某樁錨支護(hù)深基坑變形監(jiān)測(cè)與分析

王 夢(mèng)，孔德志

（河南大學(xué)土木建筑學(xué)院，河南 開(kāi)封 475004）

本文以開(kāi)封市晉開(kāi)·四季城基坑項(xiàng)目為例，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果結(jié)合基坑變形理論，采用最小二乘法對(duì)圍護(hù)頂水平位移和土體深層水平位移分別進(jìn)行多項(xiàng)式和指數(shù)函數(shù)擬合，提出時(shí)間對(duì)基坑圍護(hù)頂位移的影響規(guī)律及深層位移隨深度的分布特征，利用本文擬合結(jié)果能夠?qū)邮┕み^(guò)程中對(duì)基坑變形的發(fā)展進(jìn)行預(yù)測(cè)，并采用相應(yīng)控制措施，確?；邮┕ぐ踩?/p>

1 工程概況

晉開(kāi)·四季城A區(qū)二期項(xiàng)目地下部分總建筑面積為 35735．775m2，地下車(chē)庫(kù)基底面積為21437．57m2，基坑總面積約 22042m2，場(chǎng)區(qū)經(jīng)整平后，地面地形稍有起伏，場(chǎng)區(qū)無(wú)建筑物。本工程基坑平面呈不規(guī)則多邊形，南北長(zhǎng)約173m，東西寬約162m，主樓基坑開(kāi)挖深度約10．5m，局部集水坑及電梯井位置落差約2．5m。

2 場(chǎng)地地質(zhì)與水文地質(zhì)情況

根據(jù)《晉開(kāi)·四季城A區(qū)二期巖土工程勘察報(bào)告》，擬建場(chǎng)地屬于黃河沖積平原區(qū)，場(chǎng)地經(jīng)人工整平后，場(chǎng)區(qū)地表地形稍有起伏，地貌單一。擬建場(chǎng)地基土層分布情況如下：①層粉土，層厚 2．0～3．0m，平均層厚 2．71m；② 層粉砂，層厚 3．5～5．9m，平均層厚 4．54m；層底埋深 6．3～8．6m；平均層底埋深7．25m；③層粉土，層厚 0．5～2．6m，平均層厚1．42m；層底埋深 8．0～9．5m；平均層底埋深8．66m；④層粉土，層厚 1．0～2．0m，平均層厚1．49m；層底埋深 9．8～10．5m；平 均層底埋 深10．15m；⑤層粉質(zhì)黏土夾粉土，層厚 3．5～5．5m，平均層厚 4．28m；層底埋深 13．8～15．8m；平均層底埋深 14．44m；⑥層粉土，層厚 2．2～4．5m，平均層厚3．64m；層底埋深 17．5～19．0m；平均層底埋深18．09m；⑦層粉質(zhì)黏土，層厚 1．5～3．1m，平均層厚2．37m；層底埋深 20．0～21．0m；平均層底埋深20．45m；⑧層細(xì)砂，層厚 14．8～15．2m，平均層厚14．96m；層底埋深 35．1～35．5m；平均層底埋深35．35m。

根據(jù)地勘報(bào)告，本工程場(chǎng)地地下水位埋深2．30～3．00m，基準(zhǔn)期內(nèi)年平均最高水位埋深約 1．0m。屬第四系松散巖類(lèi)孔隙潛水，地下水補(bǔ)給方式主要為大氣降水并且水位隨季節(jié)的變化而不同，年變化幅度1．0～2．0m，本場(chǎng)地環(huán)境類(lèi)型為Ⅱ類(lèi)。

3 監(jiān)測(cè)方案

本工程采用極坐標(biāo)法水平位移監(jiān)測(cè)，此方法簡(jiǎn)便、高效、精度可靠，因而在樁頂水平位移監(jiān)測(cè)中應(yīng)用極為廣泛。樁頂水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)的埋設(shè)應(yīng)該符合JGJ8—2016《建筑變形測(cè)量規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定。通常情況下，基坑監(jiān)測(cè)應(yīng)設(shè)置位移基準(zhǔn)點(diǎn)。特等和一等的基準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)不應(yīng)少于4個(gè)，剩下的等級(jí)不少于3個(gè)。樁頂位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)沿基坑周邊布置，監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平間距不宜大于20m。

本工程采用鉆孔埋設(shè)方法。測(cè)斜監(jiān)測(cè)點(diǎn)一般布置的位置通常在基坑平面的撓曲計(jì)算值最大處，監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平間距的設(shè)計(jì)值為20～50m，每邊監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)目不少于1個(gè)。除測(cè)斜點(diǎn)布置間距需注意外，測(cè)斜管的埋設(shè)深度也需要考慮在內(nèi)，測(cè)斜管深度應(yīng)大于圍護(hù)頂入土深度并且不宜小于基坑開(kāi)挖深度的 1．5倍。

本工程深層土體位移測(cè)孔有 6個(gè)，圍護(hù)頂水平位移布設(shè)31個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)時(shí)間從2017年2月至2017年6月。在基坑開(kāi)挖及挖至設(shè)計(jì)底標(biāo)高進(jìn)行監(jiān)測(cè)，共進(jìn)行130次監(jiān)測(cè)，提供階段報(bào)告107期。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置

4 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

4.1 圍護(hù)頂水平位移監(jiān)測(cè)和分析

本工程共布設(shè)了30個(gè)基坑監(jiān)測(cè)點(diǎn)，用以研究圍護(hù)頂水平位移。本研究只取截水帷幕＋樁錨聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的剖面進(jìn)行分析，因此選取其中的12個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分析研究。圍護(hù)頂各測(cè)點(diǎn)水平位移隨時(shí)間變化的曲線如圖2所示。

圖2 圍護(hù)頂水平位移隨時(shí)間的變化曲線

從圖2可看出，JK8、JK11這2個(gè)測(cè)點(diǎn)圍護(hù)頂水平位移較大，最大值分別為 47．76，51．41mm；JK1、JK2這2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)圍護(hù)頂水平位移較小，最大值分別為39．72，39．99mm。其余測(cè)點(diǎn)的圍護(hù)頂水平位移最大值集中在42～45mm，可看出圍護(hù)頂?shù)乃轿灰齐S時(shí)間變化可分為4個(gè)階段。

1）第一階段是從2月20日到3月26日 這一階段是從基坑開(kāi)挖開(kāi)始到第1道錨桿張拉之前。由于這期間開(kāi)封下了幾場(chǎng)大雪，加之工地響應(yīng)開(kāi)封市揚(yáng)塵治理的要求，所以進(jìn)度緩慢。這個(gè)過(guò)程開(kāi)挖深度較淺，開(kāi)挖速度較慢，各樁水平位移呈懸臂狀態(tài)，而且樁頂水平位移較小且發(fā)展緩慢，每天的監(jiān)測(cè)位移都在5mm以內(nèi)。每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累計(jì)位移量都在5～7mm。

2）第二階段是從3月27日至4月2日 這一階段從第1道錨桿張拉到第2，3道錨桿張拉前。這一階段由于天氣較好，施工安排合理，所以開(kāi)挖速度較快，開(kāi)挖深度較大，樁頂水平位移變化較大，增長(zhǎng)較快，每天的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移都以2～3mm的速度增加。其中JK8的累計(jì)位移量最大值達(dá)22．82mm。

3）第三階段是從4月3日至5月30日 這一階段是第2，3道錨桿施工階段。由于錨桿的約束作用，位移得到很好的控制，因此這一階段的位移增長(zhǎng)曲線平緩下來(lái)，由此可見(jiàn)錨桿對(duì)于控制樁頂位移起著至關(guān)重要的作用，這也是現(xiàn)在基坑支護(hù)中大多采用樁錨支護(hù)的原因。

4）第四階段是在5月30日以后 這一階段第3道錨桿已張拉完畢，基坑開(kāi)挖也已完工。在這個(gè)過(guò)程中，由于錨桿的約束作用，加上土體卸荷已基本完成，土壓力基本達(dá)到穩(wěn)固狀態(tài)，因此樁頂水平位移逐漸趨于穩(wěn)定。

由此可看出，樁頂水平位移的變化與基坑開(kāi)挖深度、開(kāi)挖速度、錨桿張拉及張拉時(shí)間等因素有很大關(guān)系。由分析可知，開(kāi)挖深度越大、開(kāi)挖速度越快且沒(méi)有錨桿張拉的情況下，樁頂水平位移隨時(shí)間變化就越快，但在設(shè)置錨桿的情況下，會(huì)大大縮減樁頂水平位移的變化量。因此在基坑開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)做好錨桿張拉工作，減少樁頂水平位移的變化量。

4.2 土體深層水平位移監(jiān)測(cè)和分析

本文選取 CX1、CX4、CX5、CX6共4個(gè)測(cè)斜孔進(jìn)行研究。隨著基坑開(kāi)挖，位移量緩慢增加，在開(kāi)挖至設(shè)計(jì)深度后，土體變形達(dá)到最大值，并在后期基本趨于穩(wěn)定。測(cè)斜日變化量報(bào)警值3mm／d，累計(jì)報(bào)警值60mm，由土體深層水平位移曲線可知，CX1、CX4、CX5、CX6的測(cè)斜日變化量和累計(jì)變化量都在標(biāo)準(zhǔn)要求之內(nèi)。其中4月11日CX1位移表現(xiàn)出明顯的負(fù)值，方向朝基坑外位移，或是因?yàn)榛觿傞_(kāi)始開(kāi)挖造成土體突然的附加沉降引起。在土體開(kāi)挖初期，水平位移曲線沿深度方向近似呈直線變化，且位移較小，樁頂位移大，底部位移小。隨著開(kāi)挖深度的增加，在錨桿未完全張拉之前，土體位移變化較快，但樁頂位移變化最大，最小位移發(fā)生在基坑底部。隨著錨桿施工完畢，土體位移變化慢慢減小，在土體和錨桿的共同作用下，土體位移變化不再顯著增加，經(jīng)過(guò)后期的沉降作用，土體位移趨于穩(wěn)定。該檢測(cè)結(jié)果及其表現(xiàn)出來(lái)的規(guī)律趨勢(shì)很好地反映了施工過(guò)程中基坑開(kāi)挖和錨桿張拉對(duì)土體深層水平位移的影響。

5 最小二乘法擬合基坑位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

已知離散數(shù)據(jù)（xi，yi），i＝0，1，2，．．．，m，如果擬合的函數(shù)是f（x），將xi代入這個(gè)擬合函數(shù)得到函數(shù)值yi*＝f（xi），因?yàn)?yi的具有不準(zhǔn)確性，所以在每一點(diǎn)都會(huì)產(chǎn)生1個(gè)誤差：δi＝y(tǒng)i*－＝f（xi）－i＝0，1，2，．．．，m．所求的 f（x），是使其在每一個(gè) xi處所產(chǎn)生的誤差δi的絕對(duì)值｜δi｜都能達(dá)到最小。但是這樣太困難，所以考慮整體誤＝，使整體誤差達(dá)到最小。

用這種方法得到擬合曲線 y＝f（x）的方法，就稱之為曲線擬合的最小二乘法。按照上述思想求f（x）的擬合曲線，首先需要確定的是 f（x）所屬的函數(shù)類(lèi)別，然后再進(jìn)一步求出具體函數(shù)。

5.1 多項(xiàng)式進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)擬合

用多項(xiàng)式進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)擬合，以5月17日CX6測(cè)點(diǎn)為例，進(jìn)行土體深層水平位移隨深度變化數(shù)據(jù)的擬合。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，得到的監(jiān)測(cè)結(jié)果如表1所示。

通過(guò)數(shù)據(jù)擬合，得到的擬合函數(shù)為：s＝13．19－0．73z－0．0085z2，由所得的擬合函數(shù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作圖，如圖3所示。

圖3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與擬合函數(shù)曲線

由圖3可看出擬合函數(shù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得到的趨勢(shì)幾乎一樣，這說(shuō)明數(shù)據(jù)擬合是符合的。從圖3中可看到在開(kāi)挖初期和中期出現(xiàn)了一定偏差。在開(kāi)挖初期由于樁錨未及時(shí)支護(hù)，又恰逢降雨降雪，所以在這段時(shí)期的實(shí)際位移監(jiān)測(cè)值比理論值偏大。在開(kāi)挖中期，由于錨桿的及時(shí)張拉使基坑位移的速度減緩，所以在這一階段基坑位移的實(shí)際監(jiān)測(cè)值小于理論值。后期的基坑位移基本上在可控的范圍內(nèi)。所以，對(duì)于基坑開(kāi)挖，要選擇適宜的天氣進(jìn)行，盡量避免雨雪天氣施工，并且要及時(shí)張拉錨桿，以減小基坑位移帶來(lái)的安全問(wèn)題。

5.2 指數(shù)函數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)擬合

以JK1為例進(jìn)行圍護(hù)頂水平位移隨開(kāi)挖深度變化數(shù)據(jù)的擬合。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，得到的監(jiān)測(cè)結(jié)果如表2所示。

表2 JK1圍護(hù)頂水平位移監(jiān)測(cè)結(jié)果

通過(guò)數(shù)據(jù)擬合，擬合函數(shù)為：s＝2．48e0．31z。由所得的擬合函數(shù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作圖，如圖4所示。

表1 CX6土體深層水平位移監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖4 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與擬合函數(shù)曲線

由圖4可看出擬合函數(shù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得到的趨勢(shì)幾乎一樣，這說(shuō)明數(shù)據(jù)擬合是符合的，同樣可看出圍護(hù)頂水平位移隨開(kāi)挖深度的增加而變化的規(guī)律曲線，實(shí)際監(jiān)測(cè)曲線和理論曲線基本一致，但實(shí)際監(jiān)測(cè)的位移值都稍大于理論計(jì)算的位移值。這是因?yàn)樵诨娱_(kāi)挖過(guò)程中不僅受到天氣的影響，而且受施工工藝和施工進(jìn)度計(jì)劃安排的干擾使樁錨支護(hù)不及時(shí)，圍護(hù)頂水平位移偏差較大。但在后期施工中，由于基坑開(kāi)挖支護(hù)已經(jīng)完成，所以土體位移逐漸穩(wěn)定。這說(shuō)明樁錨支護(hù)取得了一定的成果，減小了基坑位移，對(duì)于基坑安全起到防護(hù)作用。

6 結(jié)語(yǔ)

1）基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移大多出現(xiàn)在基坑開(kāi)挖階段。因此才需對(duì)基坑支護(hù)樁頂水平位移和土體深層水平位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

2）通過(guò)基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可看出，在基坑開(kāi)挖初期，基坑位移變化一般不大，隨著基坑開(kāi)挖深度的增加，位移變化量才逐漸變大，并且開(kāi)挖速度越快基坑變形也越大。因此，在基坑開(kāi)挖過(guò)程中，需要合理安排施工進(jìn)度。

3）深層土體水平位移的最大處多發(fā)生在基坑表面，最小處發(fā)生在基坑坑底處。在基坑開(kāi)挖初期位移變化較小，隨著基坑開(kāi)挖深度的變化，基坑位移變化較大，但隨著錨桿的張拉，對(duì)基坑變形起控制作用，應(yīng)及時(shí)張拉錨桿。所以在基坑開(kāi)挖過(guò)程中，開(kāi)挖速度和張拉錨桿的時(shí)間對(duì)基坑位移起著很重要的影響。

4）對(duì)基坑開(kāi)挖階段的水平位移進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到在開(kāi)封地區(qū)普遍適用性的位移變化規(guī)律的公式，對(duì)該地區(qū)的深基坑開(kāi)挖具有參考作用。