随着经济快速发展和城市化进程加速, 与高层建筑、地铁项目相关的深基坑工程不断增多, 如何确保基坑工程安全可靠地实施是首要任务。基坑工程设计与施工已由过去强度控制转变为变形控制^[1], 即以基坑围护墙体变形大小及速率来评价基坑安全状态;与此同时, 深基坑变形预测是深基坑设计的重要参考依据。目前, 对基坑变形预测主要有数值模拟和经验统计2种方法^[2,3]: (1) 数值模拟法主要受选取的数学模型和参数影响较大, 而地质土层的复杂不均匀性使得该方法有一定的局限性; (2) 经验统计法结合大量实际工程数据, 简单可靠, 操作性强, 得到了广大工程人员认可。

由于工程和水文地质条件具有明显的区域特点, 基坑变形不可避免地受其影响, 已有部分学者对不同地区深基坑变形开展统计研究。成峰等^[4]和李淑等^[5]分别统计研究了北京地区深基坑变形和地铁车站深基坑地表变形规律;文献[1,3,6,7,8]对上海地区深基坑实测变形数据进行收集, 分析了深基坑 (主要是地下连续墙) 变形特性;武朝军等^[9]和张德富等^[10]分析了苏州地铁基坑变形规律并与其他地区做了对比;杨永文^[11]和刘念武等^[12]对杭州软土地区地下连续墙变形特性进行了总结;麻凤海等^[13]采用统计分析和数值拟合方法对大连地铁车站基坑变形特征进行了研究;乔亚飞等^[2]对无锡地区地铁车站深基坑变形特性进行了统计分析。以上文献均对某一地区的基坑变形规律进行了较好的统计总结, 得到一些有意义的成果, 对该地区的基坑工程理论与实践发展起到积极作用。然而, 现有文献尚未对华南地区 (如广州、深圳等地) 的基坑变形进行总结分析, 该地区广泛分布着花岗岩残积土 (为特殊土的一种) , 该地区基坑开挖必然不同于其他地质土层。因此, 基于这一区域工程地质特点, 收集了该地区部分深基坑实测数据, 结合已有其他地区统计研究结果, 对比分析了花岗岩残积土地区深基坑变形规律。

花岗岩残积土是特定气候、地理、地质环境的产物, 具有特殊的成分和结构特征, 其工程地质性质与一般土不尽相同, 属于区域性特殊土^[14]。华南地区气候湿热多雨, 形成了独特的地质条件, 广泛分布着花岗岩残积土, 天然状态下具有高强度、高孔隙比和低密度、中低压缩性等特点^[15]。颗分试验揭示其不均匀系数大、曲率系数小, 说明残积土粗细颗粒含量不均匀且级配不连续。另外, 工程地质勘察结果一般根据含砾或含砂量将花岗岩残积土分为黏性土、砂质黏性土和砾质黏性土, 其透水性较差, 遇水易崩解软化, 丧失强度。基于这一区域工程地质特点, 对深基坑变形特性进行统计分析, 具有重要的理论价值和工程意义。

工程实践表明, 基坑变形主要表现为2种模式^[2]: (1) 围护结构变形呈现“大肚形” (见图1) , 墙后地表沉降为“凹槽形”, 围护墙体最大侧移位置在基坑某一深度处, 即d_hm>0; (2) 围护结构呈现“倒三角”变形, 即d_hm=0, 墙后地表沉降也为“三角形”。研究表明^[16], 基坑变形特征主要由基坑开挖深度、支撑情况、围护结构类型等因素综合决定。在不考虑由基坑降水引起的地表沉降前提下 (即围护结构防渗均良好) , 墙后地表沉降模式主要由基坑围护结构本身变形类型和大小决定。因此, 本文对基坑变形的研究主要从基坑围护结构的变形角度进行统计分析。表1为花岗岩残积土地区13个深基坑实测数据统计, 包括6个无支撑建筑深基坑, 1个有支撑建筑深基坑和6个有支撑地铁深基坑, 基坑开挖深度为10～32m。

基坑围护结构侧向水平位移是衡量基坑安全稳定状态的重要指标之一。研究发现^[1,16]围护结构水平位移大小与围护结构设计类型、地质土层、有无支撑等因素紧密相关。图2为统计得到的花岗岩残积土地区基坑围护结构最大水平位移δ_hm和开挖深度H_e关系。为更好地探讨本地区基坑变形特性, 汇总了国内其他地区基坑变形统计数据, 如表2所示。可以看出统计的深基坑工程大部分是有支撑的, 只有少量的建筑基坑没有支撑, 但一般采用预应力锚索或锚杆加固。

不考虑基坑类型影响, 从图2、表2中可以看出, 本地区基坑围护墙体最大水平位移整体上随基坑开挖深度的增加而逐渐变大, 基本在0.04%H_e～0.31%H_e (即9.01～57.00mm) , 平均值为0.13%H_e (即23.55mm) , 这与北京^[4] (0.04%H_e～0.29%H_e, 平均值0.10%H_e) 、大连^[13] (0.11%H_e～0.27%H_e, 平均值0.16%H_e) 、无锡^[2] (0.05%H_e～0.25%H_e, 平均值0.12%H_e) 等地区统计得到的结果较接近, 而同上海^[1,3,6,7,8]、杭州^[11]、苏州^[9,10]的结果相差较远。分析其主要原因是, 花岗岩残积土地层如北京、大连、无锡等地区土层条件较好, 自然状态下均具有较高的力学强度, 在基坑开挖过程中, 围护墙体后方土体对围护墙体侧向挤压较弱;上海、杭州、苏州均为软土层广泛分布区, 该地区基坑围护墙体受软土层侧向挤压作用更显著。可以推断, 即使花岗岩残积土具有较高的力学强度, 但其还有遇水软化、颗粒级配不连续的特点, 若围护结构及坑底防渗性能较差, 造成地下水位下降较大或水土流失较严重, 则基坑围护墙体及周围地表变形变得更复杂而危险, 因此, 在该地区进行基坑设计与施工时, 必须满足基坑围护墙体防渗性能要求, 这样其他要求可与一般基坑类似。

图3为统计的花岗岩残积土地区基坑围护结构最大水平位移位置深度d_hm与基坑开挖深度H_e关系。除文献[21]中所研究基坑最大水平位移在坑顶位置, 可能是由于其基坑开挖深度较小, 仅有10m, 其他基坑最大水平位移均在某一深度处, 且随着开挖深度增加, 基坑围护墙体最大水平位移位置深度不断增大。最大水平位移位置d_hm基本位于0.27H_e～0.86H_e (即3.00～15.00m) , 平均值为0.56H_e, 与北京地区0.50H_e基本一致, 这可能与所处地区土质条件均较好有关;但与同样土质条件较好的无锡地区 (d_hm=0.90H_e) 相差较大 (靠近坑底附近) , 这可能由于地区间的施工工艺不同导致的。对于软土地区, 基坑最大水平位移位置基本位于 (H_e±5) m, 即基坑底部上下, 可见地质土层对基坑变形最大位置深度的影响较为明显。

不同基坑支护类型对开挖引起变形的控制能力也不同, 应根据设计和施工要求选用不同的基坑支护形式。现有文献尚未对同一地区的基坑类型影响因素进行详细研究, 故对含花岗岩残积土地区基坑支护类型这一影响因素进一步分析, 如表3所示^[17], 根据支护桩 (墙) 形式、支撑情况可将现有统计的基坑支护主要分成以下3类: (1) 采用钻 (冲) 孔灌注桩+预应力锚索 (杆) 形式的建筑基坑; (2) 采用地下连续墙+支撑形式的地铁基坑; (3) 采用钻孔灌注桩+支撑的支护形式。从表3中易知, 建筑基坑 (平均H_e=16.00m) 相比地铁基坑 (平均H_e=23.00m) 而言, 平均开挖深度要小, 平均最大水平位移较为相近, 平均最大水平位移位置深度稍小一些, 但其相对水平位移 (δ_hm/H_e) 较大一些, 这主要是因为建筑基坑的预应力锚索 (锚杆) 没有地铁基坑的内支撑强度更大和发挥更及时, 预应力锚索 (杆) 还易出现预应力损失或松弛现象, 对支护桩体侧向约束更不利。然而, 对于本文划分的第3类深基坑, 如深圳平安金融中心深基坑, 采用了内支撑方法, 该基坑开挖深度最大, 但相对水平位移比第2类还小, 说明支撑结构在该基坑发挥了重要作用。因此, 可以判断对于含花岗岩残积土地区, 采用内支撑结构的基坑工程, 其围护结构抵抗变形能力会更好。

此外, 从表2中还可以看出。杨永文等^[11]统计的杭州地区采用钻孔灌注桩+支撑形式的基坑平均水平位移要比上海地区^[1,3,6,7,8]采用地下连续墙+支撑形式的大很多;张德富等^[10]统计的地铁基坑采用地下连续墙+支撑结构的围护墙体水平位移比采用SMW工法桩和咬合桩+支撑结构的要小一些, 以上基坑均采用了支撑结构, 但是采用地下连续墙结构的侧向变形明显小很多, 说明地下连续墙结构要比其他围护结构形式整体刚度更好。因此含花岗岩残积土地区可根据实际需要选择合适的围护结构及支撑形式保证基坑工程安全、经济、可靠地实施。

结合国内其他地区对基坑变形特性的分析总结, 对花岗岩残积土地区深基坑围护结构变形数据进行统计分析, 主要得出以下结论。

1) 基坑围护结构最大水平位移为0.04%H_e～0.31%H_e, 平均值为0.13%H_e, 与北京、无锡等地质条件较好的地区基本一致。

2) 基坑最大水平位移位置深度d_hm为0.27H_e～0.86H_e, 平均值为0.53H_e, 即位于开挖深度一半附近。

3) 采用内支撑的地铁基坑围护结构相对变形比采用预应力锚索 (杆) 的建筑基坑抵抗变形能力更强, 即内支撑加固作用更为显著;另外, 地下连续墙结构比其他围护结构形式刚度大, 抵抗变形能力也更强。

4) 本文统计到花岗岩残积土地区文献均未受到水的太大影响, 由于花岗岩残积土具有遇水易软化、颗粒级配不连续等特点, 在该地区进行基坑设计施工时首先要考虑这一特点。

本文统计到的数据有限, 随着相关文献数据不断补充, 后续可得到更为完善的研究结果, 可为本地区的深基坑支护提供有益参考。