杭州軟土地區深基坑基底隆起的原因分析

王體廣

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，102600，北京∥工程師）

隨著國家基礎設施建設步伐的加快，全國各城市地鐵工程日益增多，深基坑工程也向更寬、更長、更深方向發展。軟土地區的深基坑因其地質條件差、水位高等原因，基坑事故時有發生，而基底隆起是深基坑在設計和施工過程中遇到的一類常見問題。因此，對其產生原因的分析顯得格外重要。

基坑隆起問題是一個非常復雜的課題，涉及的影響因素非常多。基底隆起量的大小是判斷基坑穩定性和變形的重要指標。基坑發生失穩是不允許的，但允許產生一定量的隆起。本文采用目前使用較多的日本規范以及我國的《建筑基坑設計技術規程應用手冊》、《建筑地基基礎設計規范》、模型試驗和文獻［1］提供的方法分別進行計算，同時將計算結果和實際值進行對比分析，以得到基底隆起的原因，供類似工程參考。

1 工程簡介

某地鐵車站位于杭州市錢塘江西岸的沖海積平原，車站為標準的地下兩層車站。其結構尺寸為12.89m×19.50m，標準段基坑深度為16.05m，端頭井段基坑深度為17.59m。因車站配線的設置，本車站長度為451m。本工程最大變形發生地段的基坑深度為16.79m，最大隆起量為32cm，位于基坑中部。

該地鐵車站北靠河渠，南靠住宅小區，周邊場地環境較為復雜，對基坑結構安全等級和變形控制要求嚴格。按基坑開挖深度及破壞后果的嚴重性，根據DB33/T1001—2003《浙江省建筑地基基礎設計規范》等規范要求，基坑安全等級確定為一級。為保證工程本身安全及控制地表沉降，采用鋼筋混凝土地下連續墻加φ609mm內支撐的基坑支護體系。標準段圍護結構采用600mm厚地下連續墻，端頭井段采用800mm厚地下連續墻，幅寬為4～6m不等。車站標準斷面共設置4道支撐和1道換撐。支撐的水平間距一般為3m，豎向間距為3～5m不等，均為標準布置。

根據勘探和室內土工試驗測試成果，本站地基土根據成因類型及物理力學指標的差異可劃分為8個工程地質層，其中3大層細分為5個亞層。車站底板位于粉砂夾砂質粉土、砂質粉土及粉質黏土層。本場地土類型為中軟場地土。

場區的地下水，主要有淺層粉（砂）性土層中的潛水和局部砂土層中的弱承壓水。潛水位埋深一般在1.2～4.0m之間；深部承壓水位于場地局部分布的中砂層中，分布深度為40m以下，為弱承壓水。潛水位和承壓水位隨季節、氣候等原因而有變 化。各層土的力學參數指標詳見表1。

表1 土的力學參數

2 基坑底隆起的計算方法

基坑開挖是開挖面的卸荷過程，由于卸荷及土體的應力釋放，引起坑底土體向上回彈；隨著基坑開挖深度的增加，基坑內外壓力差也增大，因此又引起支護結構的變形與基坑外土體的位移，加大了基坑開挖面的隆起量。基坑開挖較淺時，基坑只發生彈性隆起；當基坑開挖深度不斷增加，彈性隆起相應增大；當基坑開挖深度達到一定程度，地基中的塑性開展區不斷擴大，直至連通，支護結構的過大變形與坑外土層的位移隨之增大，基坑將由彈性隆起發展到塑性隆起，致使造成基坑失穩，坑內產生破壞性滑移，地面產生嚴重沉降。

計算基坑底隆起的方法雖然較多，但計算結果和實測值相差較大（一般計算出來的隆起量比實際發生的大），且多數方法不能計算開挖面以下任意深度的回彈量；有些方法雖然可以計算任意深度的回彈量，但所采用的某些參數很難取值，即使能夠確定參數值，但參數的準確性也不易保證，因此關于基坑底隆起量的計算是一個非常復雜的問題。

目前計算基坑回彈的方法較多，現采用下面幾種常用的方法分別進行計算。

1）采用日本規范：日本《建筑基礎構造設計基準》中，基坑底隆起量δ為

式中：

Csi——坑底開挖面以下第i層土的回彈指數；

e0i——第i層土的孔隙比；

PNi——第i層土中心的原有土層上覆荷載；

ΔPi——由于開挖引起的第i層土的荷載變化量；

hi——第i層土的厚度。

2）采用《建筑基坑設計技術規程應用手冊》：此方法根據JGJ120—99《建筑基坑設計技術規程》編寫。目前，北京理正深基坑計算軟件采用此方法計算基坑底隆起量（若本公式計算的隆起量為負值，則按0處理）。

式中：

γ2——基坑外側坑底至地面之間土的加權重度，水位以上為天然重度，水位以下取飽和重度；

h1——換算深度，h1＝h＋q/γ2；

q——基坑頂面的地面超載；

D——支護結構嵌入深度；

h——基坑開挖深度；

γ1——基坑外側支護結構底部至地面之間土層的加權重度，水位以上為天然重度，水位以下取飽和重度；

C——支護結構底部土的黏聚力；

φ——支護結構底部土的摩擦角。

3）采用GB 50007—2002《建筑地基基礎設計規范》：本規范給出的公式是用來計算基礎底面以下某一深度的地基變形量，而與基底隆起量有一定的差別，但此方法在很多文獻中被采用，因此有一定的代表性。其計算公式如下。

式中：

s1——按分層總和法計算出的地基變形量；

Ψs——沉降計算經驗系數；

p0——對應于荷載效應準永久組合時的基礎底面處的附加壓力；

Esi——基礎底面下第i層土的壓縮模量；

zi、zi－1——基礎底面至第i層土、第i－1層土底面的距離；

ai、ai－1——基礎底面計算點至底面范圍內平均附加應力系數。

4）采用模型試驗方法：基坑底隆起包含相當一大部分的塑性變形，考慮到簡單、實用性，采用土工離心模型試驗方法計算基坑底隆起量。

式中：

h——基坑開挖深度。

5）采用參考文獻［1］給出的計算方法：其關鍵是對其中一些參數的計算，具體參數的取值及計算過程詳見文獻［1］。

3 理論計算結果與實際結果的比較

通過采用以上各方法給出的公式進行計算，結果如表2所示。

表2 不同計算方法結果對比表

理論計算雖然不是完全模擬實際開挖過程，但是從理論計算結果和實際結果來看，兩者有較大的差異。從參考文獻［1］、［2］等大量文獻及實際情況可以看出，一般計算出來的坑底隆起量較實際隆起量要大，但本工程實際的隆起量比計算的還要大，說明本工程的隆起量異常偏大。

從工程現場能夠看出，由于隆起量的異常偏大，車站底板墊層出現多處裂紋，且由于隆起量的影響，底板厚度不能滿足原設計厚度，在最后的變更設計中，底板采用0.7～0.9m不等的厚度，并采用加強配筋等方法解決，才使得工程能夠繼續施工下去。

4 基坑底隆起規律

坑底隆起是基坑豎直向卸荷而改變坑底土體原始應力狀態的反應。在基坑開挖深度不大時，坑底土體在卸荷后發生豎向的彈性隆起，當圍護墻底為清淤良好的原狀土或注漿加固土體時，圍護隨土體回彈而抬高，此時坑底彈性隆起的特征是坑底中部隆起最高，而且坑底隆起基本不會引起圍護墻外側土體向坑內移動。

隨著開挖深度的增加，基坑內外的土面高差不斷增大，基坑內外土面高差所形成的荷載和地面各種超載就使得圍護墻外側土體向基坑內移動，使基坑坑底產生向上的塑性隆起，同時在基坑周圍產生較大的塑性區，并引起地面沉降。此時隆起量也逐漸由中部最大轉變為兩邊大中間小的形式即平常所說的雙峰馬鞍形，基底中心點隆起量較小，在位于坑壁一定距離處基坑隆起量最大。這種隆起形式在圓形基坑中較為常見，但對于較窄的基坑或長條形基坑，仍是中間大兩邊小。

本車站基坑深度16.79m，基坑長度為451m，在開挖的過程中雖然是分段開挖，但為開挖方便，基坑開挖采用拉槽開挖形式。本基坑隆起量最大的位置在基坑中部，隆起量為32cm，且基坑周邊地面沉降嚴重，最大處地面沉降近40cm。實際情況的隆起形式與理論分析基本吻合。

5 本基坑的隆起原因分析

由于本基坑隆起量的異常偏大，結合本工程的實際情況，分析其原因如下：

1）基坑開挖后，原土壤平衡的應力場受到破壞，卸荷后基底要回彈。基坑開挖前，原狀土已經形成了穩定的應力場和變形，由于土體的開挖就是土體的卸荷過程，因此在破壞原有土體的應力場和平衡狀態的同時，必然引起基底的回彈。

2）基底土受回彈后土體的松馳與蠕變的影響加大了基底的隆起。原狀土的平衡狀態在開挖以后被破壞，原來的密實程度遠大于開挖后的密實程度，又由于機械、人工等各方面的擾動，回彈后的土體變得更加松弛，因此加大了基底的隆起。

3）地下連續墻在側水土壓力作用下，墻角與內外側土體發生塑性變形而上涌。基坑開挖后，圍護結構必然產生一定的位移和變形，在圍護結構變形的同時，墻角處的內外側土體產生一定的塑性變形，因而導致土體的上涌。

4）黏性土基坑積水，即使時間短也會因黏性土吸水使土的體積增大而隆起。由于基坑底部位于砂質粉土和粉質黏土層，杭州地區水位較高，而在施工過程中，降水效果又不好，有很長一段時間內，基坑均位于水位以下，整個基坑浸泡于水中，因此由于黏性土吸水使土的體積增大，從而加大了基坑底的隆起量。

5）基坑底部承壓水加大了基底隆起。在車站地質報告中，基底以下20m處的水層有一定的微承壓性，因此由于基坑的開挖，下部承壓水層對基坑底板必然有一定的托頂作用，從而加大了基底的隆起。

6）其他原因。由于支撐架設不及時、降水效果差、坑外堆載等原因，本段地下連續墻發生了平均侵限50cm，最大侵限90cm的情況，地下連續墻最大變形在100cm以上。圍護結構的大變形，必然加大基底土的塑形變形和隆起，同時，基坑開挖要考慮時空效應的影響，基坑開挖后的無支撐暴露時間越長，則基坑的隆起量就越大。

6 結語

基坑底隆起量的大小是判斷基坑穩定性的重要指標。但在目前的現狀下，基坑底隆起量的準確計算是非常困難的。通過以上分析，卸荷回彈、回彈后土體的松馳與蠕變、塑形變形等因素是不可或不易控制的，而且基坑底隆起量的異常偏大與上述因素關系較小，相反與基坑的降水效果、無支撐暴露時間、施工擾動和基坑周邊堆載等人為因素密切相關。

在軟土地區深基坑工程中，地下水的處理效果與工程的成敗密不可分。因此，必須選用合理的降水措施，以保證基坑的降水效果，同時嚴格按照設計文件及相關規范規定的“邊撐邊挖”原則，不得無故延長無支撐暴露時間，同時減少施工擾動及基坑周邊堆載，從而保證基坑的穩定和工程的順利完成。

［1］劉國彬，黃院雄，侯學淵.基坑回彈的實用計算法［J］.土木工程學報，2000，33（4）：61.

［2］田振，顧倩燕.大直徑圓形深基坑基底回彈問題研究［J］.巖土工程學報，2006，28（增刊）：1360.

［3］黃強.建筑基坑支護技術規程應用手冊［M］.北京：中國建筑工業出版社，1999.

［4］劉國彬，賈付波.基坑回彈時間效應的試驗研究［J］.巖石力學與工程學報，2007，26（增1）：3040.

［5］原文奎，黨海軍，郭慶昊，等.軟土性質對基坑圍護機構穩定性的影響［J］.城市軌道交通研究，2010（5）：75.