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某深基坑工程圍護結構設計與實測分析

文檔作者：顏建平文檔來源：上海市城市建設設計研究院		點擊數(shù)：	更新時間： 2025年11月01日
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20ll No．344 顏建平：某深基坑工程圍護結構設計與實測分析33
2工程地質(zhì)條件
根據(jù)勘察資料，場地地基土在60．45m深度范
圍內(nèi)主要由飽和黏性土和粉性土組成。場地土層屬
古河道沉積區(qū)，各土層物理力學性質(zhì)如表l所示。
①一⑤，層均為Q4沉積物，⑦：層為Q3沉積物。
表1土層物理力學性質(zhì)
Table 1 Physical and mechanical properties
土層
土層厚度／
m
擬建場地淺部地下水屬潛水類型，②。層為淺
部主要含水層；主要補給來源為大氣降水及黃浦江。
勘察期間所測鉆孔地下水位為淺部土層潛水水位，
本次對取土樣(兼標貫)孔的地下水靜止水位進行
測量，埋深1．2一1．9m。
地基深部主要分布有⑦：層承壓含水層，為本
地區(qū)第l承壓含水層，本次勘察期間測得承壓水位
埋深12．1m。據(jù)上海區(qū)域水文地質(zhì)資料，承壓水頭
呈年周期性變化，承壓水位埋深一般為3—11m。
3圍護結構設計
根據(jù)周圍環(huán)境條件，本基坑安全等級為一級，要
求地面最大沉降量≤0．1％日，圍護結構最大水平位
移≤0．14％日(H為基坑深度)。
本工程基坑開挖深度較深，距離黃浦江較近，土
體滲透性強，且周邊有保護建筑，環(huán)境保護要求高。
工程中采用地下連續(xù)墻作為深基坑的圍護結構，同
時出于對工程經(jīng)濟性的考慮，地下連續(xù)墻在使用階
段作為主體結構的一部分，與內(nèi)襯共同受力，并且作
為主體結構的抗浮措施之一。
3．1地下連續(xù)墻
采用地下連續(xù)墻作為基坑圍護結構，墻厚
l 000ram。本工程基坑開挖深度范圍內(nèi)所涉及的
②。層為江灘土，滲透系數(shù)較高，對地下連續(xù)墻施工
不利，極易造成槽壁坍塌。為保證槽壁穩(wěn)定、圍護墻
的工程質(zhì)量以及基坑開挖時圍護墻防滲止水的可靠
性，設計考慮在地下連續(xù)墻兩側(cè)采用三軸tf'650mm
水泥土攪拌樁護壁，同時考慮槽段接縫處的止水性
能，該水泥土攪拌樁深度至③。層以下2m。
地下連續(xù)墻作為地下結構的外壁，槽段間可采
用圓形鎖口管接頭，該接頭構造簡單，止水性能較
好，施工適應性較強。
3．2地基加固
為控制基坑變形，減少基坑開挖過程中對周邊
環(huán)境的影響，采用旋噴樁對基坑被動區(qū)土體進行加
固，以提高坑底被動區(qū)土體抗力，同時對坑內(nèi)土體進
行抽條加固，加固范圍為坑底以下4m。
坑外陽角處連續(xù)墻因支撐較多，承受的荷載比
較大，因此考慮對坑外陽角處進行旋噴樁加固，加固
范圍為地表下2m至坑底以下4m?？觾?nèi)有高差處
采用旋噴樁擋墻圍護。
3．3支撐系統(tǒng)
整個基坑工程采用順作法施工，坑內(nèi)設置1道
鋼筋混凝土支撐，4道鋼管支撐，在土方開挖和支撐
施工時應充分利用時空效應的規(guī)律，根據(jù)分區(qū)、分
塊、對稱、平衡的原則進行，同時在施工過程中盡可
能縮短圍護體無支撐暴露時間、寬度和深度。
立柱樁采用咖800mm鉆孔灌注樁，樁長為30m，
樁端持力層為⑦，粉砂層。
4圍護結構計算與分析
4．1基坑穩(wěn)定性
地下連續(xù)墻入土深度考慮環(huán)境條件、地質(zhì)條件、
圍護結構的抗隆起、抗滑移、抗傾覆及穩(wěn)定性等因
素，并結合上海地區(qū)軟土深基坑的施工經(jīng)驗確定，墻
趾插入⑤，層灰色粉質(zhì)黏土層，入土比約為0．85。
根據(jù)土層的力學指標，設計按《基坑工程設計
規(guī)程》DBJ08“l(fā)一97進行了墻體的抗傾覆、整體穩(wěn)
定及基底土體的抗隆起等驗算，均滿足設計要求。
4．2圍護結構內(nèi)力計算
4．2．1計算模型
采用計算機程序MIDAS／GTS 1．5．6，采用平面
應變彈塑性本構模型進行分析，土體采用四邊形實
體單元模擬，支撐采用二維桿單元模擬，連續(xù)墻、內(nèi)
襯、各層板采用二維梁單元模擬。在有限元分析中，
土體材料假設為各向同性，屈服準則選用Druker—
Prager準則，并選用相關聯(lián)流動法則進行計算，假設
材料超過抗拉強度。此外，混凝土連續(xù)墻、鋼支撐、
混凝土內(nèi)襯等支護和結構材料均假設為彈性體。
土體自重應力模擬采用程序中初始應力功能，
應力為地基土自重應力，但初始位移歸零。根據(jù)上
海地區(qū)經(jīng)驗，地基土彈性模量一般為2—5倍壓縮模
量。本次計算對基坑底以上土層彈性模量取實際自
重應力下土層壓縮模量的2倍，而基坑底以下土層
的彈性模量取自重應力下的土層壓縮模量的4倍。
程序通過設置不同的施工階段來模擬開挖階段
警m 囂㈩ 比
縮量m 橙p 壓模／
重y他一m 度／小1
萬方數(shù)據(jù)
施工技術第40卷
與順作階段，并通過在各階段加設支撐、內(nèi)部混凝土
結構來模擬整個基坑的施工過程。
根據(jù)以往經(jīng)驗，當計算模型平面達到一定范圍
時，基坑開挖對基坑邊界及其附近區(qū)域的影響非常
小，可忽略不計。因此計算模型邊界范圍?。荷线吔?
至地表自由面；下邊界至坑底距離為4倍開挖深度；
左右邊界距基坑距離為3倍基坑寬度。
4．2．2邊界條件
邊界條件取為：地表為自由邊界，兩側(cè)邊界節(jié)點
加水平方向約束，底部邊界節(jié)點加豎直方向約束。
4．2．3土體開挖、支撐安裝、內(nèi)部結構的模擬
為更真實地模擬支護結構與土體之間的共同作
用及順作施工過程，采用有限元程序中的單元“激
活”、“鈍化”功能模擬土體開挖和支撐安裝工況。
所謂“鈍化”單元，就是將鈍化單元的內(nèi)力全部
分配給留下的其他單元，這些單元不再發(fā)揮作用。
利用這種功能，對應土體不同的開挖情況，“鈍化”
對應的挖除土體單元，較為真實地模擬實際工程的
土體開挖工況。而“激活”單元，就是恢復原來單元
的剛度和質(zhì)量，該單元初始應力狀態(tài)為零，在下階段
參與內(nèi)力分配。利用“激活”單元的功能來模擬各
道水平支撐的安裝，同時也通過“激活”單元的功能
來模擬內(nèi)部主體結構(板、柱、梁)，通過替換將兩墻
合一的疊合墻替代原地下連續(xù)墻，以模擬整個順作
過程。按照上述原則建立計算模型如圖2所示。
圖2圍護結構計算模型
Fig．2 FEM model of retaining structure
4．3計算結果與實測數(shù)據(jù)的比較分析
4．3．1連續(xù)墻水平位移
墻體最大變形是控制基坑圍護結構變形性狀的
重要指標之一。施工過程中，監(jiān)測單位對地下連續(xù)
墻的水平位移進行了連續(xù)觀測，根據(jù)觀測結果與計
算值的比較，可以得出如下結論。
1)地下連續(xù)墻最大水平位移控制值為<
26．04ram，理論計算值為32．4ram。經(jīng)監(jiān)測，實測最
大水平位移為30．9mm，與計算值的誤差為4．6％，
墻體最大水平位移與坑深的比值為0．166％。
2)理論計算表明，地下連續(xù)墻的最大水平位移
發(fā)生在坑底以上1m左右，與實測結果較為一致。
3)隨著開挖深度的增加，最大水平位移的位
置、最大變形速率發(fā)生的位置均相應逐漸下移。當
基坑開挖到底時，基坑底面附近的水平位移和變形
速率均達到最大值。
4)在坑底墊層到底板澆注完成的過程中，墻體
位移逐漸趨于穩(wěn)定。
5)在順作過程中，順著拆撐及各層板澆注，連
續(xù)墻的位移會反復變大變小，但最大位移不會超過
開挖過程中的最大位移。
4．3．2連續(xù)墻墻后地面沉降及水平位移
墻后地面沉降及不均勻沉降是影響周圍建筑物
安全的重要因素，監(jiān)測結果如下。
1)連續(xù)墻后最大地面沉降控制值<18．6mm，理
論計算值為20mm。經(jīng)過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，連續(xù)墻的實測
最大地面沉降為21．5mm，與計算值的誤差為
7．5％，墻體最大地面沉降與坑深的比值0．15％。
2)此處黃浦江防汛墻為拉錨板樁形式，板樁樁
長約16m。實測發(fā)現(xiàn)，防汛墻最大水平位移為
18．8mm，最大垂直位移為6mm，不均勻沉降約為
1／5 000，均小于規(guī)定值，確保了防汛墻的安全。
3)5層保護建筑的最大垂直位移為3．4mm，縱
向不均勻沉降約為1／10 000，橫向不均勻沉降約為
1／705，均在安全范圍以內(nèi)，可見基坑施工對其影響
并不顯著。
4．3．3立柱沉降
通過設置立柱加強支撐的穩(wěn)定性，控制圍護結
構的位移。但立柱的下沉或由于坑底回彈而上抬，
以及相鄰立柱間的差異沉降等因素導致水平支撐產(chǎn)
生次應力，同時削弱支護結構的平面剛度。施工過
程中對立柱的變形進行了監(jiān)測，結果如下。
1)在施工過程中，立柱在不斷交替沉降和上
抬，但總體表現(xiàn)為上抬，最大上抬量為16．2mm。
2)在挖土過程中，立柱上抬量與坑底隆起量盡
管數(shù)值有差異，但規(guī)律一致，本工程最終開挖面的隆
起量大約是立柱上抬量的2．4倍。
3)立柱沉降或上抬比較劇烈的階段支撐軸力
也會發(fā)生明顯的改變。
4．3．4支撐軸力
影響支撐軸力的因素有土壓力、溫度變化、混凝
土收縮與徐變、立柱沉降與隆起及施工條件等。本
工程對5道支撐均布置了觀測點，結果如表2所示。
1)支撐軸力計算值均大于實測值，計算值約為
實測值的1．05—1．43倍。
2)待第3道支撐開始受力后，第1道支撐軸力
逐漸減小，直至開挖完成。
(下轉(zhuǎn)第50頁)
萬方數(shù)據(jù)
施工技術第40卷
當凍土溫度上升時，孑L隙冰、接觸冰和薄膜冰發(fā)
生融化，這保證了液態(tài)水的補充，提高了水的遷移
率。這種條件下在凍結時脫水的土團聚體中發(fā)生局
部水分遷移，同時伴隨有土團聚體的水化和膨脹。
在冰融化過程中土顆粒有可能在自重作用下自由遷
移到冰化成的水中。因孔隙冰和冰層融化出現(xiàn)的水
在快速融化并無水分遷移時，消耗在土粒的水化作
用上或在重力作用下向融化帶發(fā)生滲透。當含有大
的冰包裹體的土快速融化時，在融化帶形成空隙和
開敞裂縫，其結果是形成已融土特殊的冷生后構造。
凍土接近融化界面處的負溫不大，因而在荷載
作用下融化時具有很高的壓縮性。在初期，外荷載
完全被傳遞給水，然后荷載隨著水的擠出重分布于
土骨架上。當土骨架上的荷載進一步增大時，土顆
粒的聚積更加密實。此時大孔隙消失，被發(fā)生變形
的土顆粒所填充。當荷載相當大時。土團聚體的孔
隙度不大，礦物顆粒本身由于擠出水分而更加密實。
以上所述，證實了在正融地基土中發(fā)生著相當
復雜的遠未完整地被研究過的多解過程。
4結語
在高溫多年凍土及正融或已融地基上進行建
設，計算正融土中樁(樁端處于非凍結環(huán)境)的承載
力時必須考慮負摩擦作用。
考慮凍土工程性質(zhì)的變化，進行室內(nèi)凍土與混
凝土圓柱間負摩擦力試驗，分析活動層的融沉及負
摩擦力的發(fā)展對樁基承載力衰減的影響。得出負摩
擦力與土融沉量變化關系曲線工=fCS)，說明在試
驗初期觀測到負摩擦力快速增大，當土的沉降量為
S，n。。時，負摩擦力達到最大值正．?；當土的沉降量
進一步增加時，負摩擦力逐漸減小到某個值工．晌。
并說明在土極大融沉之后，隨著土的沉降變緩，負摩
擦力緩慢增加，達到最大值工?。后，隨著土的沉降
固結，負摩擦力開始有所減小。分析不同含水量條
件下S=以￡)Z=以t)關系曲線的3個階段及含
水量對負摩擦力、融沉量的影響，得出隨著凍土含水
量的增大，工．m．。值減小，而s，n?值增大。夏季凍土
融化時，正融土中樁的承載能力衰減了8％左右。
參考文獻：
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(上接第34頁)
表2支撐軸力計算值與實測值
Table 2 Calculation and measured values of brace foroe
3)坑底墊層及底板澆注完成后，支撐軸力趨于
穩(wěn)定，之后隨著整個順作及拆撐過程，支撐軸力有變
化，但不顯著。
4)在施工過程中按設計要求對鋼支撐施加了
70％一80％的預應力，施加預應力后支撐軸力會短
時間內(nèi)衰減，但之后又會開始增加并趨于穩(wěn)定。
5 結語
1)針對某深基坑周邊環(huán)境復雜的特點，建立了
二維彈塑性有限元模型對施工全過程進行了分析。
2)圍護結構及墻后地表實測變形與計算值接
近，對周邊建(構)筑物影響均在安全范圍內(nèi)。
3)立柱變形對支撐軸力及基坑安全影響較大，
設計時應使立柱樁具有足夠的插入深度，并選擇可
靠的持力層，同時施工過程中應加強對立柱的保護。
并采取一定措施減小立柱的變形。
4)支撐軸力影響因素較多使實測值產(chǎn)生一定
的不確定性。由于這些因素在理論計算中很難量化
考慮，因此在支撐截面驗算時應有一定的安全系數(shù)。
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