敞开式降水对富含饱和软黄土地层深基坑变形影响分析

张小辉 王勇华 杨丽娜 卜崇鹏 王明皎

（机械工业勘察设计研究院有限公司，陕西西安 710043）

0 引言

黄土地区工程实践常遇饱和软黄土地层，在该类地层进行深基坑开挖施工需要采取降水措施。目前，基坑降水措施分为两类。一是封闭式降水，即采用“截水帷幕+坑内疏干井”降水方案，该类方案对周围环境影响较小，但截水帷幕工程造价较高，施工周期较长，而且坑内、外形成的附加水土压力差增加了支护体系的侧向受力。二是敞开式降水，即管井群降水，优点是工程造价较小，施工短，坑内、外水位同时下降，附加的水土压力差小，有利于基坑稳定，节省支护工程费用。然而，在富含饱和软黄土地层进行敞开式降水时，地下水位大面积降低必然会引起含水层失水固结而产生附加沉降[1-4]，对于变形控制要求严格的城市地下结构，开挖支护施工时常引发一系列工程灾害事故，如邻近建筑物出现不均匀沉降及变形拉裂、地表凹陷、邻近管线破坏等。

饱和软黄土是一种浸水后黄土结构并未彻底破坏的欠压密状态的饱和黄土，在西安地区分布较为广泛。由于长期在地下水位以下及毛细水上升影响范围内而处于饱和状态，多呈现软塑或流塑状态，具有高含水量、高压缩性和低承载力的工程特性[5-10]。饱和软黄土的工程特性较之湿陷性黄土、饱和压密黄土存在显著差异。对于富含饱和软黄土地层的典型基坑支护体系，在敞开式降水过程中饱和软黄土的工程特性的变化的研究较少。为此，以西安地区某典型饱和软黄土深基坑工程为依托，探讨在降水的动态过程中饱和软黄土地层强度参数与极限粘结强度变化，并对基坑变形监测数据进行分析，查明敞开式降水对饱和软黄土地区深基坑影响的基本特征，为类似工程提供借鉴。

1 工程概况

拟建场地位于西安市东郊，基坑东西长约216.0 m，南北宽约175.0 m，周长约780.0 m，支护深度为8.42～11.52 m。周边紧邻建（构）筑物（2～6 F）及小区道路，其下分布污水管线。

场地地貌单元属黄土梁洼。基坑影响范围内地层自上而下依次由第四系全新统填土（Q4ml）、上更新统风积黄土（Q3eol）、上更新统残积古土壤（Q3el）、中更新统风积黄土（Q2eol）、及中更新统残积古土壤（Q2el）等构成，各土层的物理力学性质指标见表1。受周边人工湖注水的影响，该区域地下水位有所抬升，致使原地下水位以上的非饱和Q3黄土地层形成欠压密的饱和软黄土地层。在勘察期间，场地地下水位埋深为8.5～10.5 m，地下水属潜水类型，水位年变化幅度约2.0 m。

表1 土的基本物理力学性质指标

根据前述资料可知，场地地下水位位于基坑槽底之上，为有效控制地下水位，确保基坑干槽作业，拟采用敞开式管井降水方案，设计降深约5.0 m，地层综合渗透系数约为4 m/d。因此，需要考虑降水引起饱和软黄土层失水固结沉降，即欠压密饱和黄土失水而产生变形。选取基坑西侧进行降水对基坑变形影响分析。基坑西侧临近多栋住宅（筏板基础埋深约2.0 m，条基埋深约1.5 m），基坑支护深度约9.88 m，基坑开挖底边线距建筑物外墙最小距离为2.5 m（见图1）。为保证基坑及邻近建筑物、管线安全，需严格控制该侧基坑变形，为此，对该侧基坑采用了护坡桩+二次压浆锚索的支护（见图2），具体支护设计参数如下：（1）护坡桩及冠梁：桩径0.8 m，桩长18.0 m，桩间距1.50 m；冠梁尺寸为0.8 m（宽）×0.5 m（高）；均采用C30 钢筋混凝土。（2）锚索：共设置两道锚索，锚孔直径150 mm，杆体采用3 束1860 级7φs15.2 钢绞线，锚索长度15.0～19.0 m，采用了二次高压注浆工艺。

图1 基坑西侧平面示意图

图2 基坑西侧支护设计典型剖面图（单位：mm）

（3）降水井：为避免降水引起饱和软黄土的固结对周边多层建筑物的影响，将降水井布置在坑内，距基坑开挖线约10.0～15.0 m；降水井孔径800 mm，无砂混凝土滤水管径600 mm，井深35.0 m，井间距25.0 m。

2 降水前、后饱和软黄土工程特性

为确定饱和软黄土地层中锚索的极限承载力以及注浆固结体与土层的粘结强度，并验证锚索设计参数及施工工艺的合理性，对锚索进行了拉拔试验。在锚索成孔的施工过程中，发现饱和软黄土地层缩孔严重，孔内土层多呈流塑状向外流出（见图3），调查发现现场只开启部分降水井，未形成封闭降水效应，并且未按设计预降期（30 天）提前降水。经多方沟通、协调后，要求降水井全部开启形成封闭降水，并确保持续降水15 天后方可开展锚索成孔和注浆，以尽可能降低③层饱和软黄土的含水量，使③层饱和软黄土的物理力学性能在降水后获得改善，以利于锚索的成孔和锚索拉拔力的提高。

图3 锚索成孔施工情况

在锚索大面积施工前开展了3 组锚索拉拔试验，试验锚索长度16.0 m，自由段6.0 m，锚固段10.0 m，锚索现场基本试验见图4。3 组试验的抗拔力与位移关系的Q-s曲线见图5，随着变形的增加，抗拔力整体上呈现线性单调增长趋势，尚未出现变形拐点，即在试验的范围内，锚索的自由段与锚固段皆处于弹性阶段，尚未发生塑性屈服阶段。根据拉拔试验结果，确定出锚索抗拔极限承载力标准值为315 kN，相应地反算出锚固体与土层的平均极限粘结强度标准值约为66 kPa，该值比勘察提供的极限粘结强度标准值（40 kPa）提高了65%，表明降水后饱和软黄土地层的物理力学性能得到了改善，有助于锚索拉拔力的提高。

图4 锚索现场基本试验

图5 锚索基本试验Q-s 曲线

待地下水位整体降至坑底以下1.0 m，且降水达到稳定后，钻取基坑侧壁③层饱和软黄土土样，与降水前同土层土样的物理力学性质试验指标对比（见表2）。由表2 可见，降水后③层饱和软黄土所取土样含水量降低约27.4%，重度降低约7.0%，饱和度降低约29.7%，土体失水固结由软塑变为可塑，由高压缩性土变为中压缩性土，黏聚力提高了62.5%，内摩擦角提高了24.0%。而降水后③层饱和软黄土的孔隙比和干重度变化不大，反映了上覆土层的自重应力尚无法使失水后黄土的结构发生改变，该层黄土仍处于欠压密状态。

表2 降水前、后③层饱和软黄土的物理力学性质指标

根据《湿陷性黄土地区建筑基坑工程安全技术规程》（JGJ 167-2009）[11]，按照土的状态或密实度查表，本场地降水后的③层黄土对锚固体的极限粘结强度标准值约为50 kPa，据此计算锚索的极限抗拔承载力标准值为236 kN。而锚索拉拔试验实测极限抗拔承载力标准值为315 kN，极限粘结强度标准值约为66 kPa，较规范建议值提高约32%。

3 现场变形监测数据分析

为实时监测基坑与邻近建筑变形，沿基坑西侧坑顶设置了变形监测点。选取监测点d32、d36、d42监测数据进行分析，坑顶水平位移与沉降时程线如图6 所示。由图6 可见，基坑开挖期间，坑顶水平位移与沉降随着开挖工况逐渐增大，开挖深度较小时增幅较小，随着开挖深度增大时幅度较大，监测点中部水平位移相对两边较大；沉降变化规律大体一致，并且差异沉降很小。2020 年10 月2 日基坑开挖至坑底后，坑顶水平位移与沉降逐渐趋于稳定，水平位移最大值约19.0 mm，沉降最大值约7.5 mm。

图6 基坑变形监测成果图

图6 中基坑变形存在2 个拐点，将变形曲线划分为3 个阶段，2 个拐点分别对应于第一道锚索施工及张拉锁定节点（2020 年1 月7 日）和第二道锚索施工及张拉锁定节点（2020 年6 月30 日），曲线发展变化特征反映出锚索张拉、锁定可有效控制基坑变形，改变支护结构受力条件。基坑开挖至设计标高后，坑顶沉降相对于水平位移更先趋于稳定，说明降水处于稳定状态后，坑顶邻近建筑物固结附加沉降变形逐渐减小；而受施工荷载影响，坑顶水平位移继续小幅度增加而趋于稳定状态。

4 降水前、后基坑变形计算对比分析

基于理正深基坑计算分析软件，采用平面杆系结构弹性支点法，土压力模型采用弹性法土压力模型，沉降变形计算采用指数法，选用降水前、降水后的土层物理力学性质指标计算，与监测数据对比分析降水对开挖工况下基坑变形的影响，基坑变形对比情况如图7 所示。基坑坑顶水平位移与沉降随着开挖深度增大而逐渐增大，降水前、后计算值整体大于变形监测值。降水后理论计算水平位移比降水前小29.6%，更接近变形监测值。表明降水稳定后，降低饱和软黄土等土层的含水量，土层的物理力学性能得到改善，基坑侧壁土压力变小，基坑实际变形小于理论计算值，基坑变形得到有效控制。降水后理论计算沉降比降水前小25.9%，约比实测变形监测值大2 倍。坑顶沉降理论计算与实际出入较大，实际沉降约为计算值的0.3 倍。据此，后期类似基坑沉降理论分析时，沉降经验系数可参考此数值做适当调整。

图7 基坑变形理论计算与实测对比图

5 结论

（1）在富含饱和软黄土地层进行基坑降水时，为使软黄土更好地完成失水固结，应于开挖前提前降水，具体预降期可根据工程经验结合局部开挖验证确定。

（2）富含饱和软黄土地层基坑降水稳定后，黄土地层物理力学性能得到较大改善，含水量降低约27.4%，重度降低约7.0%，饱和度降低约29.7%，土体失水固结由软塑变为可塑，由高压缩性土变为中压缩性土，黏聚力提高62.5%，内摩擦角提高24.0%。

（3）根据锚索拉拔试验，饱和软黄土地层失水固结后对锚索注浆固结体的极限粘结强度标准值约为66 kPa，较规范建议值提高约32%。

（4）敞开式基坑降水降低了饱和软黄土地层的含水量，使其物理力学性能得到改善，基坑侧壁土压力变小，锚索抗拔承载力提高。经对比分析，基坑实际变形值小于理论计算值，基坑变形得到了有效控制。