大尺寸三角形基坑變形特性的現場試驗研究

楊佳巖，余文瑞，丁 楚，陳 麗

(1.中國港灣工程有限責任公司， 北京 100027；2.中交四公局(北京)公路試驗檢測科技有限公司， 北京 100025；3. 河海大學 巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室， 江蘇 南京 210024；4.鎮江新區建設工程質量中心試驗室， 江蘇 鎮江 212132)

城市空間需求的急劇增長與土地資源緊缺這一矛盾日益突出，有效地開發利用地下空間迫在眉睫。為了緩解土地資源的緊缺，地下商場深基坑的開挖深度與日俱增。深基坑開挖不可避免地引起應力變化，進而導致土體位移[1-4]。一旦土體位移過大，將會影響鄰近房屋、隧道等構筑物的安全[5-9]。

地下商場和地鐵車站的深基坑形狀大都為矩形。由于施工場地的限制，工程中也有較多的圓形和三角形等異形基坑。為了確保深基坑開挖過程中基坑和鄰近構筑物的安全，大量學者研究了矩形深基坑的變形特性[1-3, 10-12]。基于軟黏土中六個矩形基坑的變形監測數據，Wang等[3]發現地下連續墻的最大側向變形介于0.13%H～0.43%H(H為開挖深度)。柏挺[13]發現地下連續墻的最大側移、地表最大沉降深受水平支撐豎向間距影響。劉念武等[14]發現隨開挖深度的增加，墻身側移不斷增大，且呈“兩頭小、中間大”的特征。Tan等[15]研究了圓柱形基坑開挖引起的地下連續墻變形和墻后沉降，發現圓柱形基坑變形主要受開挖直徑而不是地下連續墻插入比控制。

深基坑施工時，第一道混凝土支撐往往施加在地表以下1 m的位置。對于矩形基坑，混凝土支撐可同時垂直于支撐兩端的地下連續墻。因此，矩形基坑的連續墻頂位移很小。對于三角形基坑，混凝土支撐并不能同時垂直于兩端的地下連續墻，地下連續墻頂部可能存在較大變形。然而，大尺寸三角形深基坑變形特性的研究甚少。為了填補這一空白，本文開展現場試驗研究大尺寸三角形基坑開挖引起的側墻變形和墻后土體沉降。

1 試驗研究

1.1 工程概況

圖1為某大尺寸深基坑的平面圖。大型地下室的形狀大致呈三角形，開挖幾何尺寸為353 m×162 m×245 m，開挖深度為22.8 m。地鐵隧道位于大尺寸深基坑中間，將深基坑分為兩個主要開挖區間(A1和B1)和十五個小型開挖區間。本論文重點研究區間A1和B1開挖引起的地下連續墻變形和墻后沉降。

圖1 深基坑平面布置圖

1.2 工程地質條件

表1匯總了各軟土層的物理力學指標。現場鉆孔深度達到90 m，場地土層由9層組成。現場十字板剪切試驗所得黏土層的不排水抗剪強度Cu介于40 kPa～70 kPa之間。土體孔隙比e介于0.61～1.43之間，壓縮指數av介于0.10～0.38之間。基于固結不排水的三軸剪切試驗，各土體的有效摩擦角φ′介于25.3°～35.0°之間。在雜填土和粉質黏土下方存在一層厚度較大的軟黏土。此軟黏土的厚度為7.3 m，其力學性質較差，孔隙比e高達1.43，壓縮指數av為0.38，有效摩擦角φ′僅為25.3°，不排水剪切強度Cu為38.0 kPa。

基于現場地質勘查資料，地下水位位于地表以下0.18 m～1.45 m處。距離地表以下35.0 m處(砂質黏土層)存在砂質承壓水，此承壓水頭約為10 m。

表1 土層物理力學指標

1.3 深基坑圍護結構

本論文僅研究A1、B1區開挖引起的圍護墻變形和墻后土體沉降。由于A1和B1區開挖深度均相同，僅給出A1區的開挖剖面圖(見圖2)。A1和A2區分別分六個階段進行，每個階段開挖深度分別為1.2 m、5.0 m、4.8 m、4.5 m、4.3 m和3.0 m。A1和B1區圍護結構為厚度為1.0 m、深度為50 m地下連續墻。另外采用五道鋼筋混凝土支撐限制地下連續墻的水平向位移。在基坑底部，澆筑1.8 m厚的鋼筋混凝土底板。此外，基坑內側帷幕灌漿增加支護系統剛度。

圖2 深基坑剖面圖(單位:m)

為降低基坑開挖引起的墻體變形和土體沉降，基坑開挖從中心向外側擴散。首先開挖基坑中心區域的土體，圍護結構附近留有寬度為15 m～30 m土坡來限制墻體水平位移。當基坑開挖深度達到1.2 m(第一階段)，A1區和B1區的第一個混凝土支柱便被澆筑。開挖區A1中的第二至第六土層開挖直到開挖區B1中1.8 m厚的混凝土底板澆筑完成后才開始。

1.4 監測儀器

為了研究大尺寸深基坑的變形特性，采用測斜管測量地下連續墻的側向變形。在地下連續墻的混凝土澆筑前，將34根測斜管固定在鋼筋籠上，測量側壁撓度(見圖1)。沿地下連續墻深度每隔0.5 m至1.0 m測量地下連續墻的水平位移。

為了測量基坑開挖引起的地表沉降，沿開挖區A1和B1布置了9組沉降板(見圖1)，沉降板的間距為5 m。采用水準儀測量墻后地表沉降，精度為mm。基準點距離開挖現場約120 m(5.3He)處，該距離已超過深基坑開挖引起地表沉降的影響范圍[3]。因此，墻后土體沉降的監測數據是可靠的。

2 大尺寸三角形基坑變形特性分析

2.1 地下連續墻水平變形

圖3為A1和B1開挖區典型的地下連續墻水平位移變化規律。第一土層開挖引起的地下連續墻水平位移未測量。隨著深基坑開挖深度的增加，地下連續墻的水平位移快速增長。澆筑完1.8 m的混凝土底板后(第六階段)，深層水平位移依然持續發展。當5道混凝土支撐拆除后，地下連續墻產生了大量的附加變形。對選定的6個典型測點，拆除混凝土支撐產生的墻體附加水平位移約為開挖引起的墻體水平位移的30%～40%之間。

當深基坑開挖深度達到1.2 m，澆筑截面尺寸為1.2 m×1.0 m的水平支撐。但是，地下連續墻頂部的水平位移隨著深基坑開挖深度的增加而快速增加。這與矩形深基坑圍護墻頂部的水平位移很微小明顯不同[12]。另外，地下連續墻墻底的水平位移也隨開挖深度的增加而增大。擋土墻插入砂質黏土和細砂層中，墻底和墻頂相對較大的水平位移不可能是由細砂層變形引起的。支撐拆除后，所有地下連續墻頂部的側向位移約為其最大側向位移的40%～70%。A1和B1開挖區的支撐不能同時垂直于兩段的地下連續墻(見圖1)。因此，墻前、墻后不平衡的土壓力引起的偏心荷載施加在混凝土支撐上。隨著開挖深度的增加，不平衡土壓力增加，支撐所受的偏心力增加，引起混凝土內支撐的累積變形。因此，地下連續墻頂部和底部水平位移隨開挖深度增加而逐步增加。基坑B內3個測點在拆除支撐后，連續墻底部的最大水平位移較未拆除前有所減小,可能是因地連墻整體剛度較大發生整體轉動所導致。

2.2 連續墻最大水平變形與開挖深度的關系

圖4為地下連續墻最大水平位移(δhm)與開挖深度(H)間的關系。為了突出不同基坑形狀對地下連續墻變形的影響，矩形、圓形和三角形基坑引起的地下連續墻變形進行了對比分析。

隨著深基坑開挖深度的增加，地下連續墻最大水平位移(δhm)快速增加。當深基坑底部1.8 m厚底板澆筑完畢后，大尺寸三角形深基坑的地下連續墻的最大水平位移為0.05%H～0.35%H，平均值為0.20%H(H為基坑開挖深度)。發現圓形和方形基坑的地下連續墻水平位移明顯小于大尺寸的三角形深基坑。圓形和方形深基坑地下連續墻最大水平位移的平均值分別為0.5%H和0.10%H。這主要是因為圓形基坑的拱效應限制了地下連續墻變形。不同于矩形基坑，三角形深基坑的支撐不能同時垂直于支撐兩端的地下連續墻。施加在基坑內部的斜撐并不能很好的限制地下連續墻水平位移。

2.3 連續墻三維水平位移

圖5為地下連續墻的三維水平位移曲線。如圖1所示，沿A1和B1開挖區布置了34個水平位移的測定。比較分析每一段墻各個測點的水平位移，揭示地下連續墻的三維變形規律。當橫坐標為0.0和1.0時，測點位于地下連續墻的兩段；當橫坐標為0.5時，測點位于地下連續墻中間。如圖5所示，地下連續墻呈現出明顯的三維變形特性，地下連續墻中間位置的水平位移明顯大于兩端的變形。這是因為連續墻端部存在明顯的端部約束效應。

圖3 地下連續墻水平位移分布

圖4 墻體最大水平位移與開挖深度的關系

圖5 地下連續三維水平變形

2.4 墻后土體沉降

圖6為墻后土體沉降變形曲線。

圖6 墻后土體沉降

A1和B1區混凝土底板完工后，最大地表沉降為0.18%He(最終開挖深度)。深基坑開挖引起的墻后土體沉降寬度大于1.5He。Peck[10]提出與砂和軟至硬黏土中墻后地表沉降(δv/He)小于1%，軟至極軟黏土中墻后地表沉降(δv/He)大于1%。然后，現場試驗測量的地表沉降明顯小于Peck[10]提出的沉降預測范圍。這主要是因為此大尺寸三角形深基坑采用了1.0 m～1.2 m厚的地下連續墻和混凝土支撐的維護系統。

3 結 論

通過開展現場試驗，研究了大尺寸三角形基坑圍護結構及其墻后土體變形特性，得到如下幾點結論：

(1) 不同于矩形基坑，大尺寸三角形基坑地下連續墻頂部的水平位移約為其最大水平位移的40%～70%。深基坑開挖結束后，拆除混凝土支撐產生的明顯的墻體附加水平位移，約為深基坑開挖引起的墻體水平位移30%～40%之間。

(2) 大尺寸三角形深基坑地下連續墻的最大水平位移為0.05%H～0.35%H，平均值為0.20%H(開挖深度)。圓形和方形深基坑地下連續墻最大水平位移的平均值分別為0.5%H和0.10%H，明顯小于三角形深基坑的地下連續墻變形。這主要是因為三角形深基坑的支撐不能同時垂直于支撐兩端的地下連續墻。

(3) 由于地下連續墻端部存在明顯的端部約束效應，地下連續墻呈現出明顯的三維變形特性，墻體中部水平位移明顯大于兩端位移。

(4) 深基坑開挖結束后，墻后土體最大沉降δv約為0.18%He(最大開挖深度)，且墻后土體沉降的影響區域大于1.5He。