某主動土壓力不平衡深基坑的設計實踐

李書波，陳濤

(南京市測繪勘察研究院股份有限公司，江蘇 南京 210019)

某主動土壓力不平衡深基坑的設計實踐

李書波*，陳濤

(南京市測繪勘察研究院股份有限公司，江蘇 南京 210019)

以南京河西地區某軟土深基坑為例，介紹了由于場地地形高差較大引起主動土壓力不平衡帶來的支護結構設計時內力取值偏小、變形不協調等設計難題。通過支撐系統頂冠梁與腰梁分開設置、支護構件內力綜合分析取值、結合主體結構設計增設換撐等針對性處理措施，解決了上述設計難題。施工期間監測數據表明對支護結構采取的措施保證了支護結構及周邊環境的安全，取得了良好的效果。

主動土壓力；不平衡；深基坑；監測

1 引 言

近年來隨著國民經濟的發展，需要開發越來越多的地下空間來滿足各行業的需求，而城市化建設和地下空間開發迅猛發展，土地資源越來越受到限制，工程建設面臨越來越多的復雜條件，深基坑工程面臨前所未有的挑戰。如何保證在深基坑開挖及地下結構施工過程中對復雜環境條件的影響降至最低成為一項重要的課題。

本文以南京某軟土基坑為例，針對地形高差較大引起的主動土壓力不平衡問題提出了一些處理措施，通過實踐表明采取的措施是合理可行的，可為類似工程提供有益參考。

2 工程實例

2.1 工程概況

南京河西地區某科技研發大廈項目由地上15層主樓及1層滿堂地下室組成，框剪結構，樁基礎，底板墊層底標高為-7.400(±0.000相當于吳淞高程 +9.200 m)。基坑平面形狀基本規則，平面尺寸約為 110 m×65 m，開挖面積 6 800 m2，支護周長 340 m。

場地地形標高為+11.100～+7.800(吳淞高程)，整體呈現南高北低趨勢，如圖1所示。基坑南側為1層老舊民房，淺基礎，距離基坑 5.0 m，電線桿距離基坑 1.5 m，埋深不詳，該側基坑挖深 9.3 m，對變形控制要求較高；基坑北側為綠化用地、市政道路及地埋管線，最近管線距離基坑 12.0 m，該側基坑挖深 6.0 m；基坑東側為在建2層地下室，埋深約 9.0 m，該側基坑挖深 6.0 m；基坑西側為市政道路及地面管線，距離基坑邊約 7.5 m，該側基坑挖深 6.0 m。

圖1 基坑平面布置及周邊環境

2.2 地質條件

勘察報告顯示場地屬于長江漫灘地貌單元，基坑開挖影響深度內的地層如下：

土層物理力學指標 表1

勘察鉆孔揭示孔隙潛水為對基坑開挖影響的主要含水層，主要賦存于①雜填土、②粉質黏土和③淤泥質粉質黏土中。該含水層為統一含水層，厚度較大、富水性較差、透水性較弱。孔隙潛水主要受大氣降水和地表水流補給。勘察期間實測鉆孔內孔隙潛水初見水位埋深約 0.50 m～2.60 m，穩定水位埋深約 0.70 m～3.00 m。年水位升降變幅約 0.80 m～1.00 m。場地近3年最高水位標高約7.50 m。

3 支護結構設計

3.1 支護難點分析

場地地形高差較大，導致基坑開挖深度相差較大，綜合考慮分析場地條件、周邊環境、地質條件基坑支護結構選型存在如下幾個重難點：

(1)場地地形整體呈現南高北低，高差達 3.3 m，引起基坑開挖后南北側主動土壓力存在較大的差異，導致南北側主動土壓力不平衡，支護結構將會向土壓力較小一側整體偏移，使主動土壓力較小一側的土壓力從主動土壓力向靜止土壓力增大，直至達到被動土壓力，對南側變形控制及北側支護結構內力計算帶來困難。

(2)基坑開挖面全部位于深厚的③淤泥質粉質黏土層中，工程性質較差，具有較大的流變性及觸變性。

(3)南側建筑物為1層老舊民房，基礎整體性較弱，結構抗變形能力較差，對支護結構的控制變形能力要求較高；該側存在電線桿，同樣對變形控制要求較高。

3.2 支護選型

根據基坑開挖深度、開挖面積，項目采用整體順做法施工。結合周邊環境、地質條件及地區經驗，基坑支護結構整體采用剛度較大且整體性好的排樁結合內支撐的支護形式，外側設置單排深攪樁止水帷幕。

綜合考慮剛度及經濟性能，圍護結構選用混凝土灌注樁，南側灌注樁采用φ900@1100，設計強度C30，樁長 22.3 m；其余側均采用φ800@1000，設計強度C30，樁長 15.5 m。內支撐選擇上，對比鋼支撐，混凝土支撐具有如下特點：剛度大，易于控制基坑變形；支撐布置形式靈活，且可以利用混凝土結構的特性設置邊桁架，利于協調平衡南北側不平衡的主動土壓力帶來的變形計土壓力的再平衡；施工質量便于控制，因此本項目選擇混凝土內支撐。止水帷幕選用φ700@500雙軸深攪樁，樁長 14.6 m/10.3 m，水泥摻量14%。典型支護剖面如圖2所示。

圖2典型支護剖面

4 關鍵問題處理

4.1 支撐系統設計

場地地面高差3.3 m，且外側無放坡空間，不能按照常規將支護樁頂設置于統一標高，將支護樁頂冠梁用作支撐系統腰梁。經系統設計分析，沿基坑周邊在支護樁頂-1.400～+1.900標高處設置支護樁頂冠梁，支撐系統北側腰梁與冠梁“合二為一”，南側除在+1.900處設置冠梁外在-1.400處另設一道混凝土腰梁。按照上述設計支撐系統處于統一標高，支撐傳力明確，且便于支撐系統受力分析及方便支撐系統施工。

根據基坑平面形狀及周邊環境保護要求，支撐結構采用剛度較大且對支護結構變形協調能力較強的混凝土結構。在平面布置上支撐系統整體采用角撐結合中間對撐的形式進行布設(見圖1)。考慮南側地面整體較高，且基坑外側有重要保護對象，沿基坑南側設置邊桁架加強支撐系統剛度及協調支護結構系統受力，以便于控制南側支護結構變形及減小地下結構施工隊對南側環境的影響。

4.2 支護樁內力取值

按《建筑基坑支護技術規程》規定，常規條件下支護結構外側采用主動土壓力進行剖面計算分析。計算所得支護結構內力及位移等結果如表2所示。

支護結構剖面計算結果 表2

對比表2中南北側支護結構剖面計算結果，南側支撐軸力遠大于北側支撐軸力，計算結果不滿足力平衡條件。支護結構將整體向主動土壓力較小方向產生偏移。根據土力學原理，當構件向一側土體位移時，主動土壓力較小一側的土壓力從主動土壓力逐漸向靜止土壓力增大，直至達到被動土壓力狀態，土體通過自身的變形來協調力的平衡。通過上述分析，對北側支護結構分別按照主動土壓力、靜止土壓力及整體有限元分別進行受力分析及變形計算，計算結果如表3所示。

北側支護結構分析計算 表3

注：①靜止土壓力模式下只計算順向工況。

②有限元方法下為換算支撐軸力。

表2、表3顯示靜止土壓力作用下北側剖面計算支撐軸力、有限元分析支撐軸力均可與南側支撐軸力平衡。且靜止土壓力作用下支護樁彎矩與整體有限元分析結果基本相等。在計算條件受限制時可以采用調整土壓力使支撐軸力平衡的條件下計算支護樁彎矩。本次設計支護構件配筋采用綜合靜止土壓力作用下支護樁彎矩及有限分析計算結果確定的內力。

4.3 南側換撐處理

由于支撐結構位于地下室結構頂板下方，地下結構底板澆筑完成后需要拆除支撐方可繼續施工地下結構頂板。南側支護樁頂距離地下室底板頂為 8.7 m，不能滿足支撐拆除后對周邊環境的保護要求，需要在中部設置換撐。結合地下主體結構南側局部設置的自行車庫夾層板在-3.300標高處設置臨時換撐結構。地下結構外側在-3.300標高設置換撐板帶，內側在夾層樓板內側設置斜坡撐——一端與夾層板帶處結構梁連接，另一端支撐于地下結構底板。未設置夾層部分參照夾層部分在-3.300標高處設置臨時傳力構件。換撐臨時構件豎向布置見圖2。

4.4 變形控制加強措施

基坑開挖深度范圍內除表層硬殼層外下部位深厚的淤泥質粉質黏土，基坑土方開挖過程中機械設備的擾動將引起流變性和觸變性，易引起支護結構過量變形。為控制對周邊環境的影響，采用雙軸深層攪拌樁對③層土進行加固改良。雙軸深攪樁采用φ700@1200，加固寬度 4.9 m，加固深度為基坑底面下 4.0 m(樁長 8 m)，水泥摻量14%(坑底以上為8%)。坑底土的加固改良及減小了支護結構在基坑開挖面下的變形，又使得支護結構在相同的變形條件下提供較大的抗力，對減小支撐結構的軸力起到明顯效果。

考慮該基坑支撐的平面布置，基坑在土方開挖過程中分為兩個部分進行開挖，可較好的控制每一部分的施工時間，對減小基坑整體開挖引起的“時空效應”起到有益作用。

5 監測情況分析

為掌握土方開挖及地下施工施工期間支護結構變形及對南側建筑的影響，工程實施過程中對基坑支護結構及周邊環境進行了信息化監測，按照規范要求監測項目包括深層水平位移、樁頂位移、立柱豎向位移、支撐軸力、樁身應力、土壓力等。由于受開挖深度、傳感器埋設位置等因素影響，本文僅對深層水平位移、樁頂水平位移及支撐軸力等監測項目對比分析。為直觀的反應南北側土壓力不平衡帶來的影響，選取中部對撐位置監測點測試數據，監測點布置見圖3。

圖3 監測點平面布置

5.1 深層水平位移

圖3顯示基坑南北側支護樁內分別設置有深層水平位移監測點CX1、CX2，其在典型工況下的水平位移變化曲線見圖4。

從圖4(a)可看出，在開挖至-4.100時，呈懸臂狀態的支護結構頂部水平位移最大值為 12.2 mm，小于計算值 15.8 mm；基坑開挖至坑底標高時，支護結構最大變形為 20.4 mm，小于計算值 26.5 mm，樁頂冠梁位移較前工況變化較小，表明支撐系統標高設置合理，坑內加固對控制支護結構變形有效性，兩個工況下的支護結構變形均在控制范圍內。拆撐工況下，底板以下支護結構變形較小，夾層樓板與底板之間部分在未回填的情況下由于頂部結構二次受力調整存在回縮，但數量較小。夾層樓板以上部分在支撐拆除時，支護樁頂部水平位移增大 4 mm，符合對結構變形的控制要求，表明在該標高設置換撐對控制變形是有效合理的。

圖4深層水平位移曲線

從圖4(b)可看出，在南側土方開挖至坑底時，支護結構開始出現向外變形的趨勢，但位移較小；隨著土方由南向北開挖，冠梁向外側位移逐漸變大，最大值為 -4.6 mm表明坑內土體在未挖除時對支護結構的內力分配及變形存在一定的影響。在基坑開挖期間，樁體最大位移為 12.6 mm，小于按照主動土壓力剖面計算值 15.6 mm；支撐拆除后樁頂水平迅速增大，最大值為 15.7 mm最大變形在控制范圍之內，滿足設計要求。

綜合圖4(a)、圖4(b)，坑內加固存在一定的效果，但沒有支撐標高設置變化明顯，可能與施工質量控制有關。

5.2 樁頂水平位移

對撐區域南側與北側分別設置3個樁頂水平位移監測點，為使數據具有可比性，選取靠近對撐中部且對稱的監測點GL2、GL5進行分析。圖6為監測點GL2、GL5隨時間變化位移曲線，其中GL2-1為樁頂水平位移、GL2-2為對應位置腰梁水平位移。

圖5中GL2-1初始位移12.8 mm為澆筑南側支護樁冠梁后垂直開挖至-2.200時懸臂式支護結構頂部水平位移。從圖5可以看出，在南側土方開挖初期，監測點GL2-2腰梁水平位移逐漸增大，北側基本無位移，隨著開挖深度逐漸加大及土方開挖區域逐漸向北推進，監測點GL5水平位移逐漸向基坑外側變化，直至土方開挖完成后一段時間逐漸趨穩。GL5點最大水平位移為 -6.8 mm，GL2-2點水平位移最大位移為+10.6 mm。GL2-1水平位移在 -1.800 m位置支撐性形成至土方開挖過程中變化不大，與計算的在土方開挖過程中向基坑外側位移不一致，原因為-2.200以上開挖過程引起的變形主要為塑性變形，在下部土方開挖時支護結構構件內力變化致使樁體變形時大部分變形不可恢復。

圖5 冠梁(腰梁)水平位移變化曲線

5.3 支撐軸力

對撐區域共布置ZL1～ZL4四個支撐軸力監測點，由于八字撐作用，端部監測點ZL1/ZL4數值明顯小于內側監測點ZL2/ZL3數值，圖6為監測點ZL2/ZL3支撐軸力隨時間變化曲線。

圖6 支撐軸力變化曲線

從圖6可以看出，由于基坑土方開挖為從南側向北側退挖，基坑開挖初期ZL2軸力值較ZL3軸力值增長迅速，隨著基坑北側土方開挖至坑底，支撐軸力均增大至5 100 kN～5 500 kN，并趨于穩定。由于基坑開挖期間處于盛夏，氣溫引起溫度應力較大，支撐軸力普遍大于設計軸力值，未能體現出坑內加固對南側支撐軸力調節的有利作用。圖6顯示基坑在支撐系統的協調下南北側支撐軸力基本相等。

6 結 論

基坑支護結構設計不僅是整體支護方案的概念選型，還要針對項目的特點對支護體系中關鍵問題進行針對性的處理。本文結合工程實例，對由地形高差引起的土壓力不平衡問題進行分析介紹，基于關鍵點處理及實施過程中監測數據，可以得出以下結論：

(1)支撐系統采用冠梁與腰梁分開設置對支護結構變形要求是可控的。

(2)支護結構內力應根據剖面計算與整體驗算綜合確定，且采用調整圍護結構北側土壓力至支撐軸力平衡時的支護樁內力取值是合理的。

(3)支護結構變形協調應是考慮迎土側土壓力狀態調整后再平衡的結果。

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DesignandPracticeofaDeepFoundationPitUnderUnbalancedActiveEarthPressure

Li Shubo，Chen Tao
(Nanjing Institute of Surveying，Mapping & Geotechnical Investigation，Co.，Ltd.，Nanjing 210019，China)

Using a deep foundation pit of Nanjing in soft clay，the supporting structure design difficulty，such as the value of internal force is smaller than that in practice and the deformation is compatible with the earth pressure because of the unbalanced active earth pressure caused by the uneven terrain of ground surrounding are introduced. Via the methods of setting up the capping beam and waling separately in the supporting system，adopted comprehensive analysis to internal force of retaining and protection structure，adding support replacement combined with underground structure，those design problems are successfully solved. Monitoring data shows that the proposed measures can ensure the safety of the supporting structure and the surrounding environment，and a better result has been achieved in practice.

active earth pressure；unbalanced；deep foundation pit；monitoring

1672-8262(2017)06-161-05

TU753

B

2017—04—26

李書波(1981—)，男，注冊土木工程師(巖土)，一級注冊結構工程師，主要從事巖土工程勘察設計工作。