濱海含淤泥層深基坑的變形分析及超載作用影響

周洪濤

(深圳市勘察研究院有限公司，廣東 深圳 518026)

1 引 言

在我國南方濱海地區，大量海相淤泥場地通過吹填、預壓及填土處理成為建設用地，以滿足日益增長的城市用地需求。在建設過程中，需要在含淤泥層的場地上進行基坑開挖，地鐵車站深基坑即為其中的典型代表。由于淤泥的性質較一般的濱海軟土場地更為惡劣，因此，給基坑的開挖帶來了嚴峻挑戰。

當前研究中，針對深厚軟黏土基坑已經有較多報道[1，2]。同時，對支護結構的形式[2～6]、支護結構上的土壓力[7]、支護結構的變形形式[8，9]也有較為深入地探討。就變形特征而言，懸臂式支擋結構的位移自下而上逐漸增大；對于支撐式擋土結構，位移-深度曲線呈弓形，在開挖面附近有最大位移[7]。當前研究中還包括深厚軟土區深基坑開挖中的坑底卸荷回彈、坑外土體沉降、支護結構的內力以及嵌固深度等方面的討論。但在含有相對較薄、極軟淤泥層的深基坑開挖中，淤泥層的存在對基坑變形的影響以及潛在風險尚未有深入理解。

本研究結合深圳地區含淤泥層深基坑的開挖工程案例，通過分析實測變形規律和有限元數值模擬，進一步理解其變形機理，以期為未來該類型工程實踐提供必要的參考。

2 工程實例

本研究擬結合深圳地鐵前海灣站工程實例進行基坑變形實測數據分析，并開展數值模擬，研究變形發展的機理。

2.1 工程概況

前海灣站的地鐵1號線和5號線的換乘車站，車站主體結構采用明挖順筑法施工。1號線和5號線的結構斷面形式均為雙層雙柱三跨鋼筋混凝土矩形框架。本研究針對明挖法基坑的設計寬度為 19.10 m，深度為 15.5 m，維護結構采用直徑為 1 000 mm、中心距為 800 mm的鉆孔咬合樁，樁長 20.5 m。

2.2 地質條件

由表1可見，在6 m厚的填土下方，存在厚 3.5 m的淤泥層。淤泥層的基本性狀為灰黑色、流塑狀、含有機質及貝殼碎片，有臭味，具高壓縮性，其微觀形貌如圖1所示。該淤泥層前期經過一定的堆載預壓處理，但仍然非常軟弱。

圖1 淤泥微觀形貌

2.3 基坑開挖支護步驟

開挖支護分4個步驟進行：第一步為基坑開挖至 -3.0 m(地表為 +0.0 m)的位置，在 -3.0 m處設置第1層鋼支撐；第二步為基坑開挖至 -7.5 m的位置，在 -6.5 m處設置第2層鋼支撐；第三步為基坑開挖至 -12.5 m的位置，在 -11.5 m處設置第3層鋼支撐；第四步為基坑開挖至 -15.5 m處。

2.4 基坑變形監測點

該基坑的變形監測布點如圖2所示。位移測點距基坑邊緣的距離分別為 2 m、10 m、和 20 m。

圖2 變形監測點布置圖

2.5 超載作用

基坑邊緣的超載作用主要是由施工車輛荷載引起的，其作用位置距基坑邊緣 3 m、寬度為 3 m，作用時間為整個施工階段。在數值分析中，超載作用假定為條形均布荷載，大小為 20 kPa。

3 有限元模型

該基坑為規則矩形組成，基坑的長度遠大于基坑的寬度，按平面應變問題考慮：依據對稱性，基坑部分的計算寬度B1取整個開挖寬度的1/2，坑外土體部分的計算寬度B2按基坑開挖深度H的約2.5倍取為 40.5 m；豎向土體計算深度按基坑開挖深度H的約3倍取為 50 m。即最終模型總尺寸為 50 m×50 m，如圖3所示。模型中土體采用摩爾—庫倫彈塑性本構模型。實際土層的分布情況由設計剖面圖給出，土層參數及地下水位取自勘查報告，如表1所示。

圖3 模型示意圖

4 分析與討論

結合實測數據和有限元分析結果，對基坑變形規律及其機理展開分析。

4.1 實測結果

(1)基坑邊緣土體變形

圖4 隨時間變化的累積沉降值

圖4顯示了距離基坑周邊不同距離位置處的土體累計沉降值。從圖中可見，不同距離的土體沉降規律相差較大。距基坑邊緣最近的D93、D94位移傳感器顯示，土體在開挖初期，即90天內，基本處于隆起狀態，隆起值先增大后減小，最大值達到 5 mm左右。隨后，逐漸轉為向下沉降，最大累計沉降量穩定在 10 mm左右。D92和D95測點(距基坑邊緣 10 m)從開挖起即快速沉降，最大沉降值接近 30 mm。D91和D96測點數據差異較大，一個(D91)先隆起后沉降，另一個(D96)未有隆起變形，沉降快速累積，可能與具體測點(D96)處的外部超載有關。同時，基坑邊緣的隆起也與外部超載有關，由于開挖造成了基坑邊緣土體的圍壓降低，在外部超載的左右下，基坑邊緣土體有向上滑移的趨勢。從圖中可以看出，累積沉降值在150天左右達到最大值，此時基坑開挖至預定深度，之后累積沉降值變化幅度大幅減小，可見，累積沉降值的最大值與基坑開挖深度密切相關。

從圖4中可以看出，沉降累積速率隨著工期的推移發生變化，圖5總結了各個測點的沉降速率。可見隨著工期的推移，沉降速率逐漸降低，最終趨于穩定。其中，在絕大多數施工期內，變形速率不超過 0.5 mm/d，可見土體處于相對穩定的狀態。

圖5 沉降速率-時間曲線圖

(2)樁體位移

隨著基坑的開挖，在土壓力的作用下，支護樁發生側向位移，這也是基坑周邊土體發生沉降變形的原因。

圖6 WS32樁體水平位移-深度曲線圖

圖6展示了在不同施工期的支護樁沿深度方向的側向位移值。在施工期僅有8天時，尚未設置第一道支撐，支護樁為懸臂狀態，同時開挖深度尚淺，土壓力絕對值不大，因此，樁體的側向位移并不顯著。表現為樁頂出現最大位移，約為 4 mm，隨深度增加位移逐漸減小。之后在 3 m處設置了鋼支撐，可見圍護樁的側向變形模式發生變化，即最小側向位移處為 3 m深度的鋼支撐所在處，隨著深度的增加，側向位移先增加后減小，最大位移發生在 12 m～15 m之間，即基坑底部。在深度超過 15 m后，由于樁體嵌固在土中，因此，側向位移逐漸減小。如圖7所示，工期在159天以后，基坑已經開挖至所需深度，圍護樁的變形模式不發生變化，側向位移緩慢增加，最大位移為 20 mm左右。

圖7 樁頂水平位移-時間曲線圖

圖7顯示了WS30和WS31樁頂位移隨工期的變化。相對于WS32樁，該處樁頂位移較大，在基坑開挖至最深處時樁頂位移達到最大值，最大值約為 12 mm左右。之后，可見樁頂位移有一定程度的減小，主要原因可能在于土壓力在支撐和樁之間發生了重分布，基坑底部的樁體水平位移增大，樁體有可能繞著頂部支撐發生轉動，使樁頂位移有小幅減小，該變化趨勢與圖6中的WS32樁一致。

4.2 數值分析結果

為更好地理解基坑變形的機理，采用有限元數值分析方法對基坑進行建模分析。需要說明的是，該方法結果主要用于理解變形機理，預測值與實測值之間有一定偏差，主要可能原因在于土層參數、樁體剛度、以及支撐剛度的準確性有待進一步分析，但不影響對變形趨勢的把握。

(1)樁體水平位移

圖8顯示了在不同開挖階段土體的最大水平位移。可見，在施加了第一道水平支撐后，最大位移開始逐漸向下傳遞，在接近開挖下界面的位置(約 15 m處)出現水平位移的峰值，與實測值的規律相同，數值比實測值較大，但其絕對值僅有 35 mm，是穩定狀態。產生差別的主要原因可能是砂質黏性土的參數取值較實際情況偏小，造成土層對樁端的嵌固作用減弱。從圖8可以看出，支撐的存在限制了墻頂端的水平位移，使得在后續開挖步驟中，頂端的位移值保持 -20 mm的位置，該值接近實測樁頂(WS30)水平位移的最大值 -16.1 mm。

圖8 不同開挖階段樁體位移

(2)樁后土體水平位移

圖9顯示了樁后1.5 m處土體在不同開挖階段的水平變形。可見，在前兩步開挖階段，樁后土體的最大水平位移發生在淤泥層，隨著開挖的進行，在第三、四階段，土體的最大位移轉至樁端的砂質黏性土。可見，砂質黏性土發生了整體平移，進而造成支護樁的平移，進一步說明模型中所采用的砂質黏性土土層的力學參數低于實際情況。

圖9 不同開挖階段樁后1.5 m處土體水平位移

(3)超載引起地面沉降

圖10顯示了距基坑邊緣5 m的寬度為 3 m、大小為 20 kPa的豎向超載對地面沉降的影響。可見，在不同開挖階段，沉降大小不同。超載作用位置的地面沉降逐漸增加，增加的地面沉降主要來自支護結構的側向位移，造成土體側向移動，進而導致豎向位移增加。在超載作用范圍內，由荷載和基坑開挖的共同作用，產生沉降最大，計算值與實測值較為接近。隨著距基坑邊緣距離的增大，地面的沉降值逐漸減小，主要在于開挖和超載的影響逐漸減小。

圖10 不同開挖階段距坑邊3 m超載引起的地面沉降

在基坑邊緣，由于超載的作用，造成土體隆起，這與實測值一致。基坑邊緣隆起量與淤泥層的存在和開挖卸荷有較大關系。由于淤泥層的存在，在基坑邊緣豎向荷載以及開挖卸荷作用下，造成基坑邊緣的土體隆起量大于普通基坑。而隨著開挖深度的增加，盡管超載作用位置的地面沉降逐漸增加，但邊緣的隆起量不再變化，說明邊緣量主要是由于淤泥層的存在造成的。

5 結 論

本研究針對濱海含淤泥層的深基坑的變形規律，采用變形監測分析和數值分析共同進行，探討了地面、支護樁、樁后土體的變形特性。得到以下結論：

(1)隨著開挖深度的增大和支撐的設置，樁體位移和土體水平位移的豎向分布發生變化。設置支撐前，支護樁成懸臂結構，樁頂位移最大，隨深度位移逐漸減小。設置支撐后，結構形式發生變化，樁體最大水平位移向下傳遞，最大位移的大小與樁端嵌固區的土體強度密切相關。

(2)在開挖深度的前兩個階段時，淤泥層的水平位移最大，淤泥層的存在是水平位移的主要影響因素。隨著開挖深度的增加，土體嵌固端土體的剛度和強度對水平位移的影響起控制作用。

(3)超載的作用是引起基坑邊緣附近土體隆起的主要原因，隆起幅度的大小與基坑開挖深度無關。超載作用位置處土體的沉降是開挖和超載共同作用的結果。