深基坑工程樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)測及分析

王 斌，耿亞杰

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475004）

0 引言

深基坑樁錨支護(hù)工程監(jiān)測就是要通過構(gòu)筑護(hù)坡樁、埋設(shè)預(yù)應(yīng)力錨索、安裝相應(yīng)的傳感器，隨時掌握樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形、受力情況，以便及時發(fā)現(xiàn)問題、更改設(shè)計和施工中的不足，為下一步的安全施工作準(zhǔn)備，確?；影踩_挖。 本文主要根據(jù)對河南省某深基坑工程的支護(hù)樁頂水平位移、支護(hù)樁的深層水平位移、支護(hù)樁內(nèi)鋼筋應(yīng)力、支護(hù)樁后土體分層沉降和周圍建筑物沉降進(jìn)行的現(xiàn)場監(jiān)測及通過監(jiān)測提供的動態(tài)信息來指導(dǎo)施工全過程，為降低工程成本、提高基坑安全性提供設(shè)計依據(jù)借鑒。

1 工程概況及工程地質(zhì)條件

1.1 工程概況

某工程設(shè)計為地下3 層、地上35 層，總建筑面積59 969 m2，總高度186 m。 其基坑深度約16 m，基坑面積約88 m×39 m。 基坑北側(cè)臨9 層調(diào)度樓；南側(cè)分別臨4 層磚混結(jié)構(gòu)綜合樓、5 層混結(jié)構(gòu)住宅樓；東側(cè)緊鄰一條電纜隧道和兩個大水箱，水箱重達(dá)100 t。工程區(qū)地下水位在地面以下21.8～24 m。

1.2 工程地質(zhì)條件

該工程的工程地質(zhì)條件如表1 所示。

表1 土的物理力學(xué)指標(biāo)Table 1 Soil physical mechanical indexes

2 深基坑支護(hù)工程監(jiān)測

2.1 監(jiān)測點的布置

監(jiān)測點總布置示意圖如圖1 和圖2 所示。

2.2 監(jiān)測結(jié)果

2.2.1 支護(hù)樁樁頂水平位移

水平位移是最能直接反映基坑安全狀態(tài)的指標(biāo)之一。 本研究布置了12 個測點（各測點位置如圖1所示），用以監(jiān)測支護(hù)樁頂部的水平位移。 支護(hù)樁頂各測點水平位移隨時間變化曲線如圖3 所示。

從圖3 可以看出：基坑南側(cè)的3 個測點S9、S10和S11 的樁頂水平位移較大，最大值分別為17.81mm、18.75 mm 和17.55 mm；S1 和S12 兩個測點的樁頂水平位移較小，最大值分別為7.76mm 和7.65mm。 其余測點的樁頂水平位移最大值集中在10～13 mm 范圍內(nèi)。

圖1 支護(hù)樁頂水平位移和周圍建（構(gòu)）筑物沉降觀測點平面布置圖Fig.1 Supporting pile top horizontal displacement and its surrounding building sedimentation observation point layout

圖2 支護(hù)樁深層水平位移、鋼筋應(yīng)力、分層土沉降及錨索應(yīng)力觀測點平面布置圖Fig.2 Supporting pile deep horizontal displacement,reinforcement stresses, layered soil sedimentation and anchor rope stress observation point layout

圖3 支護(hù)樁樁頂水平位移Fig.3 Supporting pile top horizontal displacement

S9 測點水平位移比較大的原因是：（1）這個測點位于基坑南側(cè)的中間部位。 由于基坑工程具有空間效應(yīng)，深基坑中部的支護(hù)結(jié)構(gòu)受兩側(cè)基坑側(cè)壁的約束比較小，甚至可以認(rèn)為不受相鄰基坑壁的約束，所以變形通常比較大。 （2）該測點位于四層綜合樓和五層住宅樓的交接處，所以其變形比較大。 （3）該測點在基坑的最深處（16.1m）。S10 測點水平位移較大的原因是，該測點南鄰4 層綜合樓，而且也位于基坑中間部位，空間效應(yīng)的影響較大，所以該測點位移較大。 S11 測點位于基坑西側(cè)和南側(cè)交接處，受到西側(cè)和南側(cè)的共同影響，其位移也比較大。

S1 和S12 測點位移較小的原因是：（1）兩個測點都位于基坑西側(cè)，其開挖深度較淺，僅14.8m；（2）西側(cè)無建筑物，外界因素影響較小。

從圖3 還可以看出：在基坑土方開挖期間，各測點的水平位移整體呈上升趨勢，在后期基礎(chǔ)施工階段，各測點水平位移值趨于穩(wěn)定，且每條位移曲線呈明顯的階梯狀上升趨勢。 這與樁錨支護(hù)施工時的工況有緊密聯(lián)系。 開挖期間，樁頂水平位移增大，錨索張拉鎖定后，水平位移保持相對穩(wěn)定；隨著土方繼續(xù)開挖，位移再次增大，錨索張拉鎖定后，位移再次保持相對穩(wěn)定，直至開挖和支護(hù)施工結(jié)束，位移才保持穩(wěn)定。

本次實測的樁頂位移最大值為18.75 mm， 根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》[1]， 基坑支護(hù)樁頂位移監(jiān)控值為30 mm。 因此，本工程的基坑變形處于正常范圍內(nèi)，工程實踐和實測數(shù)據(jù)表明，該基坑是安全的。

2.2.2 支護(hù)樁深層水平位移測試

深層水平位移也是最能直接反映基坑安全狀態(tài)的指標(biāo)之一，尤其是對于地下連續(xù)墻和排樁支護(hù)的基坑工程。 為了了解基坑開挖時樁與土體的水平位移動態(tài)，確?；臃€(wěn)定和周圍環(huán)境的安全，本工程在永久支護(hù)部位支護(hù)樁的樁身上共布置8 個監(jiān)測點（如圖示2 所示），測試支護(hù)樁與樁側(cè)土體的深層水平位移。 基坑?xùn)|側(cè)測點C4 不同深度處的樁身水平位移隨時間變化的狀況如圖4 所示。

圖4 深層水平位移實測曲線Fig.4 Deep horizontal displacement measured curves

從圖4 中可以看出，基坑開挖初期，擋土樁水平位移變化量較小，最大位移變化量近1.35 mm（主要是樁頂）。 隨著基坑土方的開挖繼續(xù)，在第一道錨桿未張拉之前，位移變化量一直趨于增大。 開挖至3m 時，第一道錨桿張拉鎖定，在預(yù)加荷載的作用下，樁身上部位移明顯減小。 在第二道錨桿張拉鎖定前， 擋土樁水平位移變化量最大， 最大位移為7.2 mm，變化量為2 mm，第二排錨桿(標(biāo)高-7 m)張拉鎖定，在預(yù)加荷載作用下，樁身位移變化量再次減小，樁頂位移基本保持在8 mm 左右。 此后，隨著土方繼續(xù)開挖，樁身位移繼續(xù)發(fā)展，在第三道錨桿張拉之前，擋土樁水平位移也較大，最大位移為10.61 mm，變化量為1.55 mm。 第三道錨桿張拉鎖定后，在預(yù)加荷載作用下，樁身位移變化量再次減小。 土方繼續(xù)開挖，樁身位移繼續(xù)增大，土方開挖到第四道錨桿處，位移為13.33 mm。 第四道錨桿張拉鎖定后，在預(yù)加荷載作用下，樁身位移變化量有所減小，但由于這排錨桿距離基坑底部較近，施加的預(yù)加荷載對樁身位移影響不大，而由于上部錨桿預(yù)應(yīng)力的損失，樁身變形繼續(xù)發(fā)展。 經(jīng)過20 多天后，樁頂位移才穩(wěn)定至15.2 mm。 在整個試驗期間，各開挖階段樁身變形均向坑內(nèi)發(fā)展。 擋土樁水平位移變化的規(guī)律為：（1）在土方開挖前期，樁頂位移大，深部位移小，最小點在樁底，樁身位移沿深度方向呈近似線性變化。 當(dāng)錨桿鎖定后，樁身最大位移開始逐漸下移，說明錨桿的設(shè)立對減小結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移起了積極的作用。（2）在懸臂受力階段，樁頂位移變化大，在支護(hù)樁和錨索共同受力階段，樁頂位移變化相對比較小，整個過程樁底位移變化較小。 該測試結(jié)果及其表現(xiàn)出的規(guī)律很好地反映了施工過程基坑開挖和錨桿張拉對支護(hù)樁深層水平位移的影響。

2.2.3 支護(hù)樁內(nèi)鋼筋應(yīng)力

樁身內(nèi)力是反映基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)受力狀況和安全狀態(tài)的重要指標(biāo)。 對于樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)，監(jiān)測支護(hù)樁在不同工況下的鋼筋應(yīng)力，可了解樁身內(nèi)力的分布狀況。 因此，對該實測成果進(jìn)行分析，對驗證設(shè)計理論和計算方法的可靠性、 研究支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力特性和變化規(guī)律、 保證工程順利實施都有著重要意義。本工程在深基坑有永久支護(hù)要求的支護(hù)樁上共布置7 個測點，監(jiān)測樁身內(nèi)力。 不同工況下，各擋土樁不同深度處應(yīng)力變化曲線如圖5～圖7 所示。

圖5 G1 測點不同工況下不同深度處內(nèi)力變化曲線Fig.5 Internal force change curves of G1 observation point under different working conditions and different depths

圖6 G3 測點不同工況下不同深度處內(nèi)力變化曲線Fig.6 Internal force change curves of G3 observation point under different working conditions and different depths

圖7 G5 測點不同工況下不同深度處內(nèi)力變化曲線Fig.7 Internal force change curves of G5 observation point under different working conditions and different depths

從以上測點的內(nèi)力變化曲線可知，隨著基坑土方開挖，擋土樁外側(cè)(主動側(cè))的鋼筋應(yīng)力主要受壓應(yīng)力。 隨著基坑土方開挖，樁上部鋼筋應(yīng)力逐漸減小，中部鋼筋應(yīng)力逐漸增大，樁底部分鋼筋應(yīng)力基本保持不變。 在錨桿鎖定后，擋土樁各部分鋼筋應(yīng)力逐漸減小。 在基坑開挖的前期，被動側(cè)的鋼筋應(yīng)力主要是拉應(yīng)力、 拉應(yīng)力隨著基坑土方的開挖逐漸減小，直至第一道錨桿張拉，出現(xiàn)壓應(yīng)力，隨后壓應(yīng)力逐漸減小，開始出現(xiàn)拉應(yīng)力。 當(dāng)?shù)谒牡厘^桿鎖定后，樁內(nèi)側(cè)拉應(yīng)力逐漸減小。 當(dāng)開挖到基坑底部時，鋼筋應(yīng)力主要是壓應(yīng)力。

從整體上來說，擋土樁主動側(cè)和被動側(cè)鋼筋應(yīng)力主要是壓應(yīng)力，部分出現(xiàn)拉應(yīng)力。 在基坑土方開挖初期，擋土樁外側(cè)鋼筋應(yīng)力逐漸減小，內(nèi)側(cè)鋼筋應(yīng)力逐漸增大。 當(dāng)錨桿鎖定后，擋土樁外側(cè)鋼筋應(yīng)力開始增大，內(nèi)側(cè)鋼筋應(yīng)力呈減小趨勢。 由此可見，及時鎖定錨桿，可以有效地改變樁身內(nèi)力分布，起到較好的效果。

根據(jù)實測鋼筋應(yīng)力，可以近似計算出樁身彎矩。假定鋼筋和混凝土之間沒有相對滑移，且應(yīng)變在截面上服從線性分布[2]，東側(cè)G4 測點樁身彎矩隨樁深度的變化曲線如圖8 所示。 圖8 中，每條曲線代表不同的日期。

圖8 樁身彎矩隨深度變化曲線Fig.8 Pile body bending moment curves of different depths

從圖8 可以看出，在開挖初期，樁身上部沒有支撐，上部的土壓力依靠開挖面以下的土抗滑力來平衡，在土壓力作用下，樁身彎矩曲線呈樁端小、中間大的形狀。 隨著開挖深度的增加，被動區(qū)的土抗力也隨之增大，開挖面以下樁身正彎矩也增大。 樁身上部有了錨索的預(yù)加荷載作用相當(dāng)于增加了彈性支撐，在基坑外側(cè)主動土壓力、基坑內(nèi)側(cè)開挖面以下的土體抗力和錨索支撐共同作用下，樁身彎矩曲線呈“S”狀。 在錨索標(biāo)高與開挖面標(biāo)高范圍內(nèi)，在主動區(qū)土壓力作用下，開挖面以上樁身彎矩由原來的正值變?yōu)樨?fù)值，并且負(fù)彎矩也隨著土方開挖的加深而增大。 在被動區(qū)，樁身彎矩由負(fù)值變?yōu)檎?，正彎矩也隨著土方開挖和加深而增大。 在后續(xù)施工階段，樁身彎矩值基本穩(wěn)定，彎曲曲線基本為“S”形。

2.2.4 支護(hù)樁后土體分層沉降

支護(hù)樁后土體分層沉降也是反映基坑安全狀態(tài)的指標(biāo)，用以掌握基坑底土體的回彈情況。 本文在基坑周圍工布置了8 個測點，用來了解支護(hù)后土體分層沉降情況。 支護(hù)樁后土體分層沉降隨時間而變化的曲線如圖9 所示。

圖9 支護(hù)樁后土體分層沉降曲線圖Fig.9 Soil layer sedimentation curves behind supporting pile

從圖9 可以看出，大部分測點的最大沉降值為16～19mm。 在基坑土方開挖期間，支護(hù)樁后土體分層沉降呈逐漸上升趨勢，錨索張拉鎖定后，使得沉降趨于暫時的相對穩(wěn)定。 隨著土方繼續(xù)開挖，沉降才繼續(xù)增加，錨索再次張拉鎖定后，沉降再次保持相對穩(wěn)定，直至土方開挖結(jié)束，沉降基本趨于穩(wěn)定。原因是，在土方開挖期間，基坑土體荷載的釋放，使得樁前和樁后土體失去平衡，樁后土體沉降；錨索張拉鎖定后，使得土體向平衡靠攏，所以沉降趨于相對穩(wěn)定。

2.2.5 周圍建筑物沉降

為了研究基坑的開挖對周圍建筑物的影響，在基坑周圍布置了37 個觀測點。 各測點的沉降隨時間變化的曲線如圖10 所示。

圖10 周圍建筑物隨時間沉降變化曲線圖Fig.10 Surrounding buildings sedimentation curves of different times

從圖10 可以看出，J32 測點的沉降量最大（12.39 mm），其次為J34 測點（10.65 mm），（其余測點的沉降量為2～4 mm。 其原因是，J32 和J34 測點位于基坑南側(cè)、四層綜合樓邊沿靠近基坑處，基坑的開挖對兩個測點的影響較大。

從圖10 還可以看出，在基坑開挖期，建筑物沉降呈階梯增長趨勢，隨著第一道錨桿的張拉鎖定，趨于穩(wěn)定。 基坑繼續(xù)開挖，沉降有所增長，伴隨著第二道錨桿的張拉鎖定，又趨于相對穩(wěn)定。 在第三道錨桿張拉之前，增長趨勢有所增加。 在第四道錨桿張拉之前，沉降變化量最大，增長趨勢最明顯。 在第四道錨桿張拉鎖定后，沉降基本趨于穩(wěn)定。

3 結(jié)論

將試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)整理，得出如下結(jié)論：

（1）在基坑土方開挖期間，隨開挖深度和施工工況的改變，各測點樁頂水平位移整體呈上升趨勢。在后期基礎(chǔ)施工階段，各測點水平位移值趨于穩(wěn)定。這符合深基坑變形的一般規(guī)律。

（2）通過對樁身深層水平位移的實測分析可知，錨索鎖定后，隨著土方開挖的持續(xù)，樁身位移繼續(xù)向坑內(nèi)方向增大。 每一工序完成后，樁體變形仍繼續(xù)發(fā)展，持續(xù)一段時間才趨于穩(wěn)定。

（3）支護(hù)樁樁身內(nèi)力變化主要受基坑開挖和錨索張拉兩個因素影響。

（4）土體分層沉降實測數(shù)據(jù)表明，在基坑土方開挖期間，支護(hù)樁后土體分層沉降呈逐漸上升趨勢，錨索張拉鎖定后，沉降趨于相對穩(wěn)定。

（5）由建筑物沉降數(shù)據(jù)可知，在基坑開挖期間，建筑物沉降呈增長趨勢，隨著錨桿的張拉鎖定，在一段時間趨于穩(wěn)定。 基坑繼續(xù)開挖，沉降有所增長，伴隨錨桿的張拉鎖定沉降，又趨于相對的穩(wěn)定，直至開挖結(jié)束，建筑物沉降才基本趨于穩(wěn)定。

[1] GB50202-2002，建筑地基基礎(chǔ)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范[S].

[2] 韓杰. 太原樁錨支護(hù)基坑工程設(shè)計方法研究[D]. 太原：太原理工大學(xué).2004：47-48.