软土地区基坑变形影响分析

王漪璇

（ 中铁上海设计院集团有限公司天津分院 天津 300073 ）

摘 要 软土地区土层具有抗剪强度低、压缩性强等特点，对于基坑开挖易产生不利影响。本文根据天津地区基坑实例，分析软土地区基坑及支护结构变形特征。通过模拟计算，得出对基坑底部土体进行加固可减小坑底隆起量，另外通过增大截面的方法可减小基坑开挖时围护结构的变形情况。

关键词 软土地区 基坑变形 坑底隆起 支护变形

近年来随着城市化进程加快，在高密度设施环境下的深基坑建设越来越成为工程建设的重点。不论在开挖范围还是开挖周期上，深基坑对周边建（构）筑物、地下管线及城市道路等都会产生影响。基坑设计和施工应本着因地制宜的原则，不同地区的工程地质、水文条件差异显著，设计重点也各有侧重。比如对于天津地区来讲，地基富含软土地层，上层土质多为淤泥质土或粉质土，有着抗剪强度低、含水量高、压缩性强等特点。

1、工程概况

天津市东丽区某商业开发项目位于津塘公路南侧，利津路西侧，兴业里北侧。项目包括1座26层住宅楼、1座23层写字楼以及3层裙房，总建筑面积65790㎡，其中地下建筑面积14300㎡。

图1 项目位置

本工程地下室基坑长约110m、宽约57.7m，面积约6347㎡。基坑深度为9.95m（局部区域13.8m）。基坑开挖深度较大，开挖范围内以人工填土、粉质黏土及粉土为主，杂填土土质松散、杂乱；素填土土质欠均匀，结构性差且人工填土及粉土透水性较强，场地地下水位较浅。

2、工程地质

场地地处华北平原，属冲积、海积低平原。勘察时，场地大部分为拆迁后空地，局部为堆土，场地东北有一栋现状设备间。场地地势整体较平坦，各孔孔口标高一般介于4.24～3.71m之间。

根据《天津市岩土工程勘察规范》(DB/T 29-247-2017)、《天津市地基土层序划分技术规程》（DB/T 29-191-2009）及本次勘察资料，该场地埋深75.00m范围内，地基土按成因年代可分为以下9层，按力学性质可进一步划分为19个亚层。现自上而下描述之：

表1 一般物理力学指标分层统计表

	重度γ(kN/m3)	e	Es1-2(MPa)	C(kPa)	Φ(度)
①2(素填土)	18.69	0.84	3.96	10	8
④1(粉质黏土)	19.54	0.75	4.74	15.32	16.83
④2(粉土)	19.81	0.7	8.3	7.77	30.41
⑥1(粉质黏土)	19.05	0.84	4.24	14.36	15.25
⑥3(粉土)	19.5	0.74	7.8	6.36	30.01
⑥4(粉质黏土)	19.06	0.85	4.48	15.62	16.85
⑧1(粉质黏土)	19.47	0.77	5.13	16.63	17.22
⑨1(粉质黏土)	19.41	0.79	5.07	16.3	19.86
⑩1(粉质黏土)	19.2	0.82	4.67	17.16	18.74
⑩2(粉土)	20.42	0.57	8.6	7.92	30.36
⑪1(粉质黏土)	19.55	0.75	5.68	19.78	20.65

3、基坑支护方案

支护体系为钢筋混凝土钻孔灌注桩---两层内支撑挡土支护体系，止水帷幕为三轴水泥土搅拌桩，坑内设降水井,坑外设观察井。其中三轴水泥搅拌桩桩径650mm,有效桩长16.5m；支护桩1直径1000，有效桩长17.05m；支护桩1A直径1000，有效桩长20.35m；支护桩2直径直径800，有效桩长17.05m。

支护桩1

支护桩2

支护桩1A

图2 基坑平面布置

搅拌桩与支护灌注桩中心线之间净距离为150mm。搅拌桩先施工、支护灌注桩后施工。搅拌桩内插灌注桩施工,应控制适宜的间隔时间。搅拌桩施工后，原则上内插灌注桩的时间以5天为宜。施工支护桩时，应对地下室外墙轮廓线现场放线，以校核支护桩的施工放线。支护桩中测斜管应结合监测方要求预埋。

4、基坑开挖变形机理

基坑内的土体挖出后，基坑周围的土体应力平衡遭到了破坏，土体应力重新分配，并伴随有土体变形。其变形主要有三种形式：围护结构变形、基坑底部隆起及周围地区地表的沉降与水平位移，随着基坑的开挖，上层土体的应力损失，使得下层土体产生以向上为主的位移，同时由于基坑周边土体的土压力作用，使得围护墙产生向坑内的水平位移。坑底的隆起，使得周边土层有向下位移的趋势，基坑开挖引起周围地层移动的主要原因是坑底土体隆起和围护结构的位移。

（1）坑底土体隆起

基坑开挖实际上就是土体的卸荷过程，随着土层土体的卸荷，下层土体向上移动，产生坑底隆起。随着开挖深度的增加，从弹性变形到塑性变形的过程。在基坑支护过程中，一般会对坑底进行加固，使坑底具有足够的强度。在基坑开挖深度不大的情况下，坑底发生的隆起带动围护墙的升高，近似处于弹性变形范围，基坑隆起的最大位移处于基坑中心部。基坑开挖深度加大，围护墙外侧的土体向坑内移动，造成周边土体的下沉，从而进入塑性变形阶段。

（2）围护结构变形

支护结构的位移变形可以划分成横向位移与纵向位移。基坑防护结构可当作一面挡土墙，在基坑开挖前墙体内部与外部的土体压力相同，防护结构不会出现位移。而伴随基坑内土层被逐渐的挖出，原先的均衡状态慢慢的被打破，基坑侧面产生了横向的荷载，基坑外部土层的荷载压力在逐步的加大，使得防护挡墙往基坑内部位移。

5、计算模型概况

为了进一步研究影响坑底变形及围护结构变形的因素，采用岩土有限元分析软件建立整体三维有限元模型进行计算分析。通过控制变量法判断各要素对基坑变形的影响。主要针对基坑底位移和围护结构位移。为了更好的反映基坑开挖施工过程的位移、变形和内力的情况，计算中土体本构采用小应变硬化的本构模型。土体相关参数来自工程地质勘查报告和工程经验取值。假定这些结构均处于弹性阶段。

本次论证只模拟基坑开挖过程，根据实际工程情况将施工过程分为以下8 个施工步：1、形成初始应力场，位移清零；2、地下室围护结构及止水帷幕施工；3、立柱桩及桩基施工；4、第一步土体开挖；5、架设第一道支撑；6、第二步土体开挖；7、架设第二道支撑；8、挖至坑底。

6、模拟结果分析

1、基坑变形影响因素

为了分析影响基坑坑底位移的因素，除对原方案进行施工模拟外，还进行了对基坑底部加固情况下的施工阶段模拟。在基坑底部采用水搅桩进行加固，其他措施与原方案保持一致，对比加固前后基坑位移的变化情况。对于未加固情况，提取三次开挖后基坑位移情况，发现随着开挖深度的增加基坑水平位移逐渐增加，基坑底部体现为隆起趋势。采用坑底加固方法后，基坑位移较之前有所减小。其中水平位移有一定程度的减小，坑底隆起显著减弱，隆起程度减小约20mm。

图3 原方案坑底最终位移 图4 坑底加固情况坑底最终位移

表2 基坑位移

	开挖步序	未处理	坑底加固
X向位移(mm)	第一步	0.8	0.9
	第二步	4.3	3.5
	第三步	11	7
Y向位移(mm)	第一步	0.79	1
	第二步	5.9	5.6
	第三步	10	7.3
Z向位移(mm)	第一步	2.4	0.9
	第二步	18	10
	第三步	36	17

2. 围护结构变形影响因素

关于影响围护结构变形的因素，选择改变围护结构的截面尺寸，通过加大围护桩直径来分析围护结构变形特征。将桩径由1m增至1.5m，其他措施与原方案保持一致，对比增大直径前后围护结构的变形情况。原方案条件下，围护结构的水平位移在基坑开挖过程中呈现递增趋势，。由于开挖过程中土体的卸荷作用，围护结构总体呈现上移趋势。加大围护桩直径后，结构刚度增加，抵抗土压力能力增强，水平及竖向位移有了一定的减小，对比措施前后变形情况如下：

图5 原方案围护结构位移 图6 加大直径后围护结构位移

表3 围护结构变形

	开挖步序	未处理	加厚处理
X向位移(mm)	第一步	0.45	0.54
	第二步	3.7	3.6
	第三步	9	8.3
Y向位移(mm)	第一步	0.47	0.5
	第二步	4.1	3.9
	第三步	10	9.8
Z向位移(mm)	第一步	-2.2	-4.4
	第二步	1.3	-2.1
	第三步	4.4	1.8

7、结论总结

通过有限元模型分析，印证了基坑变形特点，即坑底为隆起趋势周围土体向内侧移动，围护结构由于两侧土压失衡导致产生水平向外力并发生位移。经计算，通过加固基坑底部土体的方式可显著减小坑底隆起量。对于减小围护结构变形的措施，在条件允许情况下可采用加大围护截面的方式，此方法在一定程度上能减弱变形程度。另外施工过程中应对基坑及支护结构采取有效监测手段，避免塌陷、隆起过度等情况发生。

参考文献

[1]刘兴旺,施祖元,益德清,等.软土地区基坑开挖变形性状研究[J].岩土工程学报,1999,21(4):456-460.

[2]丁永春. 软土地区深基坑施工引起的变形及控制研究[学位论文].上海交通大学, 2009.225.

[3]郑杰明,谢玖琪,杨平,等.深基坑开挖支护结构水平变形对地表沉降影响的数值模拟[J].现代隧道技术, 2013,50(2):102-108.

作者简介：王漪璇（1988），女，工程师，工学硕士。从事城市轨道交通设计工作。

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