软土地区逆作法深基坑变形特性研究

作者：曾晓晓郑七振龙莉波马跃强

单位：上海理工大学环境与建筑学院上海建工二建集团有限公司上海建筑工程逆作法工程技术研究中心

摘要：根据23个软土地区逆作法工程实测数据, 分析了逆作法工程围护结构水平变形曲线, 围护结构最大水平位移及位置与开挖深度的关系, 墙后地表沉降曲线形态, 墙后土体最大沉降与围护结构最大侧移的比值随工况的变化趋势, 将这几方面与顺作法工程变形规律作比较, 并对各变形规律进行了原因分析, 最后对现有逆作法工程设计方法提出意见。

关键词：逆作法深基坑围护结构变形沉降

作者简介：曾晓晓, 硕士研究生, E-mail:zengandxiao@163.com;
基金：上海市科学技术委员会科研计划项目 (16DZ1200203);

0 引言

现有对逆作法的理论研究主要集中在工程施工技术研究以及有限元模拟研究, 对逆作法工程实际变形规律研究较少。江晓峰等^[1]对58个软土深基坑监测数据进行了分析, 李琳等^[2]对46个顺作法基坑监测数据进行了分析, 都没有对逆作法变形规律进行研究, 也没有指出顺作法与逆作法工程变形规律的区别, 所以本文搜集了23个逆作法工程实测数据, 基于顺作法工程变形研究分析两种施工方式变形规律的不同。

1 逆作法基坑变形实测数据资料

随着建筑基坑越来越深, 钻孔灌注桩和地下连续墙成了基坑支护的主要方式。在逆作法工程中, 这两种基坑支护形式应用也很普遍。表1列出了软土地区的23个逆作法工程实测数据, 数据来源为各类期刊、硕博士论文以及上海建工二建集团实测数据。23个工程基坑均为地下连续墙和钻孔灌注桩2种围护形式, 基坑坑深从10m的普通基坑到34m的超深基坑, 不同工程的地下室层数不同, 最少为2层, 最多为4层。

2 逆作法基坑变形规律分析

2.1 围护结构水平位移曲线

图1所示为丁香路778号商业办公楼项目中某一测点的墙体水平位移时程曲线。Clough^[18]在论文中提到, 墙体水平位移曲线可分为3种:悬臂位移, 深槽的内向位移, 两者的混合位移。吴佩珍^[19]根据台北的工程实测数据将墙体水平位移分为标准型、旋转型、多折型、悬臂型4种类型。虽这几位学者分析总结的大都为顺作法工程, 但从图1可以看出逆作法工程围护结构水平位移曲线基本符合Clough的混合位移模式或吴佩珍的旋转型。

表1 工程监测数据

Table 1 Information of the excavation cases

实例	名称	挖深/ m	围护结构形式	桩径或墙厚/mm	围护结构深度/m	最大侧移/ mm	最大侧移深度/ m
1	丁香路778号商业办公楼项目	24.4	地下连续墙	1 200	50	68.8	18.3
2	上海市政设计大厦项目	15.5	地下连续墙	—	29.5	46	15.5
3	中国科举博物馆及周边配套一期项目Ⅱ区工程	19.6	地下连续墙	1 000	40	11.5	11
4	上海国际旅游度假区核心区管理中心工程	17.5	地下连续墙	1 000	37.5	159.8	16.5
5	上海市第一人民医院改扩建工程	15.3	地下连续墙	1 000	32.5	30.5	15
6	上海市总工会沪东工人文化宫	10	钻孔灌注桩	1 000	23	54.9	11.5
7	上海世博500kV输变电工程	34	地下连续墙	1 200	57.5	36.4	25
8	上海由由国际广场工程	10.5	钻孔灌注桩	800	18	28	8.8
9	上海中山医院工程^[3]	15.5	地下连续墙	800	33	66	14
10	北仑电厂循环水泵房^[4]	14.3	地下连续墙	—	35	14.74	14
11	上海铁路南站北广场^[5]	12.5	地下连续墙	800	21	39	10
12	杨浦大学城一期工程^[6]	11.5	地下连续墙	—	17	30	9.2
13	宁波慈溪某深基坑^[7]	14	钻孔灌注桩	1 000	—	38	11
14	杭州解百商业城^[8]	16	地下连续墙	800	38	18.9	13.2
15	南京青奥工程^[9]	14.6	地下连续墙	1 200	58	24.05	13
16	上海兴业大厦工程^[10]	12.4	地下连续墙	800	26	34	10
17	上海廖创兴金融中心^[11]	22.4	地下连续墙	1 000	35	28.74	15
18	上海某逆作法工程^[12]	12	地下连续墙	1 000	26	53	11
19	上海中心大厦裙房^[13]	26.7	地下连续墙	1 200	48	88	20
20	某软土区深基坑^[14]	25	地下连续墙	1 200	42	17	15
21	上海长峰商场^[15]	18	地下连续墙	800	32	32	15
22	深圳新亚大厦^[16]	10.1	地下连续墙	800	20	30.67	6
23	仲盛商业中心^[17]	13.5	地下连续墙	800	24	37	11

图1 丁香路商业楼深基坑典型围护结构变形

Fig.1 Typical deformation diagram of super foundation excavation supporting structure in Dingxiang road commercial building

对比图1中的多条曲线可以看出, 随着工程基坑的开挖, 围护结构的水平位移越来越大, 而且最大水平位移位置不断下移, 产生这种现象的主要原因是随着基坑深度增加而不断增大的被动土压力以及土体变形随时间增大的流变性;但从大底板开始浇筑到监测结束, 围护结构的水平位移基本无变化, 说明变形已经稳定, 大底板对围护结构变形影响不大, 基坑内的主体结构已很好地控制了土体变形。

围护结构的最大水平侧移及位置与支撑的形式、基坑深度、土体情况都有很大关系。同样的最大水平位移及位置也可反映支撑的相对刚度, 围护结构的选取厚度以及支撑的布置方式都体现在支撑的相对刚度中。因为逆作法支撑方式不同于顺作法, 所以有必要对逆作法工程最大水平位移及位置与基坑深度的关系进行分析。

2.2 围护结构最大水平位移位置与基坑深度的关系

围护结构最大水平位移位置和基坑深度、基坑所在地区的土质有很大关系。根据已有研究发现, 对于顺作法工程, 基坑最大变形位置通常在坑底左右, 但逆作法工程中规律并非如此。图2绘出了围护结构最大水平位移位置与基坑最大深度之间的关系。由图可知, 围护结构最大水平位移基本分布在基坑以上, 出现在基坑以下的仅有一例。基坑开挖深度较小时 (<19m) , 最大水平位移位置靠近坑底, 为0.75H～H, 平均位置在0.89H处;基坑开挖深度较大时 (>19m) , 最大水平位移位置开始上移, 为0.6H～0.75H, 平均位置在0.66H处。

图2 围护结构最大水平位移位置与基坑深度关系

Fig.2 Relationship between the maximum horizontal displacement position of retaining structure and the depth of excavation

顺作法工程与逆作法工程在此规律出现差异的主要原因是:顺作法是先挖基坑后建结构, 施工工期长, 而且基坑支撑刚度大, 土体性质较差, 变形更容易向下发展, 则变形容易出现在坑底或者坑底以下;而逆作法是边挖边建, 施工工期短, 土体的变形与顺作法相比并不充分, 且逆作法利用自身梁板作为基坑支护构件, 基坑内支护结构可以看做“箱体”, 限制了围护结构变形的发展。最大水平位移位置随基坑深度增加而上移的主要原因是:在上海、杭州等软土地区, 普通基坑常常位于③层灰色淤泥质粉质和④层灰色淤泥质黏土中, 属于典型的软弱土层, 呈饱和、流塑状态, 在开挖到这两个土层时, 土体变形较大;当开挖深度较大时, 基坑便位于⑤层灰色黏土中, 土体性质较好, 施工时变形较小, 所以导致最大水平位移位置上移。

2.3 围护结构最大水平位移和基坑深度的关系

顺作法工程中, 根据国外的工程监测数据总结, 发现在有支撑的情况下, 围护结构的最大侧移δ_h=0.2%H～0.5%H。由图3可以看出, 逆作法工程中, 围护结构最大侧移基本在0.5%H之内。当基坑开挖深度较小时, 围护结构相对侧移较大, 大部分在0.2%H～0.5%H, 与顺作法工程规律相同;当基坑开挖深度较大时, 围护结构相对侧移较小, 大部分在0～0.2%H, 小于顺作法工程的最大相对侧移。产生这种现象的主要原因是:基坑深度增加导致地下室层数与梁板增多, 一方面增加了水平支撑, 另一方面使得围护结构“箱体”现象更加明显;当基坑深度加大, 在设计时采取增大围护结构截面和长度等措施来控制围护结构变形, 使得围护结构的相对侧移减小, 结构刚度和整体性增加限制了围护结构的水平侧移。对比顺作法和逆作法工程最大水平位移与基坑深度曲线可以看出, 逆作法可以更好地控制围护结构变形。对比地下连续墙和钻孔灌注桩可发现, 以钻孔灌注桩为支挡结构的工程水平侧移相对较大, 钻孔灌注桩的抗变形能力相较于地下连续墙较差, 所以在深基坑工程中, 钻孔灌注桩的使用率比地下连续墙小。

图3 围护结构最大水平位移与基坑深度的关系

Fig.3 Relationship between the maximum horizontal displacement of retaining structure and the depth of excavation

2.4 墙后地表沉降曲线形态

根据Heish等^[20]对若干基坑的总结分析, 将基坑墙后地表沉降曲线分为三角型和凹槽型两种类型。根据本文可以统计到的若干工程的实测数据来看, 大多逆作法工程的变形符合凹槽型, 也有个别为三角型, 可见规律基本和顺作法工程相同。当然监测数据与监测点的布置及间距有很大关系, 需要今后对更多逆作法工程进行总结。

图4为上海国际旅游度假区核心区管理中心工程同一剖面五个测点的墙后土体沉降曲线, 曲线分布按施工进程从上到下分布。通过图4可以看出墙后土体沉降曲线呈凹槽分布, 随着施工进程沉降量越来越大, 最大沉降点与围护结构的距离随着施工进程逐渐加大, 最终的最大位移点在0.5H附近, 这一规律与OU等^[21]学者研究的结果不同, OU等^[21]认为最大沉降位移点位置不随工况变化, 始终维持在0.5H附近。

图4 典型地表沉降剖面

Fig.4 Typical cross-section of surface settlements

2.5 墙后土体最大沉降与围护结构最大侧移的比值与工况的关系

图5为上海国际旅游度假区核心区管理中心工程墙体最大沉降与围护结构最大侧移比值随工况变化的关系曲线。由图5可看出, 在施工前期, 墙体的最大沉降与围护结构最大侧移比值较大, 随着施工进行, 比值大幅下降, 在中后期比值基本稳定在1.5左右。产生这个现象的原因是:在施工前期, 施工位置靠近地表, 对地表土体扰动过大, 导致土体变形过大, 而基坑挖深较浅导致作用在围护结构上的被动土压力较少, 围护结构变形小, 导致施工前期两者比值很大;在施工中后期, 施工位置距离表层土体较远, 且围护结构变形在前中期迅速增加在后期变化较少, 导致两者比值迅速降低最后保持稳定。

图5 地表最大沉降与围护结构最大侧移比值随工况的变化趋势

Fig.5 The trend of the ratio of ground surface maximum settlement and the maximum horizontal displacement of retaining structure with the development of the condition

3 逆作法设计方法分析

现行工程设计中, 逆作法与顺作法设计方法相同, 皆是根据平面杆系结构弹性支点法^[22], 将内支撑对挡土结构的约束作用按弹性支座考虑, 在规范^[22]中, 内支撑对挡土结构的作用力按下式确定:

$F_{h} = k_{R} (v_{R} - v_{R 0}) + Ρ_{h} (1)$

式中:F_h为挡土结构计算宽度内的弹性支点水平力;k_R为计算宽度内的弹性刚度系数;v_R为挡土构件在支点处的水平位移值;v_R0为支点初始位移值;P_h为挡土结构在计算宽度内的法向预加力。

其中k_R的计算方法如下:

$k_{R} = \frac{α_{R} E A b_{s}}{λ l_{0} s} (2)$

式中:λ为支撑不动点调整系数;α_R为支座松弛系数;E为支撑材料的弹性模量;A为支撑截面面积;l₀为受压支撑构件长度;s为支撑水平间距。

比较逆作法和顺作法两个内支撑形式发现, 逆作法的支撑刚度大于顺作法, 同时因为以梁板为支撑, 以围护墙为外墙, 则水平支撑和围护墙相结合的稳定性大于顺作法, 并且可近似看作一个“箱体”, 地下室层数越多, 箱体作用越强, 支撑能力增加。在计算弹性支点水平反力时, 逆作法利用规范中的计算方法过于保守, 造成工程材料的浪费, 在逆作法监测数据中也可看出这点, 所以需要对逆作法设计方法进行修正, 研究出一种更符合逆作法工程变形规律的计算方法。