樁錨支護深基坑施工過程變形特征分析

仝霄金，陳圣仟

(濟南市勘察測繪研究院，山東 濟南 250013)

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樁錨支護深基坑施工過程變形特征分析

仝霄金，陳圣仟

(濟南市勘察測繪研究院，山東 濟南 250013)

以濟南市某大型深基坑工程為依托，通過FLAC3D對深基坑工程不同施工階段的變形特性進行了數(shù)值計算分析；樁錨支護深基坑，地表最大豎向變行產(chǎn)生在距離基坑邊緣10m位置處，且最大豎向變形量為46.16mm；最大水平位移發(fā)生在樁頂冠梁位置處，最大水平位移為53.45mm，是基坑支護最薄弱環(huán)節(jié)，基坑呈現(xiàn)三角形狀向內(nèi)側滑動的趨勢。

深基坑；變形特征；樁基側移；地表沉降

0 引言

近年來，隨著經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展和工程施工技術的不斷改進，大量的高層建筑及超高層建筑結構不斷涌現(xiàn)，根據(jù)相關高層建筑技術規(guī)范可知：高層及超高層建筑結構宜設置配套地下室[1]，因此，深基坑工程或超深基坑工程便相應的產(chǎn)生了；我國基坑設計規(guī)范對于大型深基坑或超深基坑的設計尚缺乏理論依據(jù)和技術指導，相關可借鑒的工程案例也較少；支護結構的確定和相關開挖方案的采用依然停留在工程經(jīng)驗取值和淺基坑支護設計理論；忽略了超深基坑設計施工過程中復雜的力學特性分析，因此對于一定支護結構方案下，大型深基坑施工穩(wěn)定性研究具有非常重要的工程意義。

目前，國內(nèi)諸多學者已對相關深基坑工程施工過程變形特征和力學特性進行了相關研究，并取得了豐碩的研究成果；比如：齊玉清、何德洪、王繼軻[2-4]等以不同的工程案例為背景，通過對不同的基坑事故進行深入剖析，對現(xiàn)有深基坑支護結構的不足進行了論述；李淑、何敏、葉亞林、郝勝利[5-8]等通過對不同工程案例支護結構進行總結，基于數(shù)值模擬對不同工況下深基坑開挖引起的變形特征和力學特性進行了詳細分析，對施工過程中的結構變形進行了合理的預測，對現(xiàn)場施工提供了有利的指導；張亞奎、聶宗泉[9-10]等基于深基坑開挖引起的施工變形，研究了對建筑物的力學特性變化，并提出了相關建筑物基礎托換和加固理論，有效避免了深基坑開挖對建筑結構的影響；張瑾、尹光明[11-12]等對不同工程案例進行了深基坑開挖風險分析，并提出相關風險管理體系，對施工過程中的變形進行了預測和控制，結合相關工程進行了探討和應用。

該文以濟南市某高層建筑配套高層大型深基坑工程為工程原型，針對沖擊地層大型深基坑建設過程中的變形特性進行了分析，對深基坑工程的變形規(guī)律進行了總結。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)概況

濟南市某深基坑工程所處地層上部以黃河、小清河沖積而成的粘性土、粉土為主，下部主要為山前沖洪積而成的粘性土、砂土、卵石土；相應土層及物理力學參數(shù)見表1。

表1 土層物理力學參數(shù)

1.2 支護結構概況

基底相對標高為-19.500m，基坑上部采用1∶3放坡開挖，三道土釘墻支護；下部采用樁錨支護結構：其中樁結構采用長23m，Φ800mm@2m的鉆孔灌注樁；樁頂-7.5m處設置800mm×1000mm的冠梁，下部基坑在-12.0，-16.0m處設置228a型槽鋼做腰梁，三道錨索均采用4根7Φ15.24高強度低松弛鋼絞線，自上而下分別設置在冠梁和兩道腰梁上，其長度分別為25m,30m,25m；其中錨固段長16m,21m,20m；自由段長度分別為9m,7m,5m；設計預應力值依次是自150,200,180kN，灌漿材料采用C20水泥砂漿；墊板采用20mm×240mm×240mm的鋼板，鎖具采用M15-9圓塔形多孔翻錨及配套夾片；后張法施工，用2臺張拉機具從槽鋼兩端向中間同時張拉，減弱了群錨效應產(chǎn)生的預應力損失。

圖1 基坑支護結構圖

2 數(shù)值計算

2.1 數(shù)值計算模型的建立

依據(jù)現(xiàn)場工程概況，結合深基坑開挖影響范圍，建立數(shù)值計算模型大小為100.0m×50.0m×79.5m，如圖2所示，左右邊界距基坑外邊線大于3H(H為基坑開挖最大深度)，下邊界距坑底距離大于3H；采用位移邊界條件，混凝土噴層采用shell結構單元，樁體采用pile結構單元，錨索和土釘支護采用cable結構單元，各材料參數(shù)取值如表2所示。

圖2 三維計算模型

材料描述彈性模量/(MPa)泊松比重度/(kN/m3)黏聚力/(kPa)內(nèi)摩擦角/(°)雜填土100．2818．51012粉土140．3018．92116粉質(zhì)粘土130．2819．43015中砂500．2720．80．532粉質(zhì)粘土150．2819．73520粘性土210．3020．24028樁基基礎1．5×1050．2025．0——

2.2 施工模擬順序

根據(jù)基坑原設計方案，設計模擬步驟如下：

第一步：建立數(shù)值計算模型，定義材料參數(shù)，待自重應力平衡后，形成初始應力場；對豎向位移和水平位移、豎向和水平向移動速度、初始狀態(tài)塑性區(qū)進行清零。

第二步：依照設計方案進行基坑開挖模擬；首先進行放坡開挖模擬，并施作3道土釘墻支護，長度分別為6m,9m,6.0m；然后進行坡面混凝土噴層施工。

第三步：依照設計要求，在設計指定位置進行鉆孔灌注樁及冠梁結構的施工，并在冠梁位置處，打設第一道錨索，長度分別為25.0m，錨固長度為16.0m，自由端長度位9.0m。

第四步：直墻段第一步開挖；依照設計指定要求，基坑繼續(xù)開挖至-12.0m，并及時施作環(huán)向腰梁和第二道錨索，其中第二道錨索長30m，錨固段長度為21m，自由端長度為9.0m。

第五步：直墻段第二步開挖；依照設計指定要求，基坑繼續(xù)開挖至-16.0m，并及時施作環(huán)向腰梁和第三道錨索，其中第三道錨索長25m，錨固段長20.0m，自由端長度為5.0m。

第六步：直墻段第三步開挖，依照設計要求，基坑繼續(xù)開挖至-19.5m，并進行坑底相關工作施工。

綜上可述，依據(jù)設計要求，可將基坑開挖簡單概括為四施工階段：第一階段：放坡開挖并進行土釘墻支護，鉆孔灌注樁及冠梁施工，并進行第一道錨索施工；第二階段：基坑開挖至-12.0m，并及時進行第二道錨索施工；第三階段：基坑開挖至-16.0m，并及時施作第三道錨索施工，第四階段：基坑繼續(xù)開挖至-19.5m，并進行基坑封底工作。

2.3 數(shù)值計算結果分析

2.3.1 基坑開挖不同階段變形特性分析

深基坑不同開挖施工階段引起的變形特征主要包括豎向位移和水平位移兩部分(圖3～圖6)，其中豎向位移可反映深基坑開挖土體卸荷引起基坑底部回彈變形大小，也可反應基坑邊界不同位置處的地表沉降特征；有利于現(xiàn)場施工人員找出豎向變形危險區(qū)域，采取合理措施控制基坑豎向變形，保障了基坑或其周邊建筑物變形安全；水平位移可反映不同開挖階段側向變形大小；基坑開挖土體卸荷引起側向土壓力增大，進而引起坡體下滑力增大，當基坑支護結構不足以抵抗下滑力矩時，基坑水平側向變形急劇增大，已引起基坑整體滑塌或樁體傾覆等工程災害；因此關注基坑側向水平位移是整個基坑開挖過程中防止工程災害的重要措施之一。

圖3 第一階段放坡開挖并進行土釘墻支護變形圖

深基坑開挖第一階段：放坡開挖并施做土釘墻支護結構及混凝土噴層階段施工后，依照設計要求打設樁基并施作第一道錨索；地表豎向沉降位移并未發(fā)生在基坑邊緣，而是發(fā)生在距基坑邊緣一定距離位置，約為8.48mm；放坡段底部與基坑交接處發(fā)生部分隆起位移，約為12.17mm；而水平位移變化最大量發(fā)生在坡底，約為12.78mm；水平位移可反映地層滑動趨勢，基坑外側土體呈現(xiàn)三角形分布，向基坑內(nèi)側滑動的趨勢，與相關滑移理論相符。

圖4 第二階段施工基坑變形特征圖

當基坑進行直墻段第一步開挖時，土體卸荷引起土體應力釋放，滑動面向下移動，隨著開挖深度的不斷增加，土體右側土壓力增大，下滑力不斷增加，樁承受水平側向壓力也不斷增加；最大豎向位移達12.65mm，位置基本不變，最大隆起位移為13.65mm，最大水平位移發(fā)生在樁頂處，為18.03mm，說明該處承擔側向土壓力較多，下滑力較大，是滑動破壞的危險區(qū)域；因此在該處布設一根長25m，錨固段為18m的錨索是很有必要的；錨索軸力寬度代表受力的大小，則由錨索受力特點可以看出，錨索沿線均承受較大的軸向拉力。在錨索自由段靠近開挖面處受力最大，隨著距開挖面距離的增加，錨索軸力逐漸減小，呈現(xiàn)三角形分布；當遠離基坑開挖面一定距離后，錨索軸力趨于均勻分布。

圖5 第三階段開挖基坑變形特征圖

第三階段：當進行直墻段第二步施工開挖至-16.0m，并施做第二道錨索；隨著基坑開挖深度的繼續(xù)增加，基坑最大豎向位移位置基本不變，由12.65mm逐漸增加至26.24mm，樁頂冠梁位置處，最大土體沉降為10mm，基坑最大隆起量為15.02mm；水平位移也不斷增加，逐漸由18.24mm增加至31.36mm，滑移面呈現(xiàn)三角形分布；明顯看出，當施做第二道錨索之后，第二道錨索受力較第一道錨索小，說明在支護結構中，樁頂冠梁處受拉力較大，是整個基坑支護的薄弱環(huán)節(jié)。

圖6 第四階段施工基坑變形特征圖

第四階段：當開挖至基坑底部-19.5m，并支護第三道錨索施工時，豎向位移和水平位移繼續(xù)增加，但位置基本不變。且錨索受力趨于均勻，由于第三道錨索的施工使得第一道錨索、第二道錨索的軸力有所減小，除自由段靠近開挖面處錨索受力較大外，錨固段受力較均勻。其最大豎向位移、水平位移、隆起位移分別為46.17mm,53.45mm,16.61mm，明顯看出：基坑開挖產(chǎn)生的位移主要以水平位移為主，豎向沉降位移也同樣不可忽視。

2.3.2 基坑開挖地表沉降規(guī)律分析

為研究基坑開挖引起地表變形變化規(guī)律，以基坑邊界為起點，以次間隔2m布設監(jiān)測點，得基坑不同開挖階段引起周邊地表豎向位移如圖7所示。

圖7 基坑開挖地表沉降規(guī)律

由圖7可知，地表最大沉降位置并未發(fā)生在基坑邊緣，而是距基坑邊緣一定距離處；隨著基坑開挖深度的不斷增加，當基坑進行放坡開挖的第一階段時，地表最大變形量為8.48mm，這是由于基坑開挖一側土體卸荷引起另一側土壓力增加，向基坑內(nèi)側產(chǎn)生滑動變形引起地表沉降逐漸增大。當基坑繼續(xù)開挖至-12.0m并進行第二道錨索支護時，基坑邊界不同地表位置變形繼續(xù)增加，最大沉降量位置基本不變，由8.48mm逐漸增加為12.65mm，基坑變形影響范圍也相差無幾；當基坑繼續(xù)開挖至-16.0m，并及時進行第二道錨索的支護后，基坑邊界不同位置地表沉降均發(fā)生顯著增加，最大變形量由12.65mm增加至26.25mm，增幅為13.60mm，達107%，說明第三階段施工隊地表豎向變形貢獻率較大，該階段土體卸荷引起土壓力增幅較大，土體產(chǎn)生下滑力較大所致；當基坑進行第四階段施工，開挖至基坑-19.5m處并及時施作第三道錨索時，基坑邊界不同位置處地表沉降增幅更大，地表最大沉降量由26.25mm增加至46.17mm，增幅為19.92mm，高達76%。說明隨著基坑開挖深度的不斷增加，同等基坑深度土體開挖卸荷引起地表變形量逐漸增大，對地表沉降貢獻量增大。

通過上述地表變形規(guī)律的敘述可知，基坑放坡并進行土釘支護時，地表沉降貢獻量僅為8.46mm，而基坑開挖第二階段至第四階段時，地表沉降變形貢獻量依次為4.17mm,13.60mm,19.92mm，說明冠梁和樁基的支護作用明顯，對減小基坑外側土體下滑，減小地表沉降效果顯著；隨著基坑開挖深度的不斷增加，土體卸荷量相應增大，土壓力及其產(chǎn)生的下滑力逐漸增大，地表沉降貢獻量也較大。將不同基坑開挖階段地表沉降變化規(guī)律如表3所示。

表3 基坑開挖不同階段施工地表貢獻率匯總

2.3.3 基坑支護結構變形分析

為研究大型深基坑開挖支護結構的變化規(guī)律，通過在樁基沿線布設檢測點進行水平位移動態(tài)監(jiān)測，通過在錨索鎖定后不同時間段內(nèi)進行錨索軸力監(jiān)測，依次判定支護結構變形穩(wěn)定性。研究表明：基坑圍護結構的變形形狀與圍護結構的形式、剛度、施工方法等有著密切的關系；Clough and O’rourke(1990)等將內(nèi)撐和錨拉系統(tǒng)的開挖所引致的圍護結構變形形式歸結為3類：第一類為懸臂式位移；第二類為拋物線型位移；第三類為上述2類的組合(圖8)。

圖8 圍護結構變形趨勢

研究表明：樁基變形在基坑開挖不同施工階段，樁基不同位置水平位移差異性明顯；不同階段施工對基坑水平變形量貢獻率不同(圖9)。不同施工階段最大水平變形量不同，但位置基本保持不變；基坑開挖至-12.0m時，樁頂最大水平位移量為18.03mm，樁基水平位移減幅很快，在距離樁頂5m處時，樁基水平位移迅速減小至5.0mm，與上述基坑開挖引起地層水平位移云圖所示趨勢相同；當基坑繼續(xù)開挖至-16.0m，并及時施作第二道錨索支護時，樁基水平位移從18.03mm逐漸增加至31.36mm，增加了13.33mm，增幅高達74%，說明該階段土體卸荷，土壓力增加，對基坑樁基側向壓力增大，水平位移增幅明顯；當基坑繼續(xù)開挖至-19.5m坑底時，并及時施作第三道錨索和底板施工，樁基水平位移增幅更大，從31.36mm增加至53.45mm，增加了22.09mm，增幅達70.4%，說明深度越大，同等基坑開挖深度引起的土壓力增加較大，對樁基水平位移貢獻率越大。

圖9 樁基水平位移變化規(guī)律

通過上述樁基水平變形規(guī)律可知：基坑開挖引起樁基水平位移基本符合懸臂式結構變形形式；基坑最大水平位移發(fā)生在樁頂位置，與冠梁相接處；第二階段至第四階段施工過程中，不同施工階段對樁基水平側移變形貢獻率不同，由上述分析可知：第二、三、四階段施工引起樁基側移增量分別為18.03mm,13.33mm,22.09mm，可知不同階段施工對樁基側移貢獻率不同。

表4 樁基水平位移變化規(guī)律

3 結論

(1)原設計樁錨支護加固方案下，基坑邊緣地表最大豎向變形量并未發(fā)生在基坑邊緣，而是距離基坑邊緣10m位置處，最大豎向變形量46.16mm。

(2)最大水平位移發(fā)生在樁頂冠梁位置處，最大水平位移為53.45mm，是基坑支護最薄弱環(huán)節(jié)，基坑呈現(xiàn)三角形向內(nèi)側滑動的趨勢，與懸臂式支護結構變形形狀相符。

[1] 中華人民共和國行業(yè)標準.高層建筑混凝土結構技術規(guī)程(JGJ3-2010)[S].

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TONG Xiaojin, CHEN Shengqian

(Jinan Geotechnical Investigation and Surveying Research Institute, Shandong Jinan 250013, China)

FLAC3D was used to analyze its deformation characteristics and mechanical characteristics during different construction stages. On the condition of the original design schemes, the maximum vertical surface deformation of the pit did not occur in the pit edge, but 10m position from the pit edge, and the maximum vertical deformation was 46.16mm; The maximum horizontal displacement occurred in the top position of the pile, the maximum horizontal displacement was 53.45mm, which was the weakest link in excavation. The sliding trend of foundation presents a triangular shape, which was consistent with the deformed shape of cantilever supporting structure.

Deep pit; deformation characteristics; pile lateral displacement; surface subsidence

2016-03-08；

2016-10-04；編輯：陶衛(wèi)衛(wèi)

仝霄金(1980—)，男，山東濟南人，注冊巖土工程師，主要從事巖土力學與工程的理論工作;E-mail：122448931@qq.com

P642；TU473

B

仝霄金，陳圣仟.樁錨支護深基坑施工過程變形特征分析[J].山東國土資源，2016,32(10)：69-74.TONG Xiaojin, CHEN Shengqian. Stability Research of Deep Excavations Supported by Composite Soil Nailing and Pile-anchor[J].Shandong Land and Resources, 2016,32(10)：69-74.