基坑遇水位移過大的分析與處理

許光，夏紅螢

（1．中南華鼎武漢巖土工程有限公司，湖北 武漢 430071；2．中南建筑設計院股份有限公司，湖北 武漢 430071）

1 引言

隨著城市日新月異發(fā)展，基坑支護工程技術日趨成熟，在勘察、設計、施工均具有較高技術水平的情況下，在基坑施工過程中仍出現(xiàn)一些安全事故。施工過程中存在諸多不確定因素，影響了圍護結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和效果。除了支護結(jié)構(gòu)和土體的力學性質(zhì)影響到基坑變形，土中水也是影響基坑變形又一不容忽視的重要因素。通過分析變形過大原因，采取及時有效搶險措施對事故進行處理，應急堵漏，從而控制基坑變形繼續(xù)發(fā)展。本文介紹了因樁邊化糞池漏水導致基坑長時間泡水引起較大變形后的應急措施，并進行抗剪強度指標、壓縮指標反算分析，對比彈性抗力法、有限元法與監(jiān)測結(jié)果，為以后的基坑支護工程設計、施工和后續(xù)類似工程項目提供參考。

2 工程概況和場地條件

2.1 工程概況

基坑工程位于湖北省鄂州市，主體部分為7 層建筑，設2 層地下室，基坑深度6．2～8．2m，基礎采用墩基礎和樁基礎。基坑東西向長180m，南北向?qū)?20m，周長約650m，垂直開挖面積約15000m2。

基坑邊線距離其北側(cè)的沿湖路最近5m，沿湖路外為洋瀾湖。基坑邊線距離其東側(cè)的東城路路邊最近25m，基坑到紅線邊范圍內(nèi)考慮施工車輛荷載。基坑邊線距離其西側(cè)的沿湖路最近6m，沿湖路外為洋瀾湖。基坑邊線距離其南側(cè)的居民住宅小區(qū)最近16m。施工進場后，西南角處設置臨時項目宿舍，距離支護樁邊4m。基坑南側(cè)臨時設置衛(wèi)生間，距離支護樁邊5m，臨時化糞池距離支護樁0．7m。

圖1 基坑周邊環(huán)境圖

2.2 工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件

該場地土質(zhì)情況較好，抗剪強度指標較高，承載力特征值較高，壓縮模量較高。地勘揭露地層情況如下。

①素填土：雜色，稍濕，由黏性土夾少量建筑垃圾和生活垃圾組成，填筑時間大于15 年。松散狀態(tài)，天然重度為18kN/m3，粘聚力為10kPa，內(nèi)摩擦角為8°；

②黏土：黃色，稍濕，硬塑狀態(tài)，含少量鐵錳氧化物及高嶺土。硬塑狀態(tài)，天然重度為19．4kN/m3，粘聚力為45kPa，內(nèi)摩擦角為15°，承載力特征值為300kPa，壓縮模量為13MPa；

③-1 強風化砂巖：泥鈣質(zhì)膠結(jié)，大部分已風化成土夾碎塊狀或碎塊狀，巖石基本質(zhì)量等級屬V 類，極軟巖。承載力特征值為400kPa，壓縮模量為44MPa；

④-2 中風化砂巖：粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，鐵質(zhì)膠結(jié)，層狀構(gòu)造，主要礦物成份為長石、絹云母和鐵質(zhì)，遇水浸泡易崩解、軟化，巖石基本質(zhì)量等級屬Ⅳ類，較軟巖。承載力特征值為1800kPa，壓縮模量為44MPa。

⑤-1 強風化閃長巖：巖石礦物成分為斜長石、鈉長石、角閃石、石英、黑云母等，巖芯多呈砂土夾碎塊狀或碎塊狀。承載力特征值為600kPa，壓縮模量為48MPa；

⑥-2 中風化閃長巖：中細粒結(jié)構(gòu)，碎塊狀或塊狀構(gòu)造，巖石主要礦物成分為斜長石、角閃石、石英、黑云母等，巖石節(jié)理、裂隙較發(fā)育，巖體基本質(zhì)量等級Ⅳ級，較硬巖。承載力特征值為3000kPa，壓縮模量為48MPa。

圖2 南側(cè)JK段地層剖面圖

場區(qū)地下水有兩種類型：賦存于①素填土層中的上層滯水有一定水量，受大氣降水和洋瀾湖水補給。在基坑開挖后，淺部土層中的地下水會以匯水點的形式滲入基坑，對坑壁產(chǎn)生浸蝕和滲透破壞，影響基坑安全及坑內(nèi)生產(chǎn)作業(yè)，采取掛網(wǎng)噴混凝土進行隔滲，結(jié)合泄水孔導流疏排；賦存于第⑤-1 層強風化閃長巖中的承壓水，承壓水含量極少，對基坑影響不大。

2.3 場區(qū)條件及基坑布置

基坑南側(cè)JK段，原設計懸臂排樁支護，樁直徑700mm，間距1200mm，樁長12．5m，懸臂6．2m，如圖4所示。基坑南側(cè)為施工單位臨時搭建的開水房、洗衣服、衛(wèi)生間，共兩層板房，距離支護樁3．5m，化糞池距離支護樁0．6m，如圖3所示。

圖3 南側(cè)JK段平面圖

圖4 南側(cè)JK段剖面圖

基坑初始設計時，總包單位未進場，南側(cè)僅考慮走車荷載25kPa及南側(cè)居民樓建筑荷載（20kPa/層），基于彈性抗力法計算得到樁頂位移為9mm，如圖5 所示。后考慮增設的臨時建筑，按40kPa考慮，彈性抗力法計算得到樁頂位移為15mm。

圖5 原設計懸臂排樁土壓力、位移、彎矩、剪力圖

3 施工現(xiàn)場的基坑變形

3.1 監(jiān)測結(jié)果

基坑支護施工期間以及土方開挖完成后（10 月25 日）基坑監(jiān)測顯示位移速率穩(wěn)定，最大位移18mm，與設計圖紙要求的最大控制位移20mm 相吻合。監(jiān)測系統(tǒng)顯示，11 月14 日基坑南側(cè)JK 段位移突變，冠梁上出現(xiàn)40～70mm 水平位移，超過限值（40mm）。現(xiàn)場踏勘可觀察到支護排樁向基坑內(nèi)傾斜，最大裂縫達50mm，如圖6 所示，基坑其他段位移均很小，均在20mm以內(nèi)。

圖6 基坑南側(cè)JK段排樁變形、冠梁開裂照片

3.2 原因分析

現(xiàn)場踏勘發(fā)現(xiàn)，JK段支護樁后側(cè)0．6m處的化糞池破裂大量漏水，經(jīng)分析和計算復核，基坑變形大的原因有以下幾點：

①化糞池大量漏水后，基坑外側(cè)水位上升，樁后水未及時排走，主動區(qū)的水壓力增加，與原設計支護樁受力發(fā)生變化，具有較大差異；

②正常狀態(tài)下老黏土強度較高，壓實性較好，土體顆粒結(jié)構(gòu)致密。經(jīng)過化糞池漏水浸泡，土體結(jié)構(gòu)發(fā)生微觀變化，粘聚力降低，內(nèi)摩擦角削弱，老黏土的抗剪性能大大削弱，大打折扣；

③后來臨時搭建的板房荷載在原設計中未考慮，此處荷載變化情況也未告知設計單位進行復核。

3.3 處理方案

基坑泡水后，側(cè)壁老黏性土抗剪性能明顯降低，單排懸臂支護樁不能滿足基坑位移控制要求，如考慮在現(xiàn)狀支護樁后排再打一排支護樁，形成雙排樁受力模式，在理想狀態(tài)下可有效控制變形，但考慮支護樁施工需一定時間，在施工及發(fā)揮受力作用過程中，基坑仍會急劇變形，而且樁后施工短期內(nèi)會帶來施工機械荷載、動力荷載等擾動。如考慮增設角撐或?qū)危炷林涡枰^長養(yǎng)護時間，鋼支撐對設計跨度要求較局限，且南側(cè)較大變形段與西側(cè)距離較遠，需要另外加設立柱。錨桿具有施工快捷，施工操作面便利，受力性能好等優(yōu)勢，綜合考慮后，擬采用樁間加設錨桿形成樁錨體系作為加固措施。

基坑發(fā)生過大變形后，現(xiàn)場立即啟動應急預案，采取了以下多種加固處理的措施。

①沙袋反壓

基坑內(nèi)側(cè)反壓4m 高的沙袋，抵消一部分支護樁所受主動土壓力，相當于增加了被動土壓力。

②挖除化糞池并臨時卸土

將化糞池挖除，切斷漏水來源，防止土體繼續(xù)受水浸泡，同時坡頂臨時卸土，減少主動土壓力。

③增設錨桿

由于場地原因無法進行補勘提供受水浸泡后的土體抗剪強度，通過試算、反算，粘聚力、內(nèi)摩擦角分別折減至30kPa、10°時，樁頂位移達到65．4mm，基本與當時發(fā)生的變形相匹配。反算結(jié)果如圖7。

圖7 按折減值計算的土壓力、位移、彎矩、剪力圖

經(jīng)過反算得到折減后的抗剪強度參數(shù)（c=30kPa、φ=10°）后，對基坑JK段進行重新設計，在樁頂下2．5m 處設計增加一排成孔直徑150mm、11m 長的錨桿，如圖8 所示，此時樁頂最大位移為21mm，滿足規(guī)范要求，如圖9所示。

圖8 增設錨桿后的剖面圖

圖9 增設錨桿后的土壓力、位移、彎矩、剪力圖

4 結(jié)果分析

4.1 加固處理后的實施效果

加固處理后，坡頂臨時卸土處進行重新回填，坑內(nèi)反壓沙包清除，地下室繼續(xù)正常施工，并加強基坑監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果顯示，10 月25 日前基坑變形趨于平緩，最大位移一直控制在20mm 之內(nèi)；在10 月25 日至11 月14 日區(qū)間，最大位移陡增，由20mm 增加到70mm。在11月20 日坑頂卸土、增設錨桿之后，支護樁水平位移不再繼續(xù)發(fā)展，維持在70mm 左右。到基坑將回填時，測得樁頂水平位移72mm，如圖10所示。

圖10 支護樁頂水平位移隨時間變化

4.2 三維數(shù)值模擬分析

通過PLAXIS3D對基坑進行模擬，采取設置多個鉆孔的形式，在化糞池漏水附近設置4個鉆孔，按照反算折減考慮，其他地方選取初始地勘報告中鉆孔的土層分層與參數(shù)。選擇土體硬化本構(gòu)模型，能良好模擬剪切硬化、壓縮硬化、莫爾庫侖破壞準則。主偏量加載下參考割線剛度模量E50ref按壓縮模量Es的1．5倍考慮，主壓縮下參考切線剛度模量Eoedref按壓縮模量Es的1．5倍考慮，卸載與再加載楊氏模量Eurref按壓縮模量Es的4．5倍考慮。通過試算、反算，粘聚力、內(nèi)摩擦角分別折減至30kPa、10°時，壓縮模量（主偏量加載下參考割線剛度模量、主壓縮下參考切線剛度模量、卸載與再加載楊氏模量）折減0．6倍，樁頂位移達到75mm，基本與當時發(fā)生的變形相匹配。基坑最大位移發(fā)生在漏水處，即土體抗剪強度和壓縮模量折減處，發(fā)生最大位移74．8mm，如圖11所示，截取典型剖斷面圖樁后土體位移68．7mm，如圖12所示。

圖11 基坑變形云圖

圖12 基坑變形剖斷面圖

在JK 段增設一排錨桿，按點對點彈簧考慮。JK 段坑頂卸土，坑頂荷載相應減小。計算得到JK 段樁頂位移達到23mm，鄰近未增設錨桿段位移40mm，如圖13 所示，截取典型剖斷面圖設置錨桿處的樁后土體位移23．7mm，如圖14所示。對比增設錨桿段和未增設錨桿段，錨桿對基坑有良好變形控制作用。

圖13 基坑加固后變形云圖

圖14 基坑加固后變形剖斷面圖

數(shù)值模擬中，錨桿按照開挖前施加的工況，與實際施工中已發(fā)生較大位移后補加錨桿有一定差異，故在實際監(jiān)測中，位移達到70mm 后幾乎不增加，保持在70mm，基坑變形具有累積效應，變形不可恢復。而在數(shù)值模擬中位移保持在40mm。

4.3 彈性抗力法、有限元法與監(jiān)測結(jié)果對比分析

在發(fā)生化糞池漏水前，彈性抗力法計算得到樁頂最大水平位移為9mm，與監(jiān)測得到的18mm 接近，位移均很小，這是由于老黏性土具有較高粘聚力和內(nèi)摩擦角指標，基于彈性抗力法理論計算得到的位移較小，實際施工過程中，基坑變形控制較好。在發(fā)生化糞池漏水后，監(jiān)測得到的最大變形70mm 遠大于初始彈性抗力法理論計算結(jié)果和原始狀態(tài)下施工監(jiān)測結(jié)果。老黏性土經(jīng)過一定時間泡水，土體力學性能大大削弱，通過對粘聚力和內(nèi)摩擦角的折減，維持支護樁尺寸、樁長、配筋設計不變，重新基于彈性抗力法理論進行核算，得到最大變形65．4mm，還原了施工現(xiàn)場變形效果。以折減后的粘聚力和內(nèi)摩擦角作為設計依據(jù)，加設錨桿參與計算，彈性抗力法計算得到最大位移21mm。以折減后的粘聚力和內(nèi)摩擦角以及壓縮模量，進行有限元法數(shù)值模擬輔助驗算，在漏水區(qū)附近另設鉆孔，得到未加設錨桿工況下最大變形74．8mm，加設錨桿工況下最大變形23．2mm。

對比彈性抗力法、有限元法與監(jiān)測結(jié)果，得到以下結(jié)論：

①在不考慮土體泡水情況下，彈性抗力法計算結(jié)果比實際監(jiān)測結(jié)果偏小，可能是由于現(xiàn)場施工擾動、臨時辦公用房荷載、環(huán)境條件復雜等情況，造成實際施工變形比理論計算略微偏大，但在合理范圍；

②在土體長時間泡水后，實際施工監(jiān)測位移遠大于理論計算結(jié)果，考慮是由于土體長時間泡水，土體顆粒變得松散，水壓力對基坑側(cè)壁有一定不利影響；

③基坑長時間泡水后，土體抗剪強度指標、壓縮變形指標按照折減考慮，折減后彈性抗力法、有限元法均與監(jiān)測結(jié)果接近。加設錨桿后，彈性抗力法、有限元法最大變形結(jié)果均較小，有限元法計算結(jié)果偏大偏保守。實際監(jiān)測結(jié)果位移總量比彈性抗力法、有限元法均明顯較大，但位移增量較小，與彈性抗力法、有限元法反映的趨勢一致。實際施工中，基坑變形是累加的，不可逆轉(zhuǎn)的，而理論計算中按照加設錨桿工況考慮，未考慮之前無錨桿狀態(tài)下的變形量累計，故有一定數(shù)據(jù)誤差。

5 結(jié)論

本項目原始地質(zhì)條件較好，基坑側(cè)壁土層以硬塑狀態(tài)的老黏性土為主，天然狀態(tài)下的抗剪強度指標較高，具有良好的自穩(wěn)性，采用懸臂支護樁能滿足要求且計算位移很小。項目施工過程中由于基坑邊臨時搭建的板房和鄰近支護樁處的化糞池大量漏水，導致老黏性土抗剪強度降低，支護樁受力狀態(tài)發(fā)生較大改變，現(xiàn)場位移變形遠超原設計理論計算值，支護排樁變形嚴重，冠梁出現(xiàn)過大裂縫。通過采取多種加固處理措施，基坑趨于穩(wěn)定，并采取彈性抗力法和有限元法進行理論驗算，得出以下結(jié)論：

①采用反壓沙袋、坡頂卸土能快速防止排樁位移的繼續(xù)發(fā)展，效果顯著；增設一排錨桿，可有效解決原設計支護樁不能承受變化后的土壓力問題，并有效控制變形發(fā)展，為基坑繼續(xù)施工創(chuàng)造了條件；

②老黏土在天然狀態(tài)下具有良好的力學性能，但長期泡水后，抗剪強度指標降低。由此得到施工經(jīng)驗，應做好坑頂坑底截排水溝和集水坑，做好及時抽排，盡量保持基坑干燥。支護樁間做好泄水孔，避免樁后水壓力增高。遇到老黏性土的地層，應尤為重視地下水問題，避免長時間泡水狀態(tài)下，土體性質(zhì)發(fā)生較大變化，不符合初始理論計算的前提條件。遇到老黏性土情況，應尤為重視特殊工況下施工效果；

③由于基坑工程的時間效應、時空效應、變形累積效應，數(shù)值模擬結(jié)果與施工監(jiān)測結(jié)果有一定差異性中，其原因主要是實際施工中先發(fā)生較大位移后增設錨桿，基坑變形不可恢復，但錨桿有效控制了進一步位移增加。加設錨桿后，兩種計算方法的結(jié)果均滿足變形控制值的要求，其中彈性抗力法計算結(jié)果較小，有限元法計算結(jié)果較彈性抗力法偏大偏保守。從數(shù)值模擬結(jié)果看到，增設錨桿段比未增設錨桿段位移控制明顯較好，錨桿對基坑有良好變形控制作用；

④施工過程中如發(fā)生與原設計不同的荷載條件（如臨時建筑、化糞池等），應及時告知設計單位復核。施工過程也應盡可能避免引起地下水短時間大量匯集的突發(fā)情況。施工實施時，應嚴格按照圖紙要求滿足設計尺寸、配筋、混凝土強度等，確保施工質(zhì)量；

⑤基坑支護設計時，應進一步加強考慮遇水問題、超載問題，對土層參數(shù)適當折減，荷載按不利考慮，在原始設計基礎上進行額外的不利條件驗算，面對突發(fā)狀況保留一定富余；

⑥事故很多是因為“水”的問題引起的，除了重視“土”的計算，不能忽視“水”對基坑的影響，在基坑施工過程中一定要做好截排水、泄水等措施。