软土地区深大基坑深层水平位移变形特征探讨

软土地区深大基坑深层水平位移变形特征探讨

周恩海

广州建设工程质量安全检测中心有限公司

摘要：在软土地区实施深基坑土方开挖时，其围护结构会因外侧水土压力的作用下，使基坑内出现水平位移的状况；当基坑围护结构的水平位移情况出现偏差太大时，就有可能导致支护体系整体失稳，严重时还会发生坍塌事故。为此，对深大基坑围护结构的深层进行水平位移监测是非常必要的。本文结合工程实例对珠海横琴地区超大深基坑围护结构的深层水平位移监测成果进行了分析，同时提出了对其变形状况的相关控制措施，为日后类似工程提供参考。

关键词：软土深大基坑；围护结构；深层水平位移；活动式测斜仪；变形特征；应用成果

0引言

近年来，在深基坑支护工程中，还存在由于未严格按“开槽支撑、先撑后挖、分层开挖、严禁超挖”的土方开挖原则，造成基坑围护结构出现严重变形，以致支撑体系承受不住出现失稳，还导致基坑周边的建筑发生较大的差异沉降，最终导致结构裂缝；同时，还对基坑周围的硬性管线也带来影响，在差异沉降严重时出现漏水、漏气等次生的灾害。可见，在进行深基坑土方开挖过程中，特别是软土地区深层水平位移变形尤为明显和重要，必须对其围护结构进行深层水平位移的监测工作，以确保支护体系的稳定性。就目前，对深基坑支护结构的深层水平位移监测主要采用活动式测斜仪，但在实施监测的过程中，操作水平上还存在偏差，以致其监测成果不能很好地反映围护结构的真实变形状态，活动式测斜仪成了深基坑支护结构监测关键环节。因其监测的成果对深基坑的施工工艺是否需要调整，以及对原设计方案进行优化能够起决定性的作用。下文先对活动式测斜仪的测斜原理及其数据处理进行描述，再根据工程实例，介绍软土地区深大基坑支护结构深层水平位移的变形特征，并探讨其变形规律，总结经验，为日后类似工程提供参考。

1测斜仪的测斜原理

对于测斜的应用原理，是将测斜管埋设在被监测的对象内，然后通过对测斜管轴线与铅垂线间夹角测量其变化量，以此来监测土层、围护结构的各深度处水平位移的状况。在测斜仪的种类中，最为广泛应用的是活动式测斜仪。其可通过在测斜管内的探头移动时，连续逐段观测各点的倾斜度，利用累加得出测斜管切向位移的变化情况（如图1所示）。

式中：△Xi为i深度的累计位移（计算结果精确到0.1mm），Xi为i深度的本次坐标（mm），Xi0为i深度的初始坐标（mm），Ai为仪器在0°方向的读数，Bi为仪器在180°方向上的读数，C为探头标定系数，L为探头长度（mm），αi为倾角。

2活动式测斜仪监测读数及数据处理

2.1活动式测斜仪监测读数方法

测斜仪的组成部分有：测斜管、探头、测读仪及电缆。在基坑支护结构施工时，需要将测斜管一起进行埋设，并且要固定好测斜管口，同时标记好水平位移的监测点；当每次测斜读数之前，就必须先记录测读管口的水平位移数值，为能更好地收集测斜的基准读数。测斜仪传感器的工作区位于两对滑轮之间的0.5m区域内，其传感器能够准确测出工作区内的轴线与铅垂线之间的夹角位于测斜管槽口方向对应的分量。操作时，先把传感器高轮对准进行预测位移的方向，然后将其慢慢沉至管底，静置3～5min后，待传感器的温度跟管内的水温相同时，从管底到管顶按顺序分次测出各测段的水平分量，并逐一记录好，在此操作的方向测读的数值应标记为X+；接着把传感器旋转180°放入测斜管内后，重复读取测量数值，并将第二次测读的数值标记为X－；这样就完成1个测回的观测操作了，最后按各深度位置的水平位移偏量发生的变化进行计算，便能求出该深度位置的水平位移情况了。

2.2活动式测斜仪监测数据处理

（1）对于每次通过传感器测出的数据要做相应的质量评价，当然其闭合差依旧为离散性越小越好。不过，其变化的数值要按施工的实际工况加以确定，若是因变形而引起数值变化的，其所得的变化值就出现较为大的增值。

（2）在进行计算方式的选择方面，要依照实际测孔的具体情况来决定。当基坑开挖深度的2.5倍时，测斜管埋设在这样较为深硬的地质层或者嵌岩围护内，在支护桩底部设为不动点进行监测是符合规范标准的。不过，在通常的状态下，就以“孔口控制、孔底自由”的计算方式来进行。此外，对于孔口位移值就需要用光学仪器进行测量确定。

（3）对于应用光学仪器进行测量比较困难或者测量精准度较为低的情形下，如果测斜仪的精准度能够作为有效保证和基坑开挖的深度又比较浅，且具备测孔已经埋设相当深时，是允许以“孔口控制、孔底自由”的计算方法进行处理，然后对最近两次的计算所得的结果进行对比，依照孔底位移值来反推算孔口位移量。

2.3影响监测数据质量的因素

在活动式测斜仪进行监测的过程中，会受到一些因素而影响测出数据的质量。如测斜管的接头连接的地方出现不顺畅；或者在测斜管埋设时，若接头的对接处空隙太多或者回填的密实度不够；或者测斜管若无进行清孔处理；或者管内的导槽壁出现泥浆比较多；或者测斜管的管口出现不稳定的情况；或者测量数据并未得到足够稳定。以上这些都就会有可能影响测斜管的质量及精准度。为此，有必要对活动式测斜仪在深层水平位移变形监测的应用作进一步的探讨。

3工程实例

本工程拟建项目位于珠江口西侧的横琴新区天沐河片区，其地下室基坑呈矩形，东西向长约252m，南北方向长约156m，建筑±0.00=5.950，地面建6栋塔楼，地下室为三层，基坑周长约800m，面积约36880㎡，基坑深度约14.75m。其中基坑底坑中坑1#电梯井开挖深度5.5m，2#、3#、5#和6#电梯井开挖深度4.6m，4#电梯井开挖深度7m。

3.1基坑支护方案

本施工场地基坑面积较大，且开挖较深，因而对深基坑的变形监测要求较为严格，同时，周边地质环境条件较为复杂。为此，应充分考虑深大基坑的安全性、经济性以及施工的稳定性。本基坑采用灌注桩+三道钢筋混凝土支撑+裙边坑内加固+支撑覆盖范围坑内加固的支护形式。地面设计超载：出土口取40KPa，其余各区段均荷载取20KPa。

3.2场地工程地质条件

在勘察深度范围内，按岩土成因及其岩性，自上而下划分为：

（1）人工填土层：成分为粘性土、微风化花岗岩石块等，层厚0.90～9.60m，平均厚3.44m，土质湿，松散，欠压实。

（2）海相沉积层：土质一般较纯，成分为少许贝壳碎屑、石英细砂等，层厚18.30～47.0m，平均厚34.39m，饱和，软塑为主。

（3）海陆交互相沉积层：成分为粘土、淤泥、砾砂、粉质粘土，层厚1.1～17.1m，平均厚4.80m，饱和，软塑为主。

（4）残积层：成分为粘性土、石英砾砂，原岩结构已破坏，层厚2.0～9.3m，平均厚5.4m，土质稍湿，硬塑为主。

（5）燕山期花岗岩：其中全风化花岗岩成分为粘性土、石英砾砂，层厚0.8～13.1m，平均厚5.17m，很湿，坚硬状为主。岩石坚硬程度为极软岩，岩体完整程度极破碎，岩体基本质量等级为Ⅴ类。

3.3支护结构土层剖面情况

本工程项目所在珠海横琴地区的地表以下20～50m土体大多为淤泥土，其物理特性显示土质含水量较高、孔隙比较大；力学特性显示土质强度较低、压缩性较高、渗透性较低、灵敏度较高。（如图2所示）

4深层水平位移变形监测研究

4.1活动式测斜仪应用

本基坑支护工程深层水平位移监测采用美国SINCO生产的加速活动式测斜仪，并严格按有关应用规范及数据处理的方法对基坑围护结构进行监测，包括开挖各工况围护结构累计位移和位移速率、时间效应影响、不同围护边位移差异原因及监测末期实测最大位移与计算值的比较等。

4.2深层水平位移典型监测点布置

由于篇幅有限，本文仅选取本工程基坑西北角三个代表性测斜孔，从基坑土方开挖至底板浇筑后的结构施工期间的变形情况。测斜孔平面布置见图3所示。

3.4监测分析及成果

从本次选取的典型测斜孔，分别给出基坑开挖前、开挖过程中、基坑开挖至底、底板浇筑后以及二三道支撑拆除等等不同工况期间的变形特征曲线，不同工况三个深层水平位移的变形过程出现了明显的且相似的变形特征。测斜孔的深层水平位移变形曲线见图4～图6。

通过以上测斜孔CX2、CX21和CX22的变形曲线特征来看，现总结软土地区基坑支护桩平位移变形情况如下：

（1）软土地区深大基坑支护桩深层水平位移累计位移值非常大，根据图4~图6显示，测斜孔CX2的累计位移值达到270mm，CX21和CX22也超过200mm，远远大于规范及设计给定的报警值。在横琴地区支护桩深层水平位移累计值大，不是个别项目现象，我司其它类似项目累计变形值也超过150mm，据了解其它监测单位类似项目深层水平位移累计值也普遍很大。因此，本文中支护桩深层位移极限变形可作为横琴软土地区基坑设计、施工、监测等的参考。另外，本项目在土体埋设的测斜孔，累计位移值最大超过350mm，也可体现出坑外软土的变形情况。

（2）通过测斜孔CX2、CX21和CX22的不同工况时期变形曲线显示，基坑在土方开挖过程中，累计变形量增长明显，从侧面也反映出变形速率很快，根据本工程实际监测数据显示，在土方开挖卸荷阶段，变形速率甚至达到25mm/d；而在土方开挖间歇期间，变形速率明显放缓及稳定下来。说明土方卸荷后，软土地区基坑外土压力增加明显，造成桩体变形也明显。

（3）根据图4~图6显示，随着土方开挖深度的加大，以及支撑梁的施工，各孔的累计最大位移值往下移，直至基坑开挖至底部底板浇筑后，最终各孔累计最大位移值一般出现在基坑底以下5-8m处（基坑开挖深度14.75m）。因此对软土地区基坑内坑底被动区加固是非常有必要的，各相关单位应特别重视坑内被动区加固的施工，且建议坑底以下5-8m区域的支护桩也应作相应的补强。

（4）深层水平位移在基坑底板浇筑后，基本处于稳定状态，并有一定回弹，在结构施工回填及二三道支撑拆除后，可看出顶部位移在往基坑外偏移回弹。

（5）通过仔细分析测斜孔的变形曲线图，发现变形曲线图并未实际表征出基坑变形的绝对变形情况，只能表征支护桩桩体相对变形情况。通过测斜孔深度对比，CX2和CX22孔深分别为46m和48m，CX21孔深为41m，本工程测斜孔都是以孔底作为不动点（基准点）计算，但通过孔口位移与全站仪实际监测测斜孔孔口水平位移，发现两者位移值不符，且相差较大，甚至测斜仪观测的测斜孔孔口位置水平位移方向是往基坑外，造成该问题的原因，就是测斜孔底部基准点发生向基坑内较大的位移。因此在软土地区，即便测斜孔埋深已经超过基坑开挖深度3-4倍，但仍无法保证孔底能保持不变形。

4结论

通过对本工程实例的分析，可得出以下经验：①软土地区支护桩内深层水平位移累计位移值非常大，现行国家规范规定报警值，不太适用于软土地区，建议设计在确定报警值时可适当放宽；②软土地区基坑开挖过程中必须严格分层分块开挖，避免开挖过快，造成坑外土压力释放过快，导致基坑倒塌危险；③软土地区基坑支护设计时，应重点考虑坑底被动区加固，以及对坑底以下5-8m深度范围支护结构进行加强，各相关单位要特别重视坑底被动区加固质量；④建议软土地区深层水平位移可采用孔口作为基准，并通过全站仪水平位移观测值进行修正。采用孔口作为基准的测斜孔可以适当减小测斜孔深度，只要保证观测至深层水平位移累计最大位移深度以下5m即可，以此降低监测成本和减轻监测工作量。

参考文献

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