楊佳巖，余文瑞，丁 楚，陳 麗

(1.中國港灣工程有限責(zé)任公司， 北京 100027；2.中交四公局(北京)公路試驗(yàn)檢測(cè)科技有限公司， 北京 100025；3. 河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210024；4.鎮(zhèn)江新區(qū)建設(shè)工程質(zhì)量中心試驗(yàn)室， 江蘇 鎮(zhèn)江 212132)

城市空間需求的急劇增長(zhǎng)與土地資源緊缺這一矛盾日益突出，有效地開發(fā)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(chǎng)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(yīng)力變化，進(jìn)而導(dǎo)致土體位移[1-4]。一旦土體位移過大，將會(huì)影響鄰近房屋、隧道等構(gòu)筑物的安全[5-9]。

地下商場(chǎng)和地鐵車站的深基坑形狀大都為矩形。由于施工場(chǎng)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(gòu)筑物的安全，大量學(xué)者研究了矩形深基坑的變形特性[1-3, 10-12]?；谲涴ね林辛鶄€(gè)矩形基坑的變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，Wang等[3]發(fā)現(xiàn)地下連續(xù)墻的最大側(cè)向變形介于0.13%H～0.43%H(H為開挖深度)。柏挺[13]發(fā)現(xiàn)地下連續(xù)墻的最大側(cè)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(fā)現(xiàn)隨開挖深度的增加，墻身側(cè)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(xù)墻變形和墻后沉降，發(fā)現(xiàn)圓柱形基坑變形主要受開挖直徑而不是地下連續(xù)墻插入比控制。

深基坑施工時(shí)，第一道混凝土支撐往往施加在地表以下1 m的位置。對(duì)于矩形基坑，混凝土支撐可同時(shí)垂直于支撐兩端的地下連續(xù)墻。因此，矩形基坑的連續(xù)墻頂位移很小。對(duì)于三角形基坑，混凝土支撐并不能同時(shí)垂直于兩端的地下連續(xù)墻，地下連續(xù)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(bǔ)這一空白，本文開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究大尺寸三角形基坑開挖引起的側(cè)墻變形和墻后土體沉降。

1 試驗(yàn)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(gè)主要開挖區(qū)間(A1和B1)和十五個(gè)小型開挖區(qū)間。本論文重點(diǎn)研究區(qū)間A1和B1開挖引起的地下連續(xù)墻變形和墻后沉降。

圖1 深基坑平面布置圖

1.2 工程地質(zhì)條件

表1匯總了各軟土層的物理力學(xué)指標(biāo)?，F(xiàn)場(chǎng)鉆孔深度達(dá)到90 m，場(chǎng)地土層由9層組成?，F(xiàn)場(chǎng)十字板剪切試驗(yàn)所得黏土層的不排水抗剪強(qiáng)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(shù)av介于0.10～0.38之間。基于固結(jié)不排水的三軸剪切試驗(yàn)，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(zhì)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(xué)性質(zhì)較差，孔隙比e高達(dá)1.43，壓縮指數(shù)av為0.38，有效摩擦角φ′僅為25.3°，不排水剪切強(qiáng)度Cu為38.0 kPa。

基于現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)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(zhì)黏土層)存在砂質(zhì)承壓水，此承壓水頭約為10 m。

表1 土層物理力學(xué)指標(biāo)

1.3 深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)

本論文僅研究A1、B1區(qū)開挖引起的圍護(hù)墻變形和墻后土體沉降。由于A1和B1區(qū)開挖深度均相同，僅給出A1區(qū)的開挖剖面圖(見圖2)。A1和A2區(qū)分別分六個(gè)階段進(jìn)行，每個(gè)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(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)為厚度為1.0 m、深度為50 m地下連續(xù)墻。另外采用五道鋼筋混凝土支撐限制地下連續(xù)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(nèi)側(cè)帷幕灌漿增加支護(hù)系統(tǒng)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(cè)擴(kuò)散。首先開挖基坑中心區(qū)域的土體，圍護(hù)結(jié)構(gòu)附近留有寬度為15 m～30 m土坡來限制墻體水平位移。當(dāng)基坑開挖深度達(dá)到1.2 m(第一階段)，A1區(qū)和B1區(qū)的第一個(gè)混凝土支柱便被澆筑。開挖區(qū)A1中的第二至第六土層開挖直到開挖區(qū)B1中1.8 m厚的混凝土底板澆筑完成后才開始。

1.4 監(jiān)測(cè)儀器

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

為了測(cè)量基坑開挖引起的地表沉降，沿開挖區(qū)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(zhǔn)儀測(cè)量墻后地表沉降，精度為mm。基準(zhǔn)點(diǎn)距離開挖現(xiàn)場(chǎng)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(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)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(xù)墻水平變形

圖3為A1和B1開挖區(qū)典型的地下連續(xù)墻水平位移變化規(guī)律。第一土層開挖引起的地下連續(xù)墻水平位移未測(cè)量。隨著深基坑開挖深度的增加，地下連續(xù)墻的水平位移快速增長(zhǎng)。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(xù)發(fā)展。當(dāng)5道混凝土支撐拆除后，地下連續(xù)墻產(chǎn)生了大量的附加變形。對(duì)選定的6個(gè)典型測(cè)點(diǎn)，拆除混凝土支撐產(chǎn)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(dāng)深基坑開挖深度達(dá)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(xù)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(hù)墻頂部的水平位移很微小明顯不同[12]。另外，地下連續(xù)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(zhì)黏土和細(xì)砂層中，墻底和墻頂相對(duì)較大的水平位移不可能是由細(xì)砂層變形引起的。支撐拆除后，所有地下連續(xù)墻頂部的側(cè)向位移約為其最大側(cè)向位移的40%～70%。A1和B1開挖區(qū)的支撐不能同時(shí)垂直于兩段的地下連續(xù)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(nèi)支撐的累積變形。因此，地下連續(xù)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(nèi)3個(gè)測(cè)點(diǎn)在拆除支撐后，連續(xù)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(fā)生整體轉(zhuǎn)動(dòng)所導(dǎo)致。

2.2 連續(xù)墻最大水平變形與開挖深度的關(guān)系

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

隨著深基坑開挖深度的增加，地下連續(xù)墻最大水平位移(δhm)快速增加。當(dāng)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(xù)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(fā)現(xiàn)圓形和方形基坑的地下連續(xù)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(xù)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?yàn)閳A形基坑的拱效應(yīng)限制了地下連續(xù)墻變形。不同于矩形基坑，三角形深基坑的支撐不能同時(shí)垂直于支撐兩端的地下連續(xù)墻。施加在基坑內(nèi)部的斜撐并不能很好的限制地下連續(xù)墻水平位移。

2.3 連續(xù)墻三維水平位移

圖5為地下連續(xù)墻的三維水平位移曲線。如圖1所示，沿A1和B1開挖區(qū)布置了34個(gè)水平位移的測(cè)定。比較分析每一段墻各個(gè)測(cè)點(diǎn)的水平位移，揭示地下連續(xù)墻的三維變形規(guī)律。當(dāng)橫坐標(biāo)為0.0和1.0時(shí)，測(cè)點(diǎn)位于地下連續(xù)墻的兩段；當(dāng)橫坐標(biāo)為0.5時(shí)，測(cè)點(diǎn)位于地下連續(xù)墻中間。如圖5所示，地下連續(xù)墻呈現(xiàn)出明顯的三維變形特性，地下連續(xù)墻中間位置的水平位移明顯大于兩端的變形。這是因?yàn)檫B續(xù)墻端部存在明顯的端部約束效應(yīng)。

圖3 地下連續(xù)墻水平位移分布

圖4 墻體最大水平位移與開挖深度的關(guān)系

圖5 地下連續(xù)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(qū)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(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)量的地表沉降明顯小于Peck[10]提出的沉降預(yù)測(cè)范圍。這主要是因?yàn)榇舜蟪叽缛切紊罨硬捎昧?.0 m～1.2 m厚的地下連續(xù)墻和混凝土支撐的維護(hù)系統(tǒng)。

3 結(jié) 論

通過開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研究了大尺寸三角形基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及其墻后土體變形特性，得到如下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1) 不同于矩形基坑，大尺寸三角形基坑地下連續(xù)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(jié)束后，拆除混凝土支撐產(chǎn)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(xù)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(xù)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(xù)墻變形。這主要是因?yàn)槿切紊罨拥闹尾荒芡瑫r(shí)垂直于支撐兩端的地下連續(xù)墻。

(3) 由于地下連續(xù)墻端部存在明顯的端部約束效應(yīng)，地下連續(xù)墻呈現(xiàn)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(jié)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(qū)域大于1.5He。