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探讨深基坑变形破坏机制及支护形式
作者：孙中庆
来源：《建筑建材装饰》2014年第03期
摘要：本文根据不同地貌单元的地质条件组合简化为几种代表性的类型，分析了各个分析基坑的变形机制、岩土工程问题和支护形式。 关键词：深基坑；变形破坏机制；支护形式 引言
随着社会的发展、环保意识的加强、城市居住的需求增加，城镇的居住建筑、办公建筑及交通等向高、大、深方向发展，建筑越来越高，同时地下建筑也越来越大，越来越深。深基坑开挖的同时要保护周边建（构）筑物、管道、环境，侧壁支护也日益显得更加重要。 1 根据土体的堆积年代分类和区域对我国土体分为以下几种类别
（1）二元结构地层组合的冲积层，主要为全新世Q4，上部------以一般粘性土（粉质黏土、粘土）、粉土为主，含上层滞水或潜水。地表附近有少量饱和土，其余大部分为非饱和土。下部----以砂土为主，夹薄层粘性土，底部为粗砾及卵石层，一般含承压水，如与江河水体联系，则具较高的承压水头。
河湖相软土，分布在冲积平原的低洼地带或近代胡、沼泽地带，以淤泥或淤泥质粘性土为主，往往夹薄层粉土或粉砂，含上层滞水。
（2）北方江河的II，III级阶地或黄土高原，为更新世Q2-3时代，主要为黄土状土或黄土，下部为砂土或卵石层。地表以下相当深度内为非饱和土，下部有潜水或承压水埋藏。 （3）南方高阶地或隆岗、丘陵地带，为更新世Q1～3时代，以老粘土为主，夹砂、卵石层或呈二元结构分布（上部为老粘性土，下部为砂层至卵砾石层）。地表下较大深度内非饱和土，具二元结构组合时，下部含承压水。
（4）滨海平原或三角洲，主要为全新世Q4，下部为更新世Q2-3时代，上部为较厚的海陆交互相软土，其下为一般粘性土、粉土、粉砂互层，含上层滞水和多层层间水。 以上四类地貌单元所包含的地层组合都不是绝对的，有时互相包容，有时还存在过渡类型。为便于分析，把这些地貌单元的地质条件组合简化为以下几种代表性的类型。 2 深基坑变形破坏机制类型，其主要岩土工程问题和支护形式分析
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2.1二元结构冲积平原的一般粘性土与粉土、砂、砾石组合型 2.1.1变形破坏机制
在通常的开挖深度内，绝大多数情况下是涉及到粘土层为主的地层。在不支护条件下，其变形破坏形式为边坡土体呈渐进式“堆坍”，破坏区范围一般限定在与开挖深度相近的范围内，见图1在有支护条件下，则土压力服从朗肯土压力模式. 图1
2.1.2主要岩土工程问题
基坑外侧主动土压力及其相应的侧向变形和坑底内侧底板的竖向及水平变形；一般情况下地下水埋藏很浅，如地表附近有粉土或粉砂含水层时，其基坑涌水尤其是“管涌”或“流砂”是重要问题；二元结构地质组合的下部砂性土及卵砾石土中的承压水会因顶板过薄或挖穿而产生的“突涌”；如地下水埋藏较深，则非饱和粘性土在受地表水或地下管线漏水浸泡或冲蚀时会因强度降低而增大土压力或产生破坏，一般粘性土的变形及土压力属一般问题，而管涌、流砂、突涌则可能造成坑内外大范围（有时达30m～40m的土体下沉和平移，往往是灾难性的）的地面下沉和水平位移。 2.1.3一般支护形式
一层地下室（浅坑）---放坡护面、喷锚网或土钉墙。周边环境紧迫或因红线则需用桩（墙）撑或锚。两层地下室（深坑）-----桩锚或桩（墙）加内支撑；环境宽松时亦可采用上部大平台放坡减载，下部喷锚或桩（墙）撑或锚。多层地下室（超深坑）----地下连续墙加锚或内支撑；条件允许时亦可采用桩加多层锚杆或多层内支撑，圆形坑可采用扶壁式内撑 2.2河湖相软土型（淤泥或淤泥质土） 2.2.1变形破坏机制
由于软土的厚度、埋深和在基坑中的位置不同，大致呈现三种破坏机制类型：
（1）半坡滑动型（图2a）：由于厚度不大的软土分布在半坡上，将可能产生沿软土层底板以上滑动破坏，其形式为小型滑坡，范围将超过主动土压力破裂面以外；
（2）坡脚滑动型（图2b）软土层底板在坑底附近，即使软土层很薄，也可能产生以坡脚为剪出口的滑动破坏，其形式为牵引式小型滑坡，范围将远超主动土压力破裂面；
（3）基地隆起深层滑动型（图2c）：这是危害最大的一种类型。由于软土层顶板在坑底以上或坑底或其下很浅部位，而底板很深（即深厚软土层），即使开挖深度很浅，也可能产生
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大变形破坏，即形成近似圆弧形滑动面的典型滑坡。其破坏过程是先出现基地隆起，进而发展成滑坡。其影响范围，在坑外可拉动十几米至数十米，坑内级坑底以下数米至十几米均被推动，往往将已施工的基础桩推歪或折断。其破坏模型服从瑞典法或毕肖圆形破花表达式。 2.2.2主要岩土工程问题
基坑开挖很浅时（有时只有2～3m）即可以产生大变形。而且随着开挖深度增加，坑内、外土体滑动破坏范围不断加大，这种滑动体的出现是软土基坑的首要问题；基坑外侧地面下沉且水平移动会造成建筑物或地下管线的严重破坏；基坑内侧因土体移动会造成已完成的桩基础大量、大幅度偏斜或折断；如果使用大型挖土机械在软土上纵横行走开挖，则在开外进程中就会不断造成桩基的偏斜或折断，从上面情况不难看出，深厚软土中基坑失稳造成的环境影响，内环境要比外环境严重且更难处理。此外，在一些情况下，软土中还可能存在薄层粉土或粉砂、管涌或流砂，这是另一种岩土工程问题 2.2.3一般支护形式
（1）减载—设置较宽的减载平台或放大缓坡
软土基坑边坡失稳的根本原因是软土的强度和承载力很低，不能承受开挖后上覆土层的重力而相继产生底鼓、侧挤和滑移。减少重力就会减低变形，因而减载就成为软土基坑的首要措施，然后在考虑如何支护。
（2）减载—喷锚支护或复合式喷锚支护
对于半坡形和坡脚滑动型软土基坑，可采用设置宽大的减载平台，使上覆土重减至不会发生隆起或侧挤的情况下，采用喷锚支护或复合式喷锚支护（图3a或3b） （3）深厚软土基坑的几种支护形式
坑底以下为软土，但在一定深度内有相对硬层存在，场地有条件设置减载平台时，可采用减载平台和水泥土挡墙的支护形式，墙底须深入硬土层（图4a）；坑底以下为软土，在一定深度内有相对硬层，但场地狭窄，无放坡减载条件时，可采用刚性支护桩（墙）加内支撑的支护形式，桩（墙）底须深入硬土层（图4b）；坑底以下为软土，在一定深度内有相对硬层存在，但场地狭窄，无放坡减载条件是，可采用重力式水泥挡墙支护形式，墙底须深入硬土层（图4c）；坑底以下为深厚软土，在一定深度内无相对硬土层存在，场地无大量减载条件，，当采用刚性桩（墙）加内支撑支护时，须在内侧坑底下一定深度内做水泥土附臂（也叫被动区加固），用以控制桩（墙）下部坑内“踢脚”变形（图4d）；复合式喷锚支护：在软土厚度不大，开挖深度较小，可采用水泥土桩或微型钢管（板）柱加喷锚联合支护形式（图5a、b）；河湖相软土中有时存在粉土或粉砂夹层及互层，此时须设置隔渗帷幕（多为水泥土桩）采用上述复合式支护则更为经济合理
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2.3北方高阶地黄土状或高原黄土型 2.3.1变形破坏机制
由于黄土状或黄土垂直节理发育，故土坡具直立性。在非饱和情况下，土体破坏一般为“倾倒”或“堆坍”形式。其破坏面呈上陡、下缓形状，近视对螺旋面或矩形包络线形式的土压力分布。支护结构的侧土压力一般较小；非饱和黄土状土和黄土在受水饱和后，除湿陷性黄土产生湿陷下沉外，饱和后抗剪强度要降低20%～30%。这时土体的变形破坏将不再服从对数螺旋，其力学模型为滑坡模式；在垂直剖面上有时存在新黄土和老黄土，则基坑开挖深度恰好使土体产生剪出口，就可能出现较均质饱和黄土圆弧滑动大得多的滑坡 2.3.2主要岩土工程问题
对一般黄土状土，最主要的岩土工程是受水饱和后抗剪强度大幅度降低而产生圆弧滑动破坏问题，这种破坏对周围建筑及道路、管线破坏性打，较大可能性造成桩基倾斜或折断；多层黄土因层面倾斜而在饱和后产生的顺层滑坡，一般范围大于前者。因此影响范围和危害程度也比前者大；新进饱和黄土，作为弱透水层，管涌或流砂问题不同于一般黄土土体变形，它的主要特点是地下水土流失造成周边土体下沉及相应的水平位移。 2.3.3其一般支护形式
非饱和黄土状土或黄土中的深基坑一般采用土钉墙或喷锚支护。其锚杆长度可按土压力法确定，也可按滑动面法确定；饱和黄土或黄土状土中的深基坑，一般采用附壁式帷幕加喷锚支护或在降水、疏干条件下的桩（墙）锚支护形式；对可能产生滑坡的图层组合，则需要采用滑坡治理的各种适宜支护形式，如抗滑桩（墙），桩锚等支护形式。此时土钉墙或喷锚均不适宜。
2.4南方高阶地或隆岗、丘陵老粘土型 2.4.1变形破坏机制
南方普遍分布的老粘性土主要指更新世（Q2-3）的棕色粉质粘土，粘土（Q2）和棕红色网纹粘土（Q3），通常称“下蜀系”老粘土一般都具一定膨胀性和微裂隙性，在非饱和状态下具有较高的抗剪强度，尤其是凝聚力高。在基坑开挖过程中，如无外水浸入则土压力较低，其土压力呈太沙基---佩克包络线分布，一般不出现朗肯土压力破裂面，土压力小于朗肯理论计算值。如土体受外水浸入而部分饱和，其凝聚力显著降低，此时土压力会增大，往往大于朗肯理论计算值，可见老粘土基坑的变形破坏存在两种截然不同的状况。老粘土土中的深基坑，除上述的老粘土自身不良特性外，最不利的情况是存在几种地层组合时产生的“接合面滑坡” 2.4.2主要岩土工程问题
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非饱和土边坡因暴露时间过长而发生剥落或片帮式堆坍；不利的地层组合时，易发生“接合面”滑坡，将使较大范围的建筑物和管线遭到严重破坏。在老粘土层下面存在饱和砂、卵石含水层时，开挖深度达到底板附近时会有承压突涌，粘性土在近水层部分软化也可能出现坡脚垮坍。
2.4.3一般支护形式
全部在老粘土中开挖的基坑，根据开挖深度的不同，可采用放坡护面，喷锚支护、桩或桩锚支护等形式。针对老粘土遇水易软化的特征，做好坡面封闭。地面硬化及排水是至关重要的。对可能产生接合面滑坡的深基坑，则一般不宜采用放坡护面或喷锚支护形式，而应采用抗滑支护结构。
2.5滨海平原或三角洲的软土、一般粘土、粉土、砂土互层型
滨海平原和三角洲最突出的特点就是广泛分布着淤泥和淤泥质软土，同时软土中也夹杂有不同粒径的砂层。 2.5.1变形破坏机制
深厚软土层的存在，基坑开挖深度不大时，即会产生大变形，出现近视圆柱体的圆弧滑裂面。这种滑面往往深入坑底以下及坑内数米甚至10m以上。坑外破裂弧范围内地面下沉及平移，坑内底鼓及向坑中心挤动。 2.5.2主要岩土工程问题
基坑开挖深度不大时，即会产生大变形，且随开挖深度增加而出现坑内更大更深滑弧，滑动体使基坑外侧位居其内的建筑物及管道向坑内位移及下沉，大型机械在软土上行走开挖会造成工程桩歪斜或折断，在软土变形的同时，由于粘性土与砂土频繁交互造成的砂土“管涌”、流砂，会加剧并扩大软土变形破坏范围。 2.5.3一般支护形式
当软土的分布条件与河湖相软土相似时，支护形式与其相同；由于滨海软土往往与粉土、粉砂（含水层）互层，采用帷幕隔渗或分层降水疏干等措施；对超深基坑，一般采用桩（墙）锚或内支撑等刚性支护结构。 3 结语
建筑深基坑工程是一个集设计、施工管理、工程结构和水文结构等多方面、多学科的系统工程。每个方面都影响着基坑的施工质量，任何一个方面有问题都会造成严重的损失。只有做
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好施工监测工作，设计好施工方案，重视施工质量，才能确保基坑工程质量，保证工程的顺利完成。 参考文献：
[1] GB 958―99区域地质图图例 [2]JGJ 120-99建筑基坑支护技术规程
[1]地基处理手册编写委员会.地基处理手册[M].北京：中国建筑工业出版社 [2]刘建航，侯学渊.基坑工程手册[M].北京：中国建筑工业出版社
