重力式擋墻圍護基坑開挖過程的變形監控與分析

□文/高 翔 趙曉萍

□趙曉萍/天津市市政公路工程質量監督站。

重力式擋墻圍護基坑開挖過程的變形監控與分析

□文/高 翔 趙曉萍

由于地質條件、荷載條件、材料性質、施工條件和外界其他因素的復雜影響，很難從理論上預測基坑工程中遇到的問題，為保證工程和環境建筑的安全，對基坑開挖過程進行實時監控是十分必要的。文章以實際工程為背景，論述了重力式擋墻圍護基坑的施工監控實踐，詳細分析了開挖過程中各部位變形的規律，進一步證實了“時空效應”的存在性及其對基坑施工的意義。

重力式擋墻；基坑；時空效應

由于地下土層分布的復雜性以及土質的不均勻性和不確定性，理論計算結果與實際往往存在較大的偏差，因此進行基坑監控十分必要，通過監控數據的變化規律和趨勢不斷調整設計模型及施工流程，做到信息化施工，從而確保基坑開挖全過程的安全[1]。

1 工程概況

天津市某銀行卡產業園為10棟建筑物組成的綜合服務基地，占地面積約為50000m2。監控的為9號樓基坑，面積73m×81m，大部分開挖深度5.4m，局部集水坑開挖深度達到6.2m。采用4.2m厚、插入深度13m的重力式擋土墻作為圍護結構。基坑外邊線約10m處有一條重要的電力管線在基坑開挖影響范圍內，為確保周圍建（構）筑物及地下管線的安全，在基坑開挖過程中對樁頂位移、側斜、坑外土體沉降等項目進行監控。根據基坑開挖相關理論及監控數據指導施工。

2 監測數據的分析和探討

根據工程的實際情況，監控的主要項目有重力式擋土墻墻體側斜、墻頂水平位移、墻頂沉降、水位、電力管線的沉降等。基坑監測點平面布置見圖1。

2.1 地面沉降及水平位移

圖2為基坑北側電力管線監測點的沉降隨時間的變化曲線，電力管線基本平行于基坑邊線，距離基坑外邊線距離約為10m左右，在基坑開挖有效影響范圍內。

在土方開挖后的半個月內，監測點不僅沒有沉降，反而一直在隆起回彈并達到最大值27mm，其中以位于基坑中部的D4、D5測點的回彈量較大，這一規律看似與常規的現象和規律不一致，但在基坑開挖過程中，眾多基坑工程實測數據均表明這一現象的確存在。對于這一現象國內外有很多學者從卸荷回彈模量、應力釋放及預測公式等方面進行一系列研究[2～6]。目前對該現象普遍的解釋為基坑內土方開挖，坑底土體應力迅速釋放，坑底土體產生回彈。但“應力釋放效應”并不僅作用在坑內土體，而是存在一個有效影響范圍，因此造成基坑周邊臨近部位也會發生一定量的隆起回彈變形，即在基坑開挖初期，由于“應力釋放效應”造成基坑臨近周邊一定范圍內會出現一定的隆起回彈變形量，但隨著開挖的進行，開挖深度不斷增加，到某一臨界值，在時間上約為12月20日，開挖深度達到3.5m左右，坑外地表土體顆粒沿著圓弧滑裂面逐漸向坑內移動的趨勢占優，即坑外地表土體開始下沉，隨著開挖深度繼續增加接近坑底標高時，這一沉降變形更加明顯，沉降變形發展較為迅速，沉降量迅速增加。

開挖后期的沉降迅速增加驗證了“時空效應”中的“時間效應”，盡量減少基坑無支撐暴露時間，土方一旦開始開挖須一鼓作氣，盡快完成土方開挖，及時完成墊層及底板混凝土的澆筑施工可以有效減少基坑圍護結構自身的變形及周圍環境的變形，從而確保基坑圍護結構自身及周邊環境的安全。

開挖深度達到預定標高后，可以發現位于基坑中部的D4、D5監測點的沉降值大于其他監測點，沉降值最大達到60mm，而位于基坑邊角處的D1、D8監測點的沉降值較小，僅約為12mm，這一沉降變形分布很好地驗證了“時空效應”中的“空間效應”。

圖3為基坑北側電力管線監測點的水平位移隨時間的變化曲線。

圖3的變化趨勢及形狀與圖2極為相似。同樣可以用“應力釋放效應”的原理解釋，因此在基坑開挖過程中要充分考慮和運用“時空效應”這一原理，指導設計計算模型及施工工藝和流程，從而確保在基坑開挖過程中圍護結構自身的強度和周圍環境的變形均處于安全狀態。

圖4為基坑邊監測點沉降和位移最大值分布曲線。

從圖4可以看出，最大沉降值和最大水平位移值均發生在基坑中間部位，而距離最遠的基坑邊角部位水平位移值及沉降值較小，這一規律已經被許多學者所證實。用圖5來對圖4的曲線進行定性描述，這一現象很直觀地驗證“空間效應”的存在。

XIU Feng-min, ZHANG Feng, JIAO Jian-peng, ZHANG Ying-cheng, PEI Bei, ZHAO Jing, XIU Li-juan, YUE Xiao-qiang

圖6為電力管線沿基坑邊線不同位置的變形。

從圖6可以看出，最大沉降值和最大水平位移值均發生在基坑中間部位，位于基坑邊角部位的測點水平位移值及沉降值較小，這一規律與圖5所示結論完全一致，體現了“空間效應”的存在。圖4和圖6的現象表明在基坑邊角處出現了較為明顯的“抑制效應”，這是由于基坑邊角圍護結構的剛度相比其他部位較大，抵抗變形的能力要強于其他部位，但這一“抑制效應”同時帶來的害處是邊角部位將產生較大的“應力集中”現象，如果基坑開挖影響范圍內且位于基坑邊角部位有對變形較為敏感的地下市政管線就要特別小心，應根據相關要求提前制定相應的加固補強措施，以免開挖過程中巨大的“應力集中”現象對管線的損壞。同時，邊角處圍護結構的質量往往不易保證，應高度重視。

2.2 重力式圍護擋墻水平位移

圖7為基坑北側測點CX1、CX2、CX3側斜變化曲線，其中CX1和CX3測點位于基坑北側的兩端，CX2測點位于基坑北側的中部。

基坑開挖后的28d，即12月24日，測點CX1、CX2、CX3處樁體最大水平位移值分別為 37.52、71.52、43.79mm，平均變化速率為 1.34、2.55、1.56mm/d，而后4d，即12月28日，3個測點處樁體最大水平位移值變化量分別達到39.45、53.14、13.89mm，這4d內的最大水平位移平均變化速率分別達到9.86、13.29、3.48 mm/d。此后至底板澆筑完成之日，樁體水平位移變化又變得相當緩慢，最后趨于穩定。可以看出，開挖前期28 d的樁體水平位移變化速率約為后續4d的1/2～1/8，即在開挖的前期樁體水平位移的增加較為緩慢，隨著開挖深度的增加，達到某一深度臨界值后，樁體水平位移的增加突然加快，即一旦樁體自身剛度無法抵抗由主被動土壓力產生的彎距后，樁體開始發生變形并且水平變形在較短時間內迅速完成，水平位移變化的時間分界點與樁頂沉降變形時間分界點相當的吻合，樁頂豎向位移在12月24日前為隆起回彈，12月24日之后，樁頂開始豎向沉降且在很短時間內迅速完成，這一現象同樣體現了基坑開挖過程中“時間效應”的作用。因此，在實際施工過程中盡量減少“時間效應”的影響，從而確保基坑圍護結構體系自身及周邊環境的安全。

對于樁體發生的水平變形可以通過樁體的受力狀態進行分析。在基坑開挖之前，重力式擋土墻已經施工完成并已經達到設計要求的強度，此時可以認為重力式擋墻兩側的靜止土壓力相等，樁身所承受的彎矩為零，根據彈性地基梁樁體水平位移微分方程

式中：E——樁體彈性模量，MPa；

由式（1）知樁體的水平位移為0，即圍護樁體不會發生變形；隨著土方開挖的進行，根據Rankine土壓力理論，主動土壓力計算公式為

式中：eα——土壓力，kN；

Kα——土壓力系數；

γ——土的重度，kN/m3；

h——土體深度，m；

c——土體粘結系數。

因此土壓力存在一個臨界深度，當開挖深度小于臨界深度h時，可以認為樁體所承受的土壓力合力仍然為0，樁體仍然處于平衡狀態，此時樁體仍然不會產生水平位移；當開挖深度超過土壓力臨界深度h后，樁體受力平衡打破，坑外主動土壓力大于坑內土壓力，此時為了維持樁體平衡，樁體只能產生一定的彎矩用以抵抗坑內外土壓力差值，從而達到新的平衡狀態，達到平衡狀態的代價是樁體須發生水平變形，以平衡坑內外土壓力差值產生的彎矩。根據式（1）可知，水平位移對深度的4次微分與坑內外土壓力的合力成正比，因此，水平位移隨著挖深的增加變化不斷加快，彈性地基梁法所得出的結論與“時間效應”原理也較為一致。

3 結論

1）“時空效應”原理伴隨基坑開挖全過程，是對基坑開挖過程中圍護結構體系自身變形以及周邊環境變形分布及變化規律“最完美的詮釋”。根據“時空效應”原理合理安排土方開挖流程和施工工期，合理布設圍護結構體系及周邊環境變形監測點，根據邊角處的“抑制效應”合理保護好臨近重要市政地下管線，確保過大的應力集中不至于損壞地下管線。正確運用“時空效應”原理指導設計、施工以及監測，對于確保基坑圍護結構自身安全及周邊環境的安全具有重大參考價值和指導意義。

2）正是由于土層水文地質條件的不確定性和變異性，造成有限元及一系列計算軟件所得到的預測結果也存在著一定的不確定性。因此，對基坑圍護結構體系及基坑周邊4H（H為基坑開挖深度）范圍內的臨近道路管線及臨近建構筑的邊角點進行相應的監控，及時預報施工過程中可能出現的問題，通過信息反饋及時指導設計及施工流程，是非常有必要的，對防止意外事件的發生提供可靠的保障。

3）在基坑開挖過程中，常會出現一些異常情況，必須防患于未然，積極做好相關的應急準備措施。

[1]劉建航,候學淵.《基坑工程手冊》[M].北京：中國建筑工業出版社，1997.

[2]王衛東,吳江斌,翁其平.基坑開挖卸載對地鐵區間隧道影響的數值模擬[J].巖土力學,2004,25(2):251-255.

[3]吉茂杰,劉國彬.開挖卸荷引起地鐵隧道位移的預測方法[J].同濟大學學報（自然科學版），2001,29(5)：531-535.

[4]Boone S J.Gound-Movement-Related building damage [J]. Journal of geotechnical engineering,1996, (11):886-896.

[5]Boone S J,Westlan,Nusink.Comparative evaluation of building responses to adjacent braced excavation[J].J.Can.Geotech,1999,(36):210-223.

[6]Chen L T,Poulos H G,Longanathan N.Pile responses caused by tunneling [J].Jounal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,1999,125(3):207-215.

TU476.4

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1008-3197（2011）02-36-04

2011-03-01

高 翔/男，1978年出生，工程師，碩士，天津市市政公路工程質量監督站，從事市政公路工程質量監督及施工監控研究工作。

□趙曉萍/天津市市政公路工程質量監督站。