深基坑开挖对周边土体沉降位移的影响

深基坑开挖对周边土体沉降位移的影响

魏虎林

青海岩土工程勘察咨询有限公司 西宁 810012

摘 要：深基坑工程开挖会造成坑内土体应力解除以及基坑周边产生临空面，这导致坑底土体产生隆起变形，其中隆起变形包括弹性回弹和塑性隆起。支护结构在两侧水土压力的作用下产生侧移变形。在开挖卸荷引起的坑底隆起变形和支护结构水平变形的共同影响下，基坑周边土层也会产生沉降变形。

关键词：深基坑工程；周边土体；沉降位移

1 引 言

深基坑工程的开挖过程相当于坑内土体卸载过程。一方面，基坑开挖使得坑底土体产生隆起变形，另一方面，由于基坑开挖会产生临空面，因此导致支护结构在两侧水土压力差的作用下发生面向坑内的水平位移变形。在坑底隆起和挡墙侧移的共同作用下，深基坑周边土体也会发生沉降变形。由此可知，深基坑周边土体发生沉降变形的主要原因是坑底隆起变形和支护结构水平变形。通常情况下，如果基坑开挖深度较大、土质条件较差，那么基坑工程外侧的土体塑性区域较大，坑外土体向坑内和坑底产生更大的位移量[1-3]。

坑内土体开挖必然会引起周边土层产生位移变形，对周边既有的建筑物、地下管道、地铁隧道、道路等设施的正常使用产生不利的影响，甚至由于基坑开挖造成的变形过大，引起周边既有建筑物或构筑物拉裂破坏，造成严重的社会影响。其中，地表沉降是基坑周边土体位移的主要表现形式，也是坑内土体开挖对周边环境影响的主要方式，因此对基坑周边地表沉降进行监测具有必要性。

2 工程概况

沈阳某深基坑工程项目位于沈阳市青年大街5号地，该地块临近市政府广场。工程占地面积超过10000 m²，基坑长约125m,宽73m，最大开挖深度为20.5m，基坑支护结构周长约为425m。基坑设计安全等级为一级，侧壁重要性系数取1.1。

勘察报告显示基坑所在场地地基土为第四系全新统（Q4）和上更新统（Q3）的杂填土、黏性土、砂土及碎石土，下伏第三系始新统（E2）的泥质砾岩。

图1 基坑支护结构布置图

如图1所示，深基坑工程支护结构如下所述。基坑西侧和基坑北侧的1-1剖面采用钢筋混凝土灌注桩作为主体支护结构；基坑南侧的2-2剖面采用直径为800mm的钢筋混凝土灌注桩作为主体支护结构；基坑东侧的3-3剖面采用双排直径为Φ1000的钢筋混凝土灌注桩；基坑东侧的4-4剖面双排直径为Φ1200的钢筋混凝土灌注桩；基坑采取管井降水措施，基坑降水水位按24米考虑，沿基坑周边按20米间距布置降水井，共布置21眼井，排水设备采取潜水泵，排水量不小于80m³/h。

3 基坑周边土体沉降变形

3.1 双排桩后土体地表沉降分析

双排桩支护挡墙位于基坑东侧，墙后布置16个地表沉降监测点。为了分析双排桩后土体地表沉降变形规律，本文选取某个监测点作为分析对象，分析双排桩挡墙外侧的地表沉降变形规律。

图2双排桩外侧地表沉降曲线

综合分析图2中各个工况下的地表沉降曲线，可以得出如下几条规律：

（1）从工况5开挖一直到工况7，双排桩后的地表沉降曲线呈现出凹槽形，坑外土体的最大沉降不是发生在紧邻墙背处土体，而是在距离挡墙大约0.45倍基坑开挖深度处。从图3.7双排桩后地表沉降曲线还可以看出，工况5以后，虽然坑内土体开挖深度不断加深，但是墙后发生最大地表沉降的位置几乎不变。

（2）坑内土体在第一步开挖时，最大地表沉降值为13.53mm，发生在距离挡墙5m处的位置，开挖到工况2时，坑外土体的最大地表沉降为15.83mm,与第一次开挖时相差7.1mm,而开挖到工况5时，最大地表沉降已经达到22.43mm,与工况2相差6.6mm,说明随着基坑开挖深度的不断加深，坑外土体的地表沉降变形也在不断加大，即基坑开挖深度是地基土体沉降变形一个重要影响因素。

（3）在工况7中，最大地表沉降达到38.01mm,已经超过地表沉降的最大允许值35mm，说明应该采取一些必要的措施以保护周边建筑物的安全，如坑内土体加固，增加支护系统的刚度等。

3.2 灌注桩后地表沉降分析

选取灌注桩附近地表沉降变形监测点，分析不同工况对应的地表沉降变化规律。

图3基坑南侧地表沉降曲线

综合分析图3中各个工况下地表沉降线，可以得出以下变化规律：

（3）从基坑南侧地表沉降曲线可以看出，墙后地表沉降曲线呈现凹槽型，最大的地表沉降值发生在距挡墙约0.41倍基坑开挖深度处，并且随着距支护挡墙的距离逐渐增大，地表沉降值越来越小，其变化特点与双排桩后地表沉降曲线相似。

（4）在工况6和工况7中的沉降值出现了“回弹”现象，其原因是监测点紧邻能源大厦，当基坑大面积开挖时，由于土体卸荷作用，坑内深层土体的回弹量比较大，可能会带动坑外一定距离内的深层土体产生回弹，又由于坑外地下结构的桩土作用，使得能源大厦出现回弹变形，所以靠近能源大厦的地表沉降会产生随着基坑开挖深度不断加大而减小的现象。

3.3 空间效应对地表沉降的影响分析

无论基坑的长度、宽度以及开挖深度如何变化，从根本上说，基坑工程的受力和变形都是一个复杂三维空间问题，国内外很多学者通过分析工程实例数据和数值计算结果，也证实了空间效应客观的存在于每一个基坑工程中，并且基坑开挖长度与基坑开挖宽度的比值越大，空间效应对基坑开挖的变形影响就越加的显著，因此在研究坑外地表沉降时有必要考虑空间的效应的影响。

为了对比分析各组监测点的地表沉降曲线，以基坑中部位置为坐标原点，将同一工况下各个监测组的地表沉降数据绘于图4中。

图4各个监测组的地表沉降曲线

综合分析图4各个监测组的地表沉降曲线，可以得出如下几条规律：

（1）从图4各个监测组的地表沉降曲线可以看出，虽然三个监测组与支护挡墙的距离都不相同，但是地表沉降曲线的变化规律十分接近，都表现为基坑中部监测点的地表沉降变形大于两侧角点处的地表沉降变形，使坑外地表沉降在平行基坑的方向呈现出凹槽型沉降，如图4所示。表明基坑周边土体的沉降变形要受到空间效应的影响。

（2）由上面双排桩后地表沉降分析和灌注桩后地表沉降分析可知，坑外土体的地表沉降在垂直于基坑方向可能呈现凹槽型或者三角型沉降形态；另外，根据（1）的研究结果表明，基坑开挖由于受到空间效应的影响，使得坑外土体的地表沉降在平行于基坑的方向也呈现出凹槽型。因此，在基坑坑角处，坑外土体在平行于基坑方向和垂直于基坑方向都发生了不均匀的凹槽型沉降，导致坑角处土体呈现三维曲面的沉降形态，这使得坑角周边的既有建筑物沉降形态为双向转动，即坑角附近的建筑物墙体沿着任意方向都可能被拉裂破坏。

4 结论

本章结合沈阳某深基坑工程的实测数据，深入分析了桩顶侧移、桩顶沉降以及坑外土体的变形特性，主要的分析结论如下：

（1）坑外土体可能发生凹槽型地表沉降也可能发生三角型地表沉降，当发生凹槽型地表沉降时，最大地表沉降发生在距离挡墙约0.42倍基坑开挖深度处，并且最大沉降位置不随基坑开挖深度改变而改变；当发生三角型沉降时，最大沉降发生在挡墙墙背位置处，地表沉降随着与挡墙距离的增大而逐渐减小。

（2）坑外土体的地表沉降也要受到空间效应的影响，导致坑外土体在平行于基坑的方向呈现凹槽型沉降形态。

（3）在基坑坑角处，坑外土体的在平行于基坑方向和垂直于基坑方向都发生了不均匀的凹槽型沉降，导致坑角处土体呈现三维曲面的沉降形态，使坑角周边的建筑物的沉降形态为双向转动，即坑角建筑物墙体眼任意方向都可能拉裂破坏。

参考文献：

[1] 王建华, 徐中华, 王卫东. 支护结构与主体地下结构相结合的深基坑变形特性分析[J]. 岩土工程学报, 2007, 29(12): 1899-1903.

[2] 丁勇春, 王建华, 徐中华, 等. 上海软土地区地铁车站深基坑的变形特性[J]. 上海交通大学学报, 2008, 42(11): 1871-1875.

[3] 徐中华, 王建华, 王卫东. 上海地区深基坑工程中地下连续墙的变形性状[J]. 土木工程学报, 2008, 41(8): 81-86.