某深基坑立柱豎向位移實測分析

徐宏妍

（南京東大巖土工程勘察設計研究院有限公司，南京 210007）

1 引言

目前在深基坑工程中，內支撐體系的應用已愈發廣泛。在實際工程中立柱作為內支撐體系中的重要組成部分，設計人員往往更重視其是否滿足承載力，而容易忽略立柱在土方開挖過程中位移變化對整個支撐體系的影響。在基坑監測過程中，監測人員也常常忽視立柱的變形發展情況。立柱的抬升和沉降會導致支護結構實際受力情況與設計工況不符，情況嚴重時，變形不受控制將成為基坑支撐體系的安全隱患。立柱產生豎向位移的因素主要有坑底隆起（坑底回彈）、豎向荷載、溫度作用、施工誤差大小、承壓水、混凝土收縮徐變等[1]。立柱豎向變形往往是多因素共同作用的結果，其中坑底隆起（坑底回彈）和豎向荷載是最主要的兩個因素。

深基坑立柱發生豎向位移（抬升或下沉）是一個隨土方開挖而不斷變化的動態過程。坑內外土壓力差而導致的坑底隆起和卸荷作用導致的坑底回彈是使立柱樁產生抬升趨勢的最主要因素，拆除支撐后作用在立柱上的豎向荷載減小也會使立柱向上回彈[2]。坑底隆起量的大小與工程地質水文條件和圍護結構剛度相關，參數選取和理論模型都難以定量計算。豎向荷載（含自重）能夠使立柱產生下沉趨勢，另外，欠固結軟土或地下水位快速下降而導致的負摩阻力也會讓立柱樁有下沉趨勢。而溫度作用、混凝土收縮徐變以及立柱樁端土體因立柱抬升時產生的應力釋放等對立柱的豎向位移影響都是較小的[3]。由于引起立柱抬升和下沉的因素較多，且動態變化、機理復雜，立柱的變形往往難以預測，同一支撐體系內的立柱變形也不均勻，很多實際工程的監測數據也證明了這一點。立柱豎向位移定量計算困難，要通過分析實時監測數據來把握其變形發展，指導施工，從而避免支撐體系內局部產生較大的附加應力而引發支撐體系不穩定。

2 工程概況

2.1 項目概況及工程水文地質條件

某深基坑工程開挖面積約55 000 m2，周長約940 m，基坑挖深為15.80~16.80 m，場地周邊較為開闊。

對工程有影響的地下水主要為潛水和第Ⅰ層承壓水。潛水主要埋藏于②1層砂質粉土層，穩定水位埋深1.23 m。第Ⅰ層承壓水主要埋藏于③1層砂質粉土層和③4層粉砂層中（具連通性），穩定水位埋深4.30m。

2.2 支護結構設計

本工程開挖面積大、挖深較深、水文地質條件較為復雜（分布有較厚的中密、密實、滲透性極強的砂性土和較厚的流塑狀淤泥質粉質黏土），支護結構側壁安全等級為一級。支護結構設計以基坑安全為前提，綜合經濟成本、施工便利和實際地質條件，北側和東側圍護結構采用地下連續墻，西側和南側圍護結構采用鉆孔樁結合TRD工法，內支撐采用兩層鋼筋混凝土環撐[4]。圍護結構嵌固深度20 m，立柱樁采用鉆孔灌注樁，樁徑800~1 000 mm，基坑開挖面下樁長26.0~36.0 m。立柱采用550 mm×550 mm鋼格構柱。

3 立柱豎向位移實測值分析

本文選取布有監測點的立柱所實測得到的監測值進行比較分析，立柱監測點布設于基坑中部、多根支撐交匯處、地質條件復雜處、承受荷載較大處的立柱上，并布設于立柱上端或側面，如圖1所示。

圖1 基坑立柱監測布置圖

3.1 各開挖工況下實測值分析

1）3月22日—4月4日，第1層支撐已具備設計強度，環撐中部土方開挖至2層支撐標高，立柱主要承受側向土壓力和頂部豎向荷載影響，大部分立柱以下沉為主。

2）4月4日—4月8日，東北側支撐下方土體開挖，開挖范圍內立柱仍以下沉為主，因非對稱開挖，導致對向西南側的立柱則抬升較為明顯。

3）4月9日—4月23日，東側、北側和南側、西側土方先后開挖至2層支撐標高處，2層支撐已施工。因非對稱開挖土方使得整個支撐體系內的受力不均衡。開挖順序對立柱的抬升和沉降影響較大，難以反映出土方卸荷和豎向荷載對立柱豎向位移的影響大小。但當土方全部開挖至2層支撐標高后，除少量立柱變化較大外，大部分立柱的豎向位移表現為回調，即已經抬升的立柱下沉，而下沉的立柱也有所抬升。同時，整個支撐體系內的軸力變化較小，整體向受壓區收斂。4月24日—5月6日環撐中部開挖到坑底，所有立柱均下沉。

4）5月7日—5月14日，先開挖東側和北側支撐下部土方，東側和北側的立柱先抬升后下沉，而對向西側和南側的立柱下沉，這主要是不對稱開挖導致的。

5）5月14日—6月8日，大面積開挖支撐下土方，除出土口處立柱表現為受壓外，其余立柱均表現為抬升，位移突變后大部分立柱位移表現為緩慢抬升，5月15日，立柱位移發生突變是因為環撐中部區域進行了墊層施工，限制了環撐中部土體的隆起回彈。

6）6月9日—8月2日，墊層施工至底板澆筑施工完成，立柱抬升或下沉的趨勢已穩定，僅因豎向施工荷載變化而使立柱發生較小變化。此外，棧橋立柱因是最后開挖土方和施工墊層，其立柱位移由下沉轉為抬升。仍有少量5月7日—5月14日先開挖東側和北側支撐下部土方，東側和北側的立柱先抬升后下沉，而對向西側和南側的立柱下沉，這主要是因為不對稱開挖導致的。

7）5月14日—6月8日，大面積開挖支撐下土方，除出土口處立柱表現為受壓外，其余立柱均表現為抬升，5月15日，立柱位移發生突變是因為環撐中部進行了墊層澆筑施工。

8）8月3日—9月29日，底板澆筑完成至1層支撐拆除，立柱的位移波動較小。從8月25日2層支撐對稱拆除到9月2日拆撐完成，所有立柱均抬升，且前期抬升位移量較大，后期平緩，同時，圍護結構豎向位移變化與立柱的變化一致。圍護結構和立柱抬升主要是因為豎向荷載變小而引起的。

3.2 立柱位移對支撐軸力和支撐體系穩定性的影響

立柱對支撐軸力的影響在于節點位移變化會使支撐產生附加彎矩。在受力簡單的對撐或角撐體系內，通過計算立柱與圍護結構的差異沉降來估算附加彎矩有參考意義，但在類似于本工程這種大環撐、多節點、受力復雜的支撐體系中，附加彎矩的估算比較困難[5]。通過本工程的監測數據統計，立柱在位移變化明顯時，支撐軸力并沒有明顯增加或減小，僅在2層支撐拆除時，立柱抬升與1層支撐軸力增加表現出正相關性。隨后在立柱緩慢抬升過程中，1層支撐軸力略有減小并趨于穩定。

立柱與圍護結構的差異沉降影響支撐體系的穩定。本工程中，立柱的豎向位移與圍護結構的位移變化趨勢高度一致，差異沉降較小，導致這種情況的主要原因是土方開挖初期非對稱開挖造成的整個體系受力不均衡，整個體系在初期就產生了豎向形變，使得局部立柱和圍護墻發生了不可逆的抬升或下沉，這種位移量雖然很小，但直至底板澆筑，立柱和圍護墻抬升或下沉的趨勢也沒有本質改變[6]。立柱和圍護結構協調變形，差異沉降小則對支撐軸力產生的附加彎矩較小。本工程支撐梁為現澆鋼筋混凝土梁，立柱為鋼格構柱，相較于鋼支撐體系，本工程支撐體系的變形協調更好。

4 結論

1）立柱和圍護結構作為支撐體系的組成部分，受整個體系受力情況的制約，土方開挖如不按設計工況進行，不均衡的受力勢必會使整個體系在初期就產生一定的位移趨勢，且這種趨勢較難逆轉。本工程中，內支撐采用環撐，強調對稱開挖。實際施工時，非對稱開挖會導致部分立柱下沉、部分立柱抬升，直至底板澆筑，立柱和圍護墻抬升或下沉的趨勢也沒有本質改變，但合理的開挖順序會改善這種趨勢，實際施工中應盡量保證對稱開挖，以控制立柱的下沉和抬升。

2）立柱對支撐軸力和支撐體系穩定的影響主要在于立柱與圍護結構的差異沉降量。僅從立柱位移情況異常而判斷支撐體系不穩定是片面的，應要結合圍護結構豎向位移變化情況和軸力變化情況進行綜合分析。本工程中，立柱和圍護結構變形基本協調一致，軸力未因立柱位移突變而明顯改變，整個體系穩定。

3）對環撐而言，環撐中部底板墊層澆筑限制了土體隆起回彈，進而導致了立柱抬升；底板澆筑也限制了立柱豎向位移的變化。拆撐過程中立柱抬升，主要原因是鋼格構柱因豎向荷載減少而發生的彈性變化。根據本工程監測數據可知，在拆下道支撐時，立柱有所抬升的同時上層支撐軸力也有一定程度的增加，且同期圍護結構的水平位移變化很小，這說明，上層支撐軸力的增加主要是立柱與圍護結構差異沉降產生附加彎矩而導致的。相較于圍護墻，2層支撐被拆除后，立柱抬升速率更快、抬升量也更大。

4）內支撐支護設計要結合安全、經濟、工期和實際土建施工條件，概念上要把握住安全控制要求，密切聯系實際施工，掌握基坑實際情況與設計假設條件差距多少。基坑監測設計也要抓住重點區域和關鍵工況，及時為設計單位、施工單位和管理單位提供實測數據，反映現場變化情況。