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某基坑地面沉降成因分析
The analysis of the ground settlement of a pit
胡振烽 (福建省第五建筑工程公司 362000)
[提 要]针对泉州市某基坑地面沉降过大的现象，分析相关的影响因素，并得到一些实用的体会。
[关键词]基坑支护；地面沉降；被动区加固；时间效应
Abstract: According to the excessive ground settlement of a pit in QuanZhou, in this paper some relative causes is analyzed and some experience is gained.
Keywords: pit retaining; ground settlement; reinforcement for the passive zone; temporal effect
1 工程概况
泉州市某工程，主体为13层框架结构，基坑开挖范围为50×70m2，开挖深度为5.0m。
根据现场地质勘察结果，在基坑开挖深度及影响范围内，主要地基土的组成自上而下为：杂填土，粉质粘土，淤泥，淤泥夹细砂。其中，场地各主要地基土力学指标如表1。
表1地基土物理力学指标
地层名称
重度γ(kNm-3)
内聚力C(kPa)
内摩擦角φ(°)
地基承载力
（kPa）
桩周承载力
（kPa）
①杂填土
17.0
5
19

②粉质粘土
19.0
22
7.3
140
20
③淤泥
16.4
4.1
3.0
50
10
④淤泥夹细砂
16.5
11.1
6.9
55
12
2 基坑围护设计
针对该基坑工程的具体特点，基坑围护拟采用水泥搅拌桩挡墙与土锚联合支护结构形式。
2.1支护体系计算
土压力计算时取I-I剖面2#孔作为计算剖面，单锚支护结构计算按等值梁法进行。按照支护体系的计算结果，支护桩桩身应满足抗弯和抗剪要求，桩长嵌固深度满足整体稳定要求。
2.2支护结构设计
基坑开挖深度为5.0m，水泥搅拌桩挡墙设计采用3φ550@450，被动区6φ550@450，设计桩长10m。土锚设在z=-2.0m处，水平倾角为θ=20°，长度L=12000@1200。 图1 地质剖面
2.3施工工法
基坑开挖前，沿基坑开挖线用水泥浆与土体充分搅拌形成一定强度的水泥土桩，对于软土较深的软弱地层，搅拌桩入土深度基坑底面以下3～5m或一倍开挖深度。在基坑开挖过程中，同样采用分层开挖，分步设置土锚的施工方法。考虑到软弱土层淤泥较厚，力学性质比较差。为了提高土层锚杆的抗拔力，减小支护结构的变形，施工时采用二次注浆工艺。 图2支护结构设计图
3 基坑监测
在地下室施工期间对基坑进行监测，监测内容主要包括沉降观测和支护结构水平位移观测。监测结果显示，在基坑开挖期间(4月13日至7月22日)，基坑支护结构最大侧向位移为20.7mm，挡墙顶部累计沉降量为67.3mm，基坑封底完成后地面沉降速率逐渐减少(详见图3)。

图3 监测结果过程曲线图
4 地表沉降分析
通过本工程实践，采用水泥搅拌桩与土锚联合作为支护结构。按抛物线地表曲线，经计算可得水平位移最大值为71.9mm(深度在4.3m处)，挡墙位置的沉降为25mm。地面沉降较大。分析可知，主要是基坑内土质较差，基坑面积大，局部承台超深降排水，地下室底板施工慢 等多种因素作用的结果。
4.1考虑基坑隆起影响
对拉锚式围护结构，插入深度不够或坑底土质差，被动土压力很小。当开挖到一定深度，基坑内外土面高差所形成的加载和地面各种超载的作用，就会使围护墙外侧土体产生向基坑内移动，使基坑坑底产生向上的塑性隆起，同时在基坑周围产生较大的塑性区，并引起地面沉降。 图4基坑稳定分析示意图
设计中采用基坑内被动区加固以提高围护墙被动土压力区的土体强度和刚性。在基坑抗隆起稳定验算中，对于一般的粘性土，计算按同时考虑c、φ的抗隆起法[1]。当仅按原状土参数计算，，，抗隆起系数。但按被动区加固，，，计算得，按照规范符合要求。从图4中可以看出：坑内没有被加固的c区仍处在滑动面以内，显然就会降低抗隆起安全系数，增大土体位移和地面沉降。因此，当嵌固深度下部存在软弱土层时，加固和改善基坑土体的范围尚应考虑产生深部土层滑动范围。
4.2考虑时间效应影响
力学分析及工程实践表明基坑支护施工与地层位移之间，存在一定程度的时间效应。尤其对于淤泥质粘土及软塑粘土，流变性就更明显。由于该基坑面积较大，滑动临空面就大，并且自开挖到设计标高后施工缓慢，至浇好钢筋混凝土底板历时30天(5月10日至6月10日)，过程曲线中出现平缓段(5月10日开始)，但10天后又出现上升段，直至第57日才逐渐稳定。
综合分析可知，沉降量过大主要是基坑施工速度慢，暴露时间长且面积大，造成基坑被动承压区土体流变的速率和幅度都比较大，亦将增大墙体被动压力区的土体位移和墙外土体向坑内的位移，因而增加地表沉降。按照时空效应法[1]，最大地面沉降为，非施工因素所增加的施工沉降量，式中某道支撑拖延一天而引起的沉降量(mm/d)，拖延天数，某种施工因素所引起的沉降增量系数，H基坑开挖深度，沉降与深度的关系系数可根据基坑稳定系数确定。经计算可得。
4.3考虑降水固结影响
基坑施工期间抽排水同样会引起地面沉降。抽排水过程中在基坑外侧形成漏斗曲线，在降水曲线范围内，饱水地层(如淤泥夹细砂)水位下降形成的渗水附加有效应力所引起土体的压缩，即为渗透固结沉降。
按照土的附加压力计算法[3]，土的沉降，式中为土壤骨架的附加压力，H为土的压缩层厚度，a为土的压缩系数，ε为孔隙比。沉降计算时主要考虑含水量大，压缩性大的软土层的固结沉降，即淤泥和淤泥夹砂层，经计算可得总沉降范围为8.07~28.06cm，按照经验抽水20天的沉降约占总沉降量的25%左右，即2.0~7.0cm。
除以上所述外，还有其他相关的因素影响地面沉降。如支护桩的桩周土和桩端持力层承载能力差，基坑开挖期间支护挡墙在自重和地面超载作用下会产生附加地面沉降。
5 体会
(1)围护结构设计时除应进行稳定性验算外，还需要按照极限平衡设计方法验算围护结构的入土深度，并确定坑内被动区加固范围，以有效减少基坑隆起量，避免出现隆起破坏。
(2)在具有流变性的地层中进行基坑施工，应充分发挥和利用时间效应来控制基坑变形，做到精心组织，科学施工。
(3)在实际中，引发地面沉降的因素较多且密切相关，协同作用。本文主要是单因素计算分析，多因素综合分析方法还有待于进一步研究。
参考文献
[1]刘建航，侯学渊. 《基坑工程手册》.中国建筑出版社，1997.
[2]龚晓南，高有潮. 《深基坑工程设计施工手册》.中国建筑出版社，1998.
[3]陈幼雄.《井点降水设计与施工》.上海科学普及出版社，2004.