砂与淤泥互层地基中基坑边坡变形特征

薛 翔，卫 宏，蔡贝特

(1.海南大学土木建筑工程学院，海南 海口570228;2.海南有色工程勘察设计院，海南海口570206)

图1 基坑形状及周边环境图

国内外已分别对砂性和淤泥质地基有了较多的研究，也均取得一定的成果［1－6］，但对砂与淤泥互层地基中基坑边坡变形特征的研究还很少，相关变形理论仍然匮乏，也缺乏足够可实际指导工程建设的工程数理知识.为了充实基坑边坡变形理论，完善不同地基中基坑变形特征的数据，本文通过对海南岛内多处工程实例的对比分析，选取了海南岛内具有代表性的和典型性的砂与淤泥互层地基中的基坑变形进行实时监测分析，得出了砂与淤泥互层地基中基坑边坡的变形特征，这可为今后的相关工程提供参考.

1 工程简介

1.1 工程概况 美和小区位于海口市美兰区和邦路与振兴路交汇处北侧，由两栋28层塔楼和一层地下室组成，其基坑长约100 m，宽约65 m，最小开挖深度为6.1 m，基坑形状及周边环境如图1所示.

1.2 场地岩土工程条件 基坑支护影响范围在内地层有:

表1 岩土工程设计参数表

1.3 基坑支护方案 该工程场地采用排桩+钢花管支护体系，排桩为钻孔灌注桩，桩径800 mm，桩间距1 000 mm，通常配筋，排桩顶部均设冠梁，冠梁截面1 000 mm×600 mm;采用18a槽钢梁，各段采用打入式钢化管，管外壁焊角钢作为倒刺，打入土体并注浆.

坑内被动土加固:坑底下为厚层淤泥质土，为保证支护体稳定，在止水桩施工的同时，在支护桩内侧打搅拌桩，其桩顶标高同坑底标高，加固宽度3 000 mm，加固深度6 000 mm，桩径600 mm，桩间距600 mm.

电塔地基加固:对东侧围墙内电塔基座外地基采用高压旋喷桩(单管)加固，桩径600 mm，加固深度7 000 mm，基坑支护剖面图见图2.

图2 基坑支护剖面图

1.4 基坑施工方案 基坑开挖是在钻孔灌注桩(排桩)和止水桩完成28 d(养护周期)后开始，准确放线，分段分层开挖，每段长度不大于20.0 m;每层开挖深度不大于2 m.坑内挖土先挖周边，留中部半岛，倒退挖.基坑施工工况见表2.

表2 基坑施工工况

2 监测数据分析

2.1 基坑监测方案 本工程基坑最小开挖深度为6.1 m，根据《建筑基坑工程监测技术规范》［7］(GB50497—2009)中对基坑安全等级的分类，本基坑的安全等级为二级.本工程基坑的监测项目有:围护墙墙顶的水平位移和竖向位移监测、周边建筑物竖向位移监测、地下水位监测和周边地面沉降监测等.

2.2 监测技术指标 根据《建筑基坑工程监测技术规范》(GB50497—2009)，美和小区基坑变形监测指标及精度要求如表3所示.据《建筑基坑工程监测技术规范》(GB50497—2009)，美和小区基坑变形监测频率如表4所示.

表3 美和小区基坑变形监测精度及报警值

表4 美和小区基坑变形监测频率

2.3 监测结果分析 图3为美和小区基坑围护结构顶部水平位移变形图，为了清晰地显示出变性特征，在图中将各监测点水平位移变形量都扩大100倍，由图3可以看出:

(1)围护结构顶部水平位移累计变化量最大值发生在长边中部，变化量最大值为44.2 mm;最小值发生在围护结构的阴角处，变化量最小值为9.9 mm.

(2)按照基坑监测经验［8］，围护结构阳角处的水平位移变化量最大;而本基坑围护结构阳角处监测点P9的变化量为38.5 mm，小于基坑顶部累计变化量最大值(44.2 mm).分析其原因，这是因为P9监测点的两边均打入了锚杆，在该阳角处的土层中形成了锚杆网状结构，增强了土体的稳定性，从而减小了该监测点水平位移变形量的缘故.

基坑围护结构顶部各监测点水平位移累计变化量的数据见表5(本文仅选取具有代表性的P1、P3、P5、P8、P11、P14 进行分析).

图4为美和小区基坑围护结构顶部的水平位移在监测点的累计变化量——时间折线图，围护结构顶部绝大部分的水平位移发生在基坑开挖的过程中，基坑开挖到设计深度后，水平位移的变化明显变小，底板浇筑后，水平位移基本趋于稳定.所以，选择合理的支护设计和施工方案以及及时浇筑底板，可以有效地控制围护结构的水平位移，从而做到安全可行、经济合理、施工便捷.

2.4 周边建筑与地表沉降 基坑周边建筑与地表各监测点累计变化量的数据见表6.

表5 围护结构顶部各监测点水平位移累计变化量的数据表

表6 基坑周边各沉降监测点累计沉降量的数据表

图4 围护结构顶部水平位移在各监测点的累计变化量—时间折线图

图5为美和小区基坑周边建筑物、电塔和地表沉降图，地表沉降最大值为－10.1 mm，发生在距离基坑围护结构5 m处，约为0.8 H(H为基坑开挖深度);距离基坑围护结构15 m(约为2.5 H)处，地表沉降为－1.0 mm;距离基坑围护结构18 m(约为3 H)处，地表沉降为－0.2 mm，这说明，基坑开挖对周边地表的影响范围在距离围护结构3 H内.位于基坑北侧的民房沉降变化规律与地表沉降相似，但沉降量明显大于地表沉降.距离基坑围护结构5 m处的电塔沉降量明显小于地表沉降，这说明对电塔地基的加固是有效的.

图5 美和小区基坑周边的建筑物、电塔和地表沉降图

对图5中的周边地面沉降监测值进行曲线拟合，得出理想曲线的数学表达式为:

式中x为坑外某点距围护结构外侧的距离，单位为m;y为坑外距离围护结构外侧x米处的地面沉降量，单位为mm.

2.5 地下水位变化 海南岛位于东南亚季风气候区内，多年平均降雨量达1 720 mm，但降雨量分布并不均匀，年降雨量的80%集中于台风季节，夏季雨量集中，冬春少雨.全岛季节可分为雨季(5～10月)和干季(11月～翌年4月).海口市降雨主要发生在雨季，降雨量约占全年降雨量的80%.所以，海口市基坑工程应在9～10月份开工，这样基坑开挖到设计深度之后就进入干季，减少了降雨对基坑的危害，提高了工程的安全性和经济性.

图6为美和小区水位累计变化量—时间图，从图6中可以看出:2012年10月2日至2012年11月13日(基坑开挖阶段)，地下水位下降，且上下波动较大;11月13日之后，地下水位下降变慢，最后达稳定状态.3个监测孔水位累计变化量分别为:－589 mm，－426 mm，－568 mm.1号监测孔水位在11月20日突然上升，至11月28日后又下降至11月19日的水位位置.以上两种现象的原因是:

(1)在水泥土搅拌桩止水帷幕施工过程中，由于施工工艺、操作、地质条件复杂等问题，止水帷幕总是会出现漏水等问题;锚杆的施工中普遍存在涌水和涌砂的现象，基坑外部分地下水从钻孔涌入基坑中，所以，基坑开挖引起周边地下水位下降.

(2)在2012年10月份，海口多次出现大雨或暴雨天气，导致地下水位波动较大;11月份以后，海口进入干季，地下水位平缓下降，一段时间后进入稳定状态.

(3)11月19日，施工单位在1号水位孔附近5 m处钻孔打水井，造成11月20日的水位上升，待水井完工以后，水位呈下降趋势.

(4)2号水位监测孔位于基坑北侧，由于基坑北侧距离民房最近处只有5 m，为保护该民房，在基坑开挖初期基坑外北侧没有进行轻型井点降水，并且北侧围护结构的施工比其他位置更谨慎，所以2号监测孔的水位变化较1号和3号监测孔的水位变化小.

图6 美和小区水位累计变化量—时间图

为了模拟基坑开挖对周边水位的影响曲线，在不考虑降雨对水位影响的情况下，采用双曲函数对图6中的数据进行了修正，得出理想的水位变化随时间的关系曲线，如图7所示，相应的计算表达式为:

水位孔 W1、W3:a= －0.0257，b= －0.0015;

水位孔 W2:a= －0.0390，b= －0.0020.

3 结论

1)基坑开挖阶段，基坑围护结构的水平位移变化较为明显，水平位移最大变化量发生在基坑长边的中心处和阳角处;地下室底板浇筑后，基坑围护结构的水平位移变化已趋于稳定.

图7 理想的水位变化曲线图

2)砂与淤泥互层地基中基坑开挖对周边环境的主要影响区域是在3倍基坑深度的范围内，且周边地面沉降变形最大位于0.7～0.9倍基坑深度处.经对工程数据的分析和总结，得出了周边地面变形的拟合公式(1).

3)鉴于海口地区气候的特殊性，海口地区的基坑工程选择合理的施工时间可以有效地提高工程的安全性和经济性，比如在干季进行基坑工程的施工，在雨季来临之前完成基坑的回填工作等.

4)基坑开挖会引起周边水位的下降，对周边环境复杂的一侧应特别注意其水位的变化量，以保证周边环境的安全性.经对工程数据的分析和总结，得出了周边水位的拟合公式(2).

5)对监测数据进行了处理和分析，了解了在砂与淤泥互层地基中于基坑施工时基坑的变形特征，找到了在此种环境下施工时其基坑变形的规律，拟合出了相应的变形经验公式，这对今后类似的基坑工程设计和施工具有一定的指导性意义.

［1］施成华，彭立敏.基坑开挖及降水引起的周边地面沉降预测［J］.土木工程学报，2006，39(5):117－121.

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

［3］黄钟辉，杨磊.广西大学地铁车站深基坑变形监测数据分析［J］.工程地质学报，2013，21(3):459－463.

［4］陈祖煜.深基坑稳定分析中几个问题的讨论［J］.岩土工程学报，2010，32(增1):1－8.

［5］刘兴旺，益德清，施祖元.基坑开挖地表沉陷理论分析［J］.土木工程学报，2000，33(4):51－55.

［6］尹盛斌，丁红岩.软土基坑开挖引起的坑外地表沉降预测数值分析［J］.岩土力学，2012，33(4):1210－1216.

［7］中华人民共和国住房和城乡建设部与中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB50497－2009建筑基坑工程监测技术规范［S］.北京:中国计划出版社，2009.

［8］龚晓南.基坑工程实例［M］.北京:中国建筑工业出版社，2010.