降雨影響下殘積土層中深基坑變形特性測試及分析

肖朝昀，李明廣，王大發(fā)，陳錦劍

(1. 華僑大學 土木工程學院， 福建 廈門 361021； 2. 上海交通大學 土木工程系， 上海 200240)

表1 基坑場地主要土層的力學指標Tab.1 Mechanical indices of main soil layer in foundation pit site

花崗巖殘積土作為一種區(qū)域性特殊土，是廣東、福建等地大部分工程建設的地基基礎(chǔ)和地質(zhì)環(huán)境的重要介質(zhì)[1-2].在正常狀態(tài)下，大部分花崗巖殘積土處于非飽和狀態(tài)，具有較高的強度和承載力，在基坑施工過程中所引起的環(huán)境變形較小，基坑的安全系數(shù)較高.已有研究多集中于軟土[3]、粉土[4-5]、砂土[6]的基坑工程，而對殘積土基坑的變形關(guān)注較少.非飽和狀態(tài)的花崗巖殘積土土體內(nèi)部存在大量的原生裂隙，具有孔隙比大、水穩(wěn)性差等特點[4].當基坑工程在非飽和花崗巖殘積土環(huán)境中進行施工時，隨著殘積土含水量的增加，土體的抗剪強度減小.因此，降雨會增大殘積土中基坑施工的風險.

目前，關(guān)于非飽和殘積土力學特性的研究較多.陳東霞等[7-8]采用濾紙法測試了廈門地區(qū)殘積土的土-水特征曲線，討論了初始含水量、干密度、豎向應力和干濕循環(huán)對脫濕曲線的影響，并進行了不同含水量的殘積土剪切試驗，獲得了含水量對摩擦角和黏聚力的影響規(guī)律，建立了強度經(jīng)驗公式，用于指導實際工程.關(guān)于非飽和殘積土工程性質(zhì)的研究主要集中在邊坡工程[9-10]，而降雨對殘積土基坑變形的影響研究較少.楊小莉[11]統(tǒng)計分析了廈門地區(qū)13個深厚殘積土基坑的監(jiān)測數(shù)據(jù)，探究了由于殘積土基坑開挖造成的結(jié)構(gòu)和土體變形特性，但忽視了降雨對殘積土基坑變形響應的影響；沈啟煒[12]采用數(shù)值模擬的方法建立了廈門某地鐵車站基坑的三維地質(zhì)模型，探究了水土耦合條件下基坑的變形響應，但缺乏典型工程案例驗證.

研究依托廈門第二西通道石鼓山段上跨地鐵基坑工程(施工期間經(jīng)歷長達7 d的持續(xù)降雨)，開展施工過程中的現(xiàn)場監(jiān)測.基于監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了殘積土基坑在開挖過程中的結(jié)構(gòu)和土體變形響應.結(jié)合現(xiàn)場降雨情況，進一步探討了降雨對殘積土基坑變形特性的影響.

1 工程概況

1.1 基本情況

基坑位于廈門第二西通道工程湖里區(qū)明挖段石鼓山立交A3-I-1區(qū)段，基坑上跨廈門地鐵1號線一期工程火炬園站—高殿站區(qū)間隧道，地鐵隧道與本基坑工程在平面上呈55° 斜交，如圖1所示.基坑北側(cè)長約66.5 m，南側(cè)長約43.7 m，基坑寬約32.8 m.西側(cè)西邊緊靠路面平均標高約5.0 m(場地標高為0)的嘉禾路(已運營道路).基坑開挖深度為 11.3～13.7 m，坑底距地鐵區(qū)間隧道拱頂凈間距約為6.4 m.下臥隧道中心標高-23.0 m，基坑根據(jù)安全等級劃為一級基坑.

1.2 地質(zhì)條件

地勘報告顯示工程場區(qū)屬于剝蝕殘丘地帶，經(jīng)人工堆填改造過，基坑范圍內(nèi)的地層主要分為6層.各土層力學指標如表1所示。其中，γ為重度，c為黏聚力，φ為內(nèi)摩擦角，Es為壓縮模量，σ0為容許承載力，ν為泊松比.第1層為雜填土，分布在0～-3 m的范圍內(nèi)，成份以碎石、砂礫及花崗巖殘積土為主，局部夾雜少量生活垃圾，填埋時間超過10年；第2層為粉質(zhì)黏土，分布在 -3～-5 m的范圍內(nèi)，呈硬塑或半干硬狀，成分以長石等礦物風化后的黏粒、粉粒為主，含質(zhì)量分數(shù)10%～15%的石英顆粒，可見少量黑云母碎片；第3層為殘積礫質(zhì)黏性土，在基坑 -5～-15 m的范圍內(nèi)大量分布，其黏性較差，系母巖花崗巖風化殘積物，遇水后易軟化、崩解，局部夾雜未風化孤石；第4層為全風化花崗巖，主要分布在坑底以下(-15～-23 m)的位置，呈灰黃或灰白色，除石英以外其他礦物風化為粉末或黏粒，巖體已呈砂土狀，手捏即散；第5層為砂礫狀強風化花崗巖，呈褐黃、灰白色等，巖石風化嚴重，結(jié)構(gòu)基本破壞，巖體呈砂礫狀，成份主要為未完全風化的長石、石英和云母，分布在 -23～-35 m 范圍內(nèi)；第6層為塊狀強風化花崗巖，巖石結(jié)構(gòu)破壞嚴重，呈碎石夾砂礫狀，巖塊大多質(zhì)軟，多數(shù)手可掰碎，分布在-35 m 以下的地層中.

1.3 基坑支護結(jié)構(gòu)布置方案

根據(jù)基坑的規(guī)模和周邊環(huán)境以及地形地貌，采用?1 000 mm@1 200 mm的灌注樁作為基坑圍護樁，正常段圍護樁樁長23.0 m，上跨地鐵隧道段北側(cè)圍護樁樁長17.0 m，樁底與地鐵區(qū)間隧道拱頂凈間距約 2 556 mm；南側(cè)圍護樁樁長16.5 m，樁底與地鐵區(qū)間隧道拱頂凈間距約 2 447 mm.基坑立柱距地鐵隧道水平最小距離3.6 m.基坑用1道 900 mm×900 mm 的鋼筋混凝土 (中心標高 -0.5 m)加2道內(nèi)徑609 mm的鋼管 (中心標高分別為 -5.5、-8.9 m)作為基坑內(nèi)支撐，鋼支撐預加軸力為500 kN，支撐平面布置和基坑立面示意如圖2所示.基坑底部采用袖閥管注漿，并以 1 000×1 000 梅花型布置加固，加固深度4.0 m.基坑底板厚1.9 m，底板墊層 200 mm.

1.4 開挖工況

基坑在實際開挖時共分為2個區(qū)域.其中，區(qū)域 I 位于基坑西側(cè)，為基坑的主要開挖區(qū)域，區(qū)域II位于基坑東側(cè)，為基坑的出土區(qū)域.整體工況共6種，如圖3所示.5月30日之前為工況一，主要進行基坑圍護樁和第一道鋼筋混凝土支撐的施工，基坑整體開挖深度約1 m；5月30日至6月7日為工況二，此階段基坑整體開挖至 -7 m；6月8日至14日為工況三，區(qū)域I開挖至 -10 m，進行第二道支撐的施工，區(qū)域 II 未開挖；6月14日至23日為工況四.由當?shù)?月份每日降雨量統(tǒng)計圖(見圖4)可以看出，6月14日至20日施工現(xiàn)場遭遇連續(xù)降雨，最大降雨量超過200 mm/d[13]，因此工況四前期繼續(xù)進行第二道支撐的施工，區(qū)域 II 未開挖.6月20日雨停，進行排水清淤，降雨后的基坑現(xiàn)場如圖5所示；6月23日至7月2日為工況五，區(qū)域 I 開挖至坑底(-12.8 m)，同時開始進行第三道支撐和區(qū)域內(nèi)部底板墊層的施工，區(qū)域 II 仍未開挖；7月2日至10日為工況六，區(qū)域 II 開挖并一次性挖至坑底，底板墊層全部施工結(jié)束.

2 監(jiān)測方案

為確?；邮┕ろ樌M行及基坑周邊環(huán)境的安全，現(xiàn)場監(jiān)測基坑開挖過程中的土體變形和圍護結(jié)構(gòu)變形，重點關(guān)注基坑圍護樁側(cè)向變形和坑外地表沉降變形.其中，圍護樁側(cè)向變形用測斜儀測試，精度為±0.01 mm/500 mm；地表沉降用徠卡LS10水準儀測試，精度為0.1 mm.監(jiān)測點布置如圖6所示，主要包括11個圍護樁樁身側(cè)向變形測點(CX1～CX11)和14個地表豎向變形測點(D1-1～D4-4).

3 實測結(jié)果及分析

3.1 圍護樁側(cè)向變形

圖7為各圍護樁樁身側(cè)向變形測點(測點CX8損壞)的樁身側(cè)向變形(δh)隨開挖深度(h)分布的監(jiān)測結(jié)果，其中正值表示向開挖側(cè)變形，負值表示向未開挖側(cè)變形.結(jié)果顯示樁身側(cè)向變形呈凸鼓狀分布.開挖結(jié)束后，樁身產(chǎn)生最大側(cè)向變形的深度為8～11 m，位置為基坑西側(cè)斜邊中部的測點CX10.同時，測點CX1、CX2、CX9～CX11處的樁身側(cè)向變形比測點CX4～CX7的大，原因為前者測點位于基坑西側(cè)區(qū)域，受到來自嘉禾路高邊坡產(chǎn)生的土壓力作用，樁體側(cè)向變形更大.

圖8為基坑圍護樁最大側(cè)向變形(δhmax)隨施工日期變化的監(jiān)測結(jié)果，其中正值表示向開挖側(cè)變形，負值表示向未開挖側(cè)變形.結(jié)果表明：隨著開挖的進行，圍護樁最大側(cè)向變形不斷增大；開挖結(jié)束后，變形的最大值出現(xiàn)在基坑斜邊中部區(qū)域的測點CX10.在工況四階段，因連續(xù)降雨，基坑未開挖，圍護樁最大側(cè)向變形幾乎不變；后期雨停，區(qū)域 I 進行排水清淤，最大側(cè)向變形逐漸增大.在工況五階段(見圖8(a))，區(qū)域 I 繼續(xù)開挖至坑底，基坑西側(cè)區(qū)域測點CX1～CX3、CX9～CX11的最大側(cè)向變形急劇增加，其原因主要為基坑區(qū)域內(nèi)存在大量的殘積礫質(zhì)黏性土，降雨使其結(jié)構(gòu)遭到破壞，承載力急劇降低，同時支撐不及時導致變形急劇增大.在工況六階段(見圖8(b))，區(qū)域 II 從 -7.0 m處直接開挖至坑底，基坑東側(cè)區(qū)域測點CX4～CX7的最大側(cè)向變形因土體卸荷而不斷增大.從圖8(a)和(b)中可以看出，降雨引起的變形增加具有明顯的滯后性，可能的原因是殘積土層滲透性較差，入滲需要一定時間，當雨水滲入影響到滑裂面土體性質(zhì)時，墻體變形才會急劇增加.

3.2 坑外地表沉降分布

圖9為坑外地表沉降(δs)隨施工時間的變化規(guī)律.其中，負值表示沉降，正值表示隆起.結(jié)果表明：隨著開挖的進行，坑外地表沉降不斷增加.在工況四階段，因連續(xù)降雨，基坑未開挖，坑外地表沉降幾乎不變；后期雨停，區(qū)域 I 進行排水清淤，殘積土浸水導致結(jié)構(gòu)弱化，使得地表豎向變形逐漸增大.在工況五階段，區(qū)域 I 開挖至坑底，區(qū)域影響范圍內(nèi)土體的開挖卸荷以及支撐措施不及時導致地表變形急劇增大.此外，因為基坑南側(cè)的地質(zhì)比北側(cè)好，所以測點D1、D2的地表沉降實測數(shù)據(jù)小于測點D3、D4.

4 案例統(tǒng)計與對比分析

選取與本文基坑地質(zhì)和支護條件相似的廈門無降雨影響基坑的實測數(shù)據(jù)[11]作為對照組，探究降雨對殘積土基坑變形特性的影響.

圍護樁最大側(cè)向變形分布對比如圖10所示.結(jié)果顯示，開挖深度為12.8 m時的最大側(cè)向變形的變化范圍為0～0.375%h，約為其他開挖深度時變形最大值的1.5倍.這是由于開挖前期遭遇長達7 d的連續(xù)降雨，基坑區(qū)域內(nèi)殘積土遇水結(jié)構(gòu)弱化，開挖卸荷作用下的變形增大.其他開挖深度下的最大側(cè)向變形的變化范圍為0～0.25%h，實測結(jié)果與廈門無降雨影響基坑的變形結(jié)果基本一致.

基坑的坑外地表沉降分布對比如圖11所示，縱坐標為歸一化的坑外地表沉降(δs/he)，橫坐標為歸一化的測點距基坑邊距離(d/he)，he為基坑最終開挖深度.結(jié)果表明：本文基坑開挖引起的坑外地表沉降影響范圍為0～2.5he，最大沉降小于0.15%he，處于中等硬度黏土基坑的坑外沉降包絡線[14]和砂土、硬黏土基坑坑外地表變形包絡線[15]以內(nèi).同時，本文基坑包絡線的縱截距與廈門無降雨影響基坑的包絡線縱截距相同，但地表沉降的影響范圍更大，約為2he，該結(jié)果表明降雨會增大殘積土基坑坑外地表沉降的影響范圍.

5 結(jié)論

本文基于廈門地鐵明挖基坑實測數(shù)據(jù)，分析了殘積土基坑在開挖過程的變形特性，并與廈門無降雨影響基坑的變形響應進行對比，探究了連續(xù)降雨對基坑變形特性的影響，結(jié)論如下：

(1) 隨著開挖的進行，基坑圍護樁側(cè)向變形不斷增大.圍護樁最大側(cè)向變形在降雨停止后有急劇增大的趨勢.降雨影響下，開挖結(jié)束后的圍護樁側(cè)向變形變化范圍為0～0.375%he，地表沉降影響范圍為0～2.5he，最大沉降約為0.15%he.

(2) 無降雨影響時，基坑圍護樁側(cè)向變形的變化范圍為0～0.25%h，地表沉降影響范圍為0～1.5he，最大沉降約為0.15%he.降雨使基坑圍護樁最大側(cè)向變形增大，約為無降雨影響下的1.5倍，地表沉降影響范圍從1.5he增至2.5he，降雨對地表最大沉降的影響較小.

(3) 降雨會減小殘積土層中基坑坑底及兩側(cè)殘積土的基質(zhì)吸力和抗剪強度，改變作用在圍護樁兩側(cè)的土壓力，增大樁身側(cè)向位移.若雨水持續(xù)入滲，影響坑外滑裂面附近土體的力學性質(zhì)，則后續(xù)開挖擾動會造成更加顯著的影響.

(4) 當遭遇強暴雨時，應及時對殘積土層中的基坑進行排水，防止積水入滲改變坑外土體性質(zhì).此外，降雨對基坑的影響具有滯后效應，因此后續(xù)開挖應持續(xù)關(guān)注基坑變形，并適當采取加強支護結(jié)構(gòu)剛度的措施.