆起变形不可避免，但可通过一定措施进行控制，避免出现过大隆起。诱发基底隆起的影响因素具有模糊性和随机性，与开挖深度、支护情况、地层地质及水文地质条件均有关。根据现有经验[11-12]及基坑施工后引起的环境条件变化，总结如下。

1)由于场区内土体大范围整体开挖，导致基坑与周围土体产生较大的土压力差，在内外自重压差的影响下，土体产生竖向变形。

2)由于坑壁的水平力作用，支挡体系向内侧移动，引起被动区地基土的拉伸剪切破坏，导致坑底隆起变形。

3)地下水绕止水帷幕或深部承压水通过勘察孔、桩孔等产生自下而上的渗流，导致渗流影响区的地基土在动水力作用下发生隆起。

4)承压水测压水头因现场降水停滞、补给增多等因素增大，或隔水层以上的覆土因基坑开挖而减少，导致上部土体及结构受到的承压水浮力作用变大而发生竖向变形。

2.2 仿真模型及计算参数

隆起变形的形成机理复杂，难以通过解析法进行预测。根据上述基底隆起的主要因素，采用数值仿真法从基底隆起的空间、机理、变形量级等方面，分析不同因素引起的基底隆起变形性状。

2.2.1数值计算模型

考虑岩土特性的不确定性与复杂性，数值分析中采用以下假定：①土体材料为均质、各向同性的连续介质；②忽略施工过程中疏干的层间水及第1层承压水的作用，将第2,3层承压水对上部土层的影响简化为竖向作用力。

约束条件选用默认的位移约束，即两侧限制水平向位移，底部限制竖向位移，顶部设为自由条件。建立的数值计算模型如图2所示。

图2 数值计算模型

2.2.2本构模型及参数确定

根据已有研究成果及相关经验[12]，土体本构关系选择莫尔-库仑模型，锚杆及桩结构分别选用cable，pile单元。

根据场区勘察报告，并通过工程类比及反分析确定土体计算参数，如表2所示。

表2 土体主要物理力学指标

2.3 施工模拟步序

根据现场实际施工情况，结合模拟分析的主要目的，将分步施工模拟分为以下阶段。

1)阶段1 生成初始应力场。

2)阶段2 按实际施工步序施作支护桩，分层开挖，施作锚杆、工程桩和地下连续墙。

3)阶段3 边开挖边支护，基坑开挖至标高 -38.000m， 模拟整体开挖后的卸载回弹及土自重压差对基底隆起的影响。

4)阶段4-1 基坑施工至设计标高后进行位移清零，并取消锚杆及工程桩，模拟支挡体系向坑内变位引起的基底变形。

5)阶段4-2 基坑开挖至设计标高后进行位移清零，将第2层承压水水头升高2m，模拟第3层承压水通过桩孔发生向上渗透引起的基底变形。

6)阶段4-3 基坑开挖至设计标高后进行位移清零，将第3层承压水水头升高5m，模拟第3层承压水通过桩孔发生向上渗透引起的基底变形。

3 基底隆起变形特性

3.1 基坑整体开挖

基坑开挖前，其应力条件相对稳定；大面积开挖后，由于地基土卸载及周边自重压差，影响了原土体的平衡状态，出现基底向上变形的趋势。分析过程中单独考虑基坑整体开挖对基底变形的影响，不考虑地下水的影响。开挖及支护完成后的基坑及周围土体竖向变形如图3所示。

图3 基坑整体开挖后的竖向变形(单位：cm)

1)超深基坑施工后，基底与周围土体的压力差很大，即便采用多级高强度支护，仍会发生局部区域土体的塑性破坏，此时，基底的竖向变形以塑性隆起为主。

2)受周围土自重影响，远离基坑的土体以相对微弱的沉降变形为主；地基土的变形大致表现为越靠近基坑中心隆起趋势越明显，坑内各部位总变形量为28～62mm。

3)工程桩对基底隆起具有较好的控制作用，基坑施工完成后，中部受工程桩的约束，竖向变形量略小于右侧立柱附近的无桩部位，工程桩可减少隆起变形量12～22mm。

4)地下连续墙、围护桩等对基底竖向变形发展具有约束效应，土体开挖在坑角边处产生的位移量最小，向基坑中部渐增。

3.2 支挡结构向坑内变位

基坑开挖后，支护结构向槽内偏移造成基坑及周围土体变形，如图4所示。

图4 支挡结构变位引起的竖向变形(单位：cm)

1)支护结构向槽内偏移，导致周边土体向基坑内移动而出现较大沉陷，同时坑内土体受挤压发生基底隆起，一般来说，支护桩的刚度及插入深度越小，受压区土体因剪切而产生的基底竖向变形越大。

2)由于支护结构对土体竖向变形的控制，坑底隆起最大点不在最边缘处；且基坑中部土体距支护结构较远，受挤压作用较小，隆起变形量最小，仅1～5mm，故坑底隆起性状总体呈马鞍形。

3)基底隆起变形主要集中在距坑壁1倍左右基坑深度的小范围区域，在不考虑锚杆及支护结构水平撑力的极端情况下，基底最大变形量约为47mm，但绝大部分区域隆起量≤5mm。说明支挡结构向坑内变位对地基土的影响有限，做好坑侧壁土体水平支撑及围护，保证支护结构整体稳定，可降低基底隆起。

3.3 地下水渗透

基坑施工时采用降水、止水进行地下水控制。计算因深层承压水透过天窗效应渗透至上层含水层引起基底变形，槽底以下的卵石层(第2层承压水含水层)水头变化按≤2m考虑。地下水渗透引起的竖向变形如图5所示。

图5 地下水渗透引起的竖向变形(单位：mm)

1)深部承压水通过勘察孔、桩孔等发生由下至上的渗流，致使影响范围内的地基土承受较大的动水力，引起基坑及周围土体的整体上浮，且越接近地表土层变形量越大。

2)工程桩对渗透引起的基底隆起变形抑制作用有限，基坑中部工程桩区域的变形量仅小于无桩区域约0.5mm。

3)渗流作用引起的土层变形量相对较小，其中基坑外侧土体变形≤3mm，坑内基底最大变形约为4mm，且主要位于支护桩及地下连续墙附近。因此，受地下水渗透引起的上层含水层较低水头变动，对基底隆起有一定影响，但影响程度较低。

3.4 深层承压水水头变动

深层承压水发生较大水头变动，将通过相对隔水层直接作用于上部地层。假定施工期间第3层承压水水头增加5m，以此分析深层承压水水头变动对基底隆起变形的影响，结果如图6所示。

图6 承压水水头变动导致的竖向变形(单位：mm)

1)短时间内深层含水层的承压性增大，导致隔水层及其以上土体承受的浮力作用增大，引起基坑周边及附近区域地层的整体升高，当测压水头增加5m时，附近地表普遍升高可达6.5mm以上。

2)基底隆起量较大区域主要位于基坑侧壁的支护桩及地下连续墙部位，可能与该部位突变易发生应力集中有关，最大基底变形达8.9mm。

3)承压水变化引起的基底隆起伴随着周围地层的整体上浮，水位变化易通过附近区域的深层地下水观测孔进行观测，变形可通过附近的沉降监测点综合判别。该因素将引起地基发生较大的均匀变形，与施工过程及技术优化无关，在确保基坑支护体系稳定的前提下，不会引起较大危害。

4 隆起变形发展规律

在施工现场基底立柱上设置位移监测点(见图7)。对竖向变形进行追踪监测，分析基底变形发展规律。分别以基坑东、西侧代表性监测数据为例，绘制基底变形时程曲线，如图8所示。

图7 施工现场竖向变形监测点

图8 基底累积变形监测时程曲线

1)从基底变形量级来分析，各监测点的累积变形量为29～66mm，为复杂因素综合引起的基底隆起；对比基坑整体开挖引起的基底隆起计算结果(28～62mm)，发现二者差距极小，因此，基坑整体开挖是形成基底隆起的最关键因素。

2)对比不同监测点的变形数据，由于基坑北侧地下连续墙、排桩等支护体系强度高，对土体竖向位移约束作用大，土体开挖在坑角边处产生的隆起较小，靠近基坑中部监测点隆起较大，与基坑整体开挖卸载数值分析的结论一致。

3)基底隆起变形前期以变形量较小且稳定的回弹为主，后在某时段内发生明显的突变上浮现象。其中，基坑东、西侧瞬时隆起量分别为18，33mm，然后缓慢上浮达到峰值，再以日变形量亚毫米级缓慢上浮、下沉波动。

4)基底发生突变上浮是由于基坑支护结构强度高，对变形起到一定的抑制作用，致使结构应力逐渐积累，出现变形滞后的现象；待结构应力达到一定程度后，应力突然释放并表现为基底短时间内快速隆起。

5 结语

1)深基坑基底隆起的诱发因素复杂，主要与开挖施工引起的环境条件变化有关，包括地层整体开挖产生的土压力差、支挡结构受水平力作用发生向坑内的变位、地下水渗透作用及深层承压水的浮托影响等。基底隆起变形虽不可避免，但可通过一定措施进行控制，防止出现过大的隆起。

2)超深基坑开挖后，基底与周围土体的自重压差很大，即便采用多级高强度支护措施，仍会因局部土体的塑性破坏而发生隆起变形。基坑外侧土体以相对微弱的沉降变形为主；坑内发生隆起且向中部隆起量渐增，提前施作工程桩对基底变形具有较好的控制作用。

3)确保基坑支护体系稳定的前提下，整体开挖是形成基底隆起的主要因素；支挡结构向坑内变位会引起马鞍形的基底隆起变形，但影响范围主要集中在距坑侧壁1倍左右基坑深度的小范围区域内；地下水渗透及深层承压水水头变动会引起基坑及周围土体发生整体上浮，但影响较小，一般不会引起较大危害。

4)基底前期以变形量较小且稳定的回弹为主，后在某时段内发生突变上浮，然后又缓慢上浮达到峰值，再以日变形量亚毫米级缓慢上浮、下沉波动。