软土基坑施工优化离心模型试验

崔纪飞 马际首 李镜培，* 陈 琳 王 成

（1.同济大学岩土及地下工程教育部重点试验室，上海200092；2.同济大学地下建筑与工程系，上海200092；3.上海南汇建工建设（集团）有限公司，上海201399）

0 引 言

近年来各大城市建设项目的数量和规模迅速增大，涌现出了诸如高层建筑地下室、地铁及地下车站、地下商场、地下变电站、地下民防工事等大量技术复杂的基坑工程项目［1］。同时，城市建设用地日益紧张，越来越多的深基坑在城市建筑密集区内施工，且大多邻近已有建筑物、地下管线、地下隧道等，深基坑施工必然会对周围既有建（构）筑物的受力和变形产生不利影响。特别是对于软土地层中的深基坑，一方面由于软土地层强度低、地下水位高、土压力分布复杂和承压水广泛分布等特点，使得深基坑施工面临土体滑移、基坑失稳、桩体变位、坑底隆起等难题；另一方面，繁华市区基坑工程处于建筑物、重要地下构筑物和生命线工程密集地区，基坑开挖卸荷和降水引起的土体位移不可避免地对既有建筑物和地下管线产生影响，严重时会由于变形过大发生基坑坍塌事故，影响周围建筑物的安全和正常使用，导致巨大的经济损失和恶劣的社会影响。在软土地层复杂环境条件下进行深大基坑施工时，现有常规基坑施工技术己经难以满足严格的环境要求，基坑施工将面临复杂技术难题和施工风险的挑战［2-4］。因此，如何通过施工优化机制有效地控制基坑施工过程中围护结构及邻近建（构）筑物及地下管线的变形，在施工全过程中准确合理地预测和控制基坑施工对周边环境的影响，提出软土地层复杂环境下基坑施工优化技术成为当前基坑工程的关键问题。

国内外学者从理论分析［5-6］、现场监测［7-8］、数值模拟［9-10］和室内试验［11-13］等多种研究手段出发，对基坑施工优化技术进行了大量的研究。肖武权等［14］运用多目标决策模糊集理论和层次分析法对深基坑支护方案和所选支护类型细部结构的设计计算两个方面的优化进行了探讨。丁伟祥［15］分析了天津滨海地区软塑地质条件下的若干不同类型深基坑支护工程的施工过程控制措施及实施效果，探索了该地区在不同基坑大小、深度、不同周边环境等条件下基坑支护形式的选择。唐长东［16］对邻近地铁划分独立分坑先后施工对地铁的影响进行分析，同时通过对分坑分区施工与整体施工分析，得出分区分坑施工与整体施工相比，对邻近地铁的影响降低30%。从以上分析可以看出，不同施工工艺对基坑围护结构变形及周围环境有较大影响，因此研究不同施工工艺的影响可为优化基坑设计方案，减小基坑开挖对周围环境影响提供重要的参考。

但是理论研究由于土体复杂的本构关系以及基坑工程本身的复杂性，难以从机理上对围护结构和土层变形做出解释；现场监测仅能得到某一开挖方式的数据，难以对比不同开挖分区方式的变形特点。数值模拟也由于土体参数设置以及接触和大变形问题，常造成收敛困难甚至计算结果失真。而土工离心模型试验通过使模型承受大于重力加速度的离心加速度作用，可以在模型中模拟和原型中相同的应力水平来研究原型的性状，同时通过变换基坑模型可以模拟同一基坑的不同分区开挖形式。本文以上海五坊园三期基坑工程为依托，开展了两组不同开挖分区的基坑离心模型试验，测定了相应开挖卸荷方式对应的基坑围护结构的变形规律，对比分析了不同分区开挖方法对基坑围护结构及周边地层变形的影响规律。本文试验结果对于所依托项目的施工优化起到了重要的指导作用，保证了基坑自身和邻近建（构）筑物及地下管线的安全，提高了工作效率，节约了施工工期和返工材料，减少了地基处理等费用；同时，研究成果可为上海及长三角地区的深基坑工程的优化设计和施工提供有效的技术指导及参考。

1 工程背景

1.1 工程概况

五坊园三期项目位于上海黄浦区，地块被东侧河南南路、南侧陆家浜路、西侧迎勋路及北侧江阴街环绕而成。本工程1 号楼和2 号楼为住宅；3号楼和4 号楼为配套商业+住宅；5 号楼为三层商业楼；6号楼为变电站；7号楼为门卫；地下车库为地下两层，建筑面积78 225 m2。基坑开挖面积约12 000 m2，基坑周长约458 m，采用0.8 m厚和0.6 m厚的地下连续墙围护结构，内部采用两道混凝土支撑，结合一道支撑布置施工栈桥和挖土平台，基坑开挖深度9.2～9.65 m，挖土量约为11 万m2。该基坑采用明挖顺作法施工。为减小基坑开挖卸荷对周围建构筑物的影响，施工采用分区施工方案，将基坑划分为一大二小三个施工区域，先施工面积最大的A 区，待A 区结构出±0.00 后再施工B区，待 B 区结构出±0.00 m 后再施工 C 区。其中，A区基坑面积9 140 m2，开挖深度9.2～9.65 m；B区基坑面积1 466 m2，开挖深度约9.2～9.35 m，C区基坑面积1 425 m2，开挖深度9.2～9.65 m。基坑平面及开挖分区如图1所示。

1.2 场地工程地质概况

拟建场地原有建筑大部分已拆除，场地地势在陆家浜后街北侧略有一定起伏，在陆家浜后街南侧地势平坦，场地标高为3.42～3.79 m。经勘察，拟建场地位于正常地层分布和古河道地层分布交界沉积区，地基土分布有一定变化，古河道区域第⑥层硬土层缺失，第⑦层埋深较大。自地表以下95.49 m 深度范围内主要由饱和黏性土、粉性土、砂土等组成，按其沉积时代、成因类型及其物理力学性质的差异可划分为9 个主要层次，同时根据其土性及成因的不同，第①层可划分为2个亚层，第⑤层可分为3 个亚层，第⑦、⑨层可分别划分为2个亚层，而第⑦2层又可划分出2个次亚层。基坑场地土层物理力学性质参数如表1所示。

图1 基坑平面及开挖分区Fig.1 Foundation pit plane and excavation subarea

表1 场地土层物理力学性质Table 1 Soil parameters

2 试验设计

2.1 试验设备及试验比尺确定

本次试验采用同济大学TLJ-150 复合型岩土离心试验机。该机有效转臂半径3 m，最大离心加速度200 g，最大容重150 gt。本次试验用模型箱为铝合金材料，长×宽×高为900 mm×700 mm×700 mm，其正前方为一整体有机玻璃板，便于观察土体的位移。

由于五坊园三期基坑工程开挖范围长×宽×深为120 m×100 m×10 m，在n=100 的模型比尺下离心模型对应的开挖范围长×宽×深为1.2 m×1.0 m×0.1 m。然而，由于模型箱的容积长×宽×深为0.9 m×0.7 m×0.7 m，同时考虑到本次试验的研究重点为不同开挖卸荷顺序及卸荷范围对应的施工扰动规律，故考虑边界效应后确定本试验模型选取比尺n=100，开挖范围选取长×宽×深为0.3 m×0.25 m×0.1 m。

2.2 试验工况

本次进行了两组离心模型试验，其中第1 组试验与五坊园基坑工程的开挖分区及开挖顺序完全一致，用于五坊园基坑工程现场测试数据进行对比验证，同时亦可预测五坊园基坑工程不同区域开挖过程中周边地层及邻近隧道结构的变形规律，以指导五坊园基坑工程施工及确保周边建构筑物的安全。第2 组试验为与五坊园基坑工程不同开挖分区的平行试验，各试验工况具体的开挖方案如下:

工况一:基于五坊园三期基坑工程实际对应的开挖顺序，如图2 所示，在离心模型试验过程中对应的开挖顺序为:A 区→B 区→C 区。由于在实际工程中各区在开挖过程中采用分层开挖方式，故离心模型试验过程中亦采用分层开挖，各区每层开挖厚度分别为:第一层20 mm→第二层45 mm→第三层35 mm，分别对应于实际工程中第一层2 m→第二层4.5 m→第三层3.5 m。

图2 工况一开挖分区示意图（单位:mm）Fig.2 Excavation subarea of working condition 1（Unit:mm）

工况二:为研究不同分区开挖对周边地层及基坑支护结构的影响规律，此工况对应的开挖分区如图3 所示，开挖顺序仍为:A 区→B 区→C 区。在实际试验过程中，各区域仍采用分层开挖方式进行卸荷，其每次开挖厚度与工况一相同。

图3 工况二开挖分区示意图（单位:mm）Fig.3 Excavation subarea of working condition 2（Unit:mm）

2.3 围护结构和支撑尺寸计算

在本试验中，采用原型材料对单根1 200 mm×900 mm 的钢筋混凝土支撑进行模拟，需要制作尺寸为12 mm×9 mm 的钢筋混凝土支撑，配置钢筋及混凝土制作均不具备条件，同时基坑围护结构模拟也不可能应用原型材料。因此，本试验采用铝合金材料对围护结构和支撑进行模拟。由于地下连续墙主要作为抗弯结构，要保证模型和原型的工作状态一致，应当使两者抗弯刚度相似。对于钢筋混凝土支撑应当采用抗压刚度相似的原理计算。

对于基坑围护结构，根据材料的抗弯刚度相似，且忽略剪切变形的影响，可得模型材料与原型材料抗弯刚度应满足如下关系:

式中:m1为与原形相同的模型材料，vm1=vp，Em1=为模型的替代材料。

进而可计算得到替代材料板的厚度为

对于支撑构件，采用铝合金管来制作。根据材料的抗压刚度相似，有类似推导:

其中，构件截面积A的计算公式由具体截面形式确定。

综上，本次离心模型试验围护结构及支撑制作的具体几何参数见表2。

表2 基坑模型几何物理参数表Table 2 Geometric and physical parameters of foundation pit model

2.4 试验数据采集测点布置

在本试验中，对于模型上表面沉降的测量，采用激光位移计进行测量。制作固定在模型箱上壁的支架，支架可以通过螺纹调节长短，将传感器固定在支架上。对于基坑围护结构内力和变形的测量采用应变片测量出基坑支护模型内外表面的变形，通过公式计算得到。沉降测点位置布设如图4所示，应变片的布设如图5所示。

图4 试验测点布置（单位:mm）Fig.4 Layout test measuring points（Unit:mm）

图5 应变片布置（单位:mm）Fig.5 Layout of strain gauge（Unit:mm）

3 试验过程

3.1 土体制备

考虑到现场土层分布较为复杂，且本次试验主要研究基坑开挖分区对围护结构变形及周边地层的影响规律，本次离心模型试验从现场获取第⑤层粉质黏土，考虑到开采过程中影响了土体的原位物理力学性质，试验前对从现场获取土样进行脱水处理并粉碎，按照现场含水率人工配置同样的水量，置入真空搅拌机中在真空环境下搅拌均匀，并在100 g离心加速度下将其充分固结恢复其原始状态下的物理力学特性。

3.2 基坑开挖

当土样在离心机上经过充分固结后，将粘贴好应变片并安装了土压计、孔压计的基坑围护结构安装至相应位置，压入立柱桩，根据测点布置方案，安装激光位移计，并将测量元件的信号线连接至数据采集系统，用绑扎带固定。开启离心机运行30 min，使围护结构与土体充分接触，并检查各个数据通道信号是否正常。

随后，抽取挡板外水箱中的水位至第一层开挖深度以下2 cm，对应实际深度2 m，并启动离心机运行一段时间直至孔压示数稳定，模拟基坑开挖前降水过程；手动开挖A区第一层土体后，将支撑安装至基坑内部，旋紧固定螺丝，将支撑轴力测试信号线接入数据采集系统。启动离心机加速至100 g，维持5 min，由离心机固结时间相似原理可知，模型试验时间是原型的n2倍。模拟实际施工时间35 天，并采集数据。进行第二次降水、A 区第二层土体开挖及支撑安装、第三次降水、A 区第三层土体开挖，B 区第一、二、三层土体开挖、C 区第一、二、三层土体开挖。

工况二试验过程与上述工况一试验过程类似，不再详述。各开挖步骤定义如表3所示。图6所示为代表性开挖步试验现场图。

表3 开挖步定义Table 3 Definition of excavation steps

图6 B区土体开挖Fig.6 Excavation in B district

4 试验结果分析

在试验结果整理和分析过程中，已运用相似比将相关物理量换算为原型数值，因此在下述分析中的数值均为原型数值。

4.1 土体性质测试

试验结束后，测试土体含水率，如表4所示。

表4 土体含水率试验结果Table 4 Test results of soil moisture content

基坑开挖完成后，在模型箱上安装电机，利用试验平台配套的静力触探（CPT）设备，进行测试，得到CPT试验数据。通过理论或经验公式可以确定黏性土不排水抗剪强度。在饱和软黏土中，土体处于不排水条件，其不排水抗剪强度可以通过下式计算［17］:

式中，Ps静力触探测试得到的桩端阻力。

运用静力触探结果，通过公式计算得出的土体不排水抗剪强度如图7所示。

4.2 地下连续墙弯矩

图7 CPT试验结果Fig.7 CPT results

图8 给出了两种工况下测点处地下连续墙弯矩随深度变化的情况，在地下连续墙弯矩测试断面，定义向基坑内侧弯曲时弯矩为正，反之为负。

从图8 中可以看出，对于两种不同的工况，在刚开始开挖土体时地下连续墙的弯矩均比较小。随着开挖深度的增加以及支撑的施加，弯矩最大值逐渐增大，且弯矩最大值发生的位置也在不断下移。

图8 地下连续墙弯矩沿深度分布Fig.8 Moment along depth of diaphragm wall

对比两种工况，可以发现两种工况的弯矩模式有较大差别，工况一由于有两道支撑的作用，表现为地下连续墙上部为正向弯矩，即地下连续墙上部向内侧弯曲；工况二由于在测点位置没有水平支撑，表现为地下连续墙上部主要为负向弯矩。同时，对比地下连续墙弯矩绝对值，可以发现工况二测点处弯矩绝对值明显小于工况一测点处弯矩值绝对值。这表明工况二测点处地下连续墙的弯曲程度小于工况一的弯曲程度。对比工况一和工况二的基坑支护情况，可以发现这主要是由于工况一的测点位于地下连续墙中部，而工况二的测点位于中间隔墙附近，受到中间隔墙的约束作用明显。这同时也表明基坑分区开挖可以有效地减小地下连续墙的弯矩和侧向弯曲。

4.3 地下连续侧向位移

由弹性地基梁受力分析理论可知，围护墙弯矩和挠度之间存在如式（4）关系:

根据弯矩实测值可以拟合出各个工况墙体弯矩表达式，对弯矩曲线做两次积分，并将地下连续墙底端位移和转角为0 作为边界条件，即可计算得出墙体位移变化曲线如图9所示。

图9 给出了两种工况下测点处地下连续墙位移随深度变化的情况，在地下连续墙位移测试断面，定义向基坑内侧弯曲为正，反之为负。图9（a）和（b）均显示在A 区土体开挖的过程中，随着开挖深度的增加，地下连续墙的侧向位移不断增大，在A区土体开挖完成后，由于试验中未施加底板，后续开挖B 区和C 区土体过程中，地下连续墙位移仍有一定发展，这反映了地下连续墙变形的时间效应以及B 区和C 区土体开挖卸荷对测点处地下连续墙变形的影响。现场实测数据显示，在A 区开挖第一、二、三层土体后，地下连续墙最大位移分别达到14.79 mm，28.05 mm，42.16 mm，地下连续墙的侧向位移不断增大，变化规律与模型试验结果一致。需要指出的是，由于离心机模型箱尺寸的限制和试验边界条件的要求，对基坑开挖面积进行了按比例缩减，并在试验模型制作时对支撑结构进行了简化。因此，对比分析结果显示，模型试验与实测数据在变化规律上保持了较好的一致性，但在数值大小上两者存在一些差异。

图9 地下连续墙侧向位移Fig.9 Lateral displacement along depth of diaphragm wall

对比分析图9（a）和（b），可以发现工况一与工况二的地下连续墙变形模式有较大区别。首先从地下连续墙位移最大值来看，在A区土体开挖完成时，工况一地下连续墙位移最大值为71.6 mm，工况二地下连续墙位移最大值为52.7 mm，比工况一减少了26.4%。分析原因一方面是由于工况一开挖土体面积较大，卸荷相对于工况二要大；另一方面是由于工况二在基坑内部设置了分隔墙体，其刚度较大，限制了围护墙体位移。其次从地下连续墙水平位移沿深度变化趋势来看，工况一水平位移沿深度为先变大再减小的变化规律，呈现纺锤状形态，而工况二这表现为顶部最大、沿深度逐渐减小的趋势。对比两种试验工况，其原因可能为在试验中工况一设置了两道水平支撑，而工况二由于设置了分隔墙体，在垂直于测点所在地墙方向上未设置水平支撑。最后分析B 区及C区土体开挖对测点处地下连续墙变形的影响，由图9 可以看出工况一开挖B 区和C 区土体对测点处地下连续墙的位移明显小于工况二开挖B区和C 区土体对测点处地下连续墙位移的影响，主要体现在工况二在开挖B 区和C 区土体的过程中，测点处地下连续墙位移仍有较大的发展，位移最大值从52.7 mm 发展到87.8 mm，这主要是由于工况二与工况一相比，B 区和C 区土体开挖卸荷仍较大，且A 区在测点所在的地下连续墙上无两道支撑导致的。

由以上分析可以看出，基坑内中间隔墙由于刚度较大可以很好地限制地下连续墙的变形。同时，水平支撑的存在可以有效地改变地下连续墙的位移模式以及开挖完成后的地下连续墙的后续变形。因此建议在工程造价合理的前提下，对于大面积开挖的深基坑，设置中间隔墙进行分区开挖，可有效减小围护结构及周围地层的变形。对于基坑紧邻建（筑）的一侧，增加与地下连续墙垂直方向的中间隔墙，可以有效限制基坑围护结构和墙后地层的变形。

4.4 地下连续墙墙后地表沉降

图10 给出了两种工况下测点处A 区开挖过程中地下连续墙后地表沉降情况。

图10 A区开挖过程中墙后地表沉降Fig.10 Ground settlement during excavation in district A

分析图10可以发现工况一和工况二的地面沉降均随基坑开挖深度的增加而增加，工况一的沉降最大值达到73 mm，工况二的沉降值达到65 mm。由于激光位移计安装位置的限制，靠近地下连续墙处未布置激光位移计，但从图10 沉降的变化趋势可以看出工况一和工况二的墙后地表沉降均呈现槽型分布。在距离基坑边缘一定距离达到最大值。

对比工况一和工况二可以发现，工况一的最大沉降值大于工况二的最大沉降值，同时也表明工况二很好地限制了离基坑位置较远处的地表沉降。

图11 所示为基坑开挖全过程中墙后地表沉降曲线，可以看出在不论工况一或是工况二开挖B 区和C 区过程中，墙后地表沉降都有较大发展。这主要是在试验过程中未对基坑底部施加底板的原因。同时，由于试验土层是通过固结而成，上述结果受固结的影响，且试验中没有对地表采取任何加固措施，实际沉降值应小于试验中测试值。因为模型箱尺寸限制，距离基坑更远处的地表沉降未能测试。因此此处分析的地表沉降是定性的结果。但是沉降曲线的形状、两种工况的差别仍可以为工程实际提供参考。

5 结 论

利用同济大学大型岩土工程离心试验平台，结合五坊园基坑工程，进行了两组模拟基坑开挖的离心模型试验，研制并设计了基坑围护结构的试验模型，通过变换基坑开挖分区以及支护形式，研究了施工工艺对基坑围护结构变形以及周边环境的影响，得出以下结论:

（1）通过利用铝合金材料代替原支护结构采用的钢筋混凝土材料，有利于制作试验模型并方便变换基坑的开挖分区以及支护形式，同时通过合理的布置试验测试元件，可以获得具有代表性的试验数据。

（2）两组试验均表明随着基坑开挖深度的加深，地下连续墙水平位移不断增大，且水平位移的最大值位置也随开挖面的下移而下移；对于墙后地表沉降，呈现勺子形分布，即在距离地下连续墙较近的位置处出现最大值后，随着距离的增加，墙后地表沉降逐渐减小，同时B 区及C 区土体开挖对本试验监测点处地下连续墙的弯矩和变形影响较小。

图11 全部开挖过程中墙后地表沉降Fig.11 Ground settlement during excavation in all district

（3）对于围护墙体弯矩和位移，工况一的值均小于工况二的值，但工况二在开挖B 区和C 区土体时对测点处的围护墙体弯矩和位移影响较大。对于墙后地表沉降，在开挖A区土体过程中，工况二沉降最大值小于工况一沉降最大值，且工况二对于远处地表沉降约束较好。