考慮滲流作用的深基坑樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形研究

趙 喆，馬 亮，張繁祥

(甘肅省建筑科學(xué)研究院有限公司， 甘肅 蘭州 730070)

隨著城市發(fā)展和建設(shè)的需要，基坑朝著更大更深的方向發(fā)展，全國范圍許多地區(qū)開始研究、編制深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)和施工有關(guān)技術(shù)規(guī)范和規(guī)程，涌現(xiàn)出許多實(shí)用的基坑支護(hù)方法，對基坑過程設(shè)計(jì)理論和計(jì)算方法也有所改進(jìn)[1-3]。

在城市繁華地帶施工的深基坑，場地狹小，且在深基坑在施工過程中的安全事故也時有發(fā)生，這些深基坑在開挖過程中對周邊復(fù)雜環(huán)境的影響控制也更為嚴(yán)格[4-5]。Clough等[6]以硬黏土和砂土基坑作為研究對象，研究了基坑側(cè)向位移和基坑開挖深度之間的關(guān)系；徐中華等[7]以上海軟土地區(qū)的鉆孔灌注樁圍護(hù)的深基坑為研究對象，從統(tǒng)計(jì)角度系統(tǒng)分析了基坑開挖過程灌注樁的變形性狀，并研究了相關(guān)因素對基坑變形的影響；張學(xué)亞等[8]以實(shí)際工程案例為研究背景，對基坑進(jìn)行了動態(tài)分析，研究了深厚軟土地基圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律，并提出了基坑變形控制方法；周勇等[9]以蘭州地鐵濕陷性黃土深基坑為研究對象，對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)和位移進(jìn)行了實(shí)時監(jiān)測，并對車站深基坑的滲流穩(wěn)定性進(jìn)行了分析；文建鵬等[10]和董桂紅等[11]以實(shí)際深基坑工程案例為背景，對深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)和基坑周邊環(huán)境進(jìn)行了監(jiān)測分析；胡志超[12]以馬鑾灣灌新路近海隧道工程為背景，采用理論與現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的方法，對比和分析了在滲流作用下基坑沉降、坑底隆起、水平位移及工程樁軸力等，驗(yàn)證了相關(guān)設(shè)計(jì)和監(jiān)測結(jié)果的合理性；朱志鵬[13]以實(shí)際工程案例為背景，采用有限元分析方法，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際監(jiān)測結(jié)果，對開挖過程中基坑在滲流作用下的變形規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究，最后采用控制變量法，探討了土體參數(shù)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)以及施工因素對基坑變形的影響。雖然國內(nèi)外對考慮滲流和不考慮滲流深基坑內(nèi)力和變形方面研究諸多，但是基坑工程具有很強(qiáng)的區(qū)域性，而且基坑工程支護(hù)結(jié)構(gòu)形式多樣，基坑周邊環(huán)境復(fù)雜多變，其他地區(qū)的研究成果很難直接對某一環(huán)境的基坑施工過程進(jìn)行預(yù)測判斷，尤其在一些含水豐富的地區(qū)，滲流的影響更是不容忽視。

為了研究考慮滲流作用深基坑樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形規(guī)律，對天水市某深基坑樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)在滲流作用下的內(nèi)力和變形進(jìn)行了跟蹤監(jiān)測，以便對深基坑實(shí)際受力情況進(jìn)行準(zhǔn)確定量描述和對同地區(qū)同類型的基坑工程設(shè)計(jì)和施工做出預(yù)測。本文監(jiān)測結(jié)果是在滲流場和土體開挖應(yīng)力共同作用的結(jié)果，很難反映不考慮滲流作用基坑支護(hù)內(nèi)力與變形的結(jié)果，因此采用有限元分析方法分別建立了考慮滲流與不考慮滲流兩種情況的深基坑開挖支護(hù)對比模型，并結(jié)合實(shí)際監(jiān)測結(jié)果對比分析，進(jìn)一步研究滲流作用對深基坑樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的影響，可供本地區(qū)深基坑設(shè)計(jì)計(jì)算和施工參考。

1 工程概況

該工程位于天水市秦州區(qū)，北至成紀(jì)大道，南側(cè)緊鄰籍河，東側(cè)為籍河北路，東西長約100 m～160 m，南北寬約60 m～100 m，占地面積為18 495.0 m2，總建筑面積為85 123.22 m2?；訑M采用明挖順做法施工，基坑安全等級為一級，基坑±0.000 m，高程為1 181.300 m，開挖深度為13.75 m～15.25 m，基坑普遍底標(biāo)高為1 165.75 m～1 164.95 m。

1.1 工程地質(zhì)概況

該工程場地根據(jù)地層的巖性特征及物理力學(xué)性質(zhì)的差異，地層自上而下劃分為6層，各土層的基本參數(shù)如表1所示。各地層狀況描述依次如下：

(1) 雜填土層，厚1.0 m～3.3 m，成分復(fù)雜，土質(zhì)均勻性很差，稍密，稍濕。

(2) 黃土狀粉質(zhì)黏土層，厚0.5 m～7.0 m，土質(zhì)均勻性較好，稍濕—濕，硬塑—可塑狀。

(3) 圓礫層，厚1.0 m～5.2 m，層面埋深3.2 m～8.0 m，層面標(biāo)高1 172.75 m～1 176.20 m，骨架顆粒粒徑以2 mm～10 mm為主，約占總重量的50%～80%，稍密。

(4) 卵石層，埋深5.3 m～11.5 m，厚度2.5 m～6.1 m，骨架顆粒粒徑以20 mm～50 mm為主，大于20 mm的顆粒約占總重量的50%～60%，稍密。

(5) 強(qiáng)風(fēng)化泥巖，埋深8.8 m～12.0 m，厚度3.3 m～8.2 m，原巖成分以黏土礦物為主，泥質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)程度一般，成巖度差，屬半成極軟巖，遇水易軟化。

(6) 中風(fēng)化泥巖，層面埋深14.5 m～19.0 m，原巖成分以黏土礦物為主，含有大量的白色鈣質(zhì)成分，泥質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)程度一般，成巖度差，屬半成極軟巖，遇水易軟化。

1.2 水文地質(zhì)概況

該工程場地地下水埋深8.9 m～9.6 m，主要賦存于黃土狀粉質(zhì)黏土層底部及卵石層中，主要受地下徑流和籍河側(cè)向滲流補(bǔ)給。根據(jù)區(qū)域水文資料及周邊調(diào)查，場地地下水位一般年變化幅度1.0 m～2.0 m。

表1 土層基本參數(shù)

1.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

該基坑采用“咬合樁+預(yù)應(yīng)力錨索”的方式進(jìn)行支護(hù)，支護(hù)樁為機(jī)械鉆孔灌注樁，樁長為18.25 m，樁徑為1.0 m，樁間距為2.6 m，樁身混凝土強(qiáng)度為C30，止水樁樁徑為0.8 m，樁間均咬合0.2 m以上，樁頂設(shè)置鋼筋混凝土冠梁，截面尺寸為1.0 m×0.5 m?；迂Q直方向采用3道預(yù)應(yīng)力錨索，第1道與冠梁頂面的間距為2.0 m，第1道與第2道、第2道與第3道預(yù)應(yīng)力錨索的間距均為2.5 m，預(yù)應(yīng)力錨索采用3s15.2的鋼絞線，錨固在卵石或泥巖層中，其端部墊采用2根20b型槽鋼背靠背立起作為腰梁。支護(hù)結(jié)構(gòu)布置剖面圖見圖1。

圖1 支護(hù)體系剖面圖(單位：mm)

2 深基坑監(jiān)測方法及結(jié)果分析

基坑擬采用明挖順做法施工，開挖過程中對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力進(jìn)行監(jiān)測，基坑開挖過程為：第一次基坑開挖到3.0 m處，設(shè)置第一道預(yù)應(yīng)力錨索；第二次基坑開挖到5.5 m處，設(shè)置第二道預(yù)應(yīng)力錨索；第三次基坑開挖到8.0 m處，設(shè)置第三道預(yù)應(yīng)力錨索；第四次基坑開挖到設(shè)計(jì)標(biāo)高處?；娱_挖深度較大，且基坑周邊環(huán)境復(fù)雜，所以從基坑邊緣起至基坑外周圍1.5倍基坑深度范圍內(nèi)為需要保護(hù)的環(huán)境。對該范圍內(nèi)的預(yù)應(yīng)力錨索、圍護(hù)樁和周邊環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，基坑現(xiàn)場監(jiān)測點(diǎn)布置如圖2所示。

2.1 錨索軸力

預(yù)應(yīng)力錨索應(yīng)力變化對基坑開挖過程的安全性有著至關(guān)重要的影響，錨索軸力監(jiān)測是通過接在錨索上的鋼筋應(yīng)力計(jì)來進(jìn)行的，采用頻率儀進(jìn)行預(yù)應(yīng)力錨索應(yīng)力監(jiān)測[13]。按照設(shè)計(jì)要求該試驗(yàn)段預(yù)應(yīng)力錨索鎖定值取180 kN，鎖定時的錨索拉力考慮鎖定過程的預(yù)應(yīng)力損失，可采用超張拉方法減少預(yù)應(yīng)力損失，錨索拉力取鎖定值的1.1倍。錨索軸力監(jiān)測點(diǎn)布置在Z112支護(hù)樁第一道錨索M1、第二道錨索M2和第三道錨索M3(編號：112-2-1、112-2-2、112-2-3)，通過對同一斷面的3根錨索軸向應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測，錨索軸向拉力變化曲線如圖3所示。

圖2 基坑現(xiàn)場試驗(yàn)監(jiān)測點(diǎn)布置圖

圖3 錨索軸力-時間曲線

由圖3可看到在預(yù)應(yīng)力錨索鎖定后由于預(yù)應(yīng)力損失錨索拉力值有所降低，隨后基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，隨著基坑深度的增加，錨索拉力值也會隨之增加，一般增長率在25%左右。從曲線還可看出，下一道錨索施工后，會使得上部已施工完成的錨索軸向拉力值有所降低，但隨著基坑的開挖，錨索軸向拉力值又會逐漸增大，整體呈增大趨勢，后期逐漸趨于穩(wěn)定。

2.2 支護(hù)樁樁體位移

通過采用測斜裝置對3根支護(hù)樁Z118、Z121和Z124的樁身水平位移進(jìn)行監(jiān)測，測斜儀沿著測斜管定向放入管中，直至滑入管底，量測時每隔500 mm讀一次數(shù)，通過測定測斜儀與垂直線間的傾角變化，進(jìn)而得到支護(hù)樁不同深度處的水平位移變化[14-15]。對Z118、Z121和Z124支護(hù)樁的樁身水平位移進(jìn)行監(jiān)測，支護(hù)樁樁身水平位移變化曲線，如圖4所示。

圖4 樁身位移曲線

由圖4可看出支護(hù)樁樁身位移越靠近樁頂位移越大，樁底基本沒有發(fā)生過大位移，沿著樁身呈現(xiàn)“上部大，下部小”的規(guī)律，說明支護(hù)樁樁底5.5 m的嵌固深度滿足要求。隨著基坑開挖深度的增大，樁身變形逐漸增大，當(dāng)基坑開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高后樁身位移達(dá)到最大值，后期逐漸趨于穩(wěn)定。錨索的施加使得位移部分回彈，可以減少樁身位移，隨著基坑的開挖以及錨索的施工，樁身后土體合力點(diǎn)下移，在開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，樁身位移自上而下整體呈階梯狀分布，樁身上部位移增長平緩，下部位移增長較為明顯。從樁身位移曲線可看到，Z118、Z121和Z124支護(hù)樁的樁身位移最大值分別為13.6 mm、11.3 mm和10.4 mm，說明空間效應(yīng)對基坑開挖過程支護(hù)樁的樁身位移有顯著影響，支護(hù)樁中間位置的樁身最大位移值明顯大于其他支護(hù)樁位置。

2.3 坑周地表沉降分析

受現(xiàn)場場地條件限制，只在基坑周邊布設(shè)3個地表沉降監(jiān)測點(diǎn)D1—D3，對其在開挖過程中周圍地表沉降進(jìn)行監(jiān)測，地表沉降隨時間的變化曲線如圖5所示。

圖5 地表沉降變化曲線

由圖5可以看到，隨著基坑的開挖基坑周邊地表沉降整體呈增大趨勢；在基坑開挖初期，地表逐漸出現(xiàn)沉降，最大沉降為0.6 mm，到第100天基坑已開挖至基地標(biāo)高，周邊地表沉降出現(xiàn)在D3監(jiān)測點(diǎn)，沉降值增至為8.0 mm，后期逐漸穩(wěn)定。在基坑第三道錨索施工完畢前，地表沉降變化速率較小，在第三道錨索施工完畢后到開挖至基坑底，地表沉降變化速率較大，在基坑完全開挖至基底后，沉降基本達(dá)到最大，并逐漸趨于穩(wěn)定。

3 基坑開挖滲流分析

3.1 分析模型

結(jié)合本工程實(shí)例，在有限元分析過程中分不考慮滲流深基坑開挖支護(hù)和考慮滲流深基坑支護(hù)的滲流穩(wěn)定性分析兩個階段，開挖支護(hù)分析按照深基坑開挖施工順序進(jìn)行，滲流穩(wěn)定性分析采用階段性降水與施工開挖支護(hù)交替進(jìn)行。

在分析模型中，通過激活、鈍化網(wǎng)格組的方法來實(shí)現(xiàn)深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)置與開挖的過程，本構(gòu)模型選用摩爾-庫侖彈塑性模型，土體采用二維平面應(yīng)變單元，混凝土灌注樁采用二維梁單元，錨桿采用桁架單元，土層參數(shù)按表1取用。模型水平方向計(jì)算長度取開挖寬度的3.5倍，豎直方向取開挖深度的6.0倍，整個基坑模型尺寸為210.0 m×82.5 m，模型底部設(shè)為固定邊界，兩邊設(shè)定為法相約束邊界，分析模型如圖6所示。

圖6 分析模型

3.2 滲流作用對基坑開挖的影響

由圖7可看到土體初始孔隙水壓力呈水平分布，保持著相對平衡的狀態(tài)，隨著基坑開挖和降水會逐漸打破土體原有的孔隙水壓力平衡，在基坑內(nèi)外側(cè)產(chǎn)生水頭差，從而導(dǎo)致滲流的產(chǎn)生。在基坑開挖過程中，從基坑內(nèi)側(cè)向基坑外，滲流場等勢線越來越稀疏，在靠近支護(hù)樁附近滲流場等勢線最為密集，表明在支護(hù)樁附近水力梯度最大，從流速來看此處也是流速最大區(qū)域，因而該區(qū)域地下水的滲流作用較大。

圖7 初始孔隙水壓力

3.3 錨索軸力對比分析

從圖8可看到在基坑開挖過程中，隨著土體應(yīng)力釋放和滲流力的作用，錨索軸向拉力整體呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢；在基坑周圍土體應(yīng)力場和滲流力共同作用下，預(yù)應(yīng)力錨索軸向拉力相對于不考慮滲流作用時增大幅值約為0.1%，兩者相差較小，表明滲流力對預(yù)應(yīng)力錨索軸向拉力影響不明顯。另外，還可看到考慮滲流作用后的錨索軸向拉力較不考慮滲流作用和實(shí)際監(jiān)測結(jié)果偏大，這是由于在考慮滲流力作用后，會使得基坑周邊土體有效應(yīng)力有所增大，產(chǎn)生向基坑內(nèi)側(cè)的水平位移，錨索軸向拉力也會隨之增大，因此，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮滲流場作用，提高基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)。

3.4 支護(hù)樁水平位移對比分析

從圖9可看到，在基坑周圍土體應(yīng)力和滲流作用下，有限元分析曲線與實(shí)際監(jiān)測結(jié)果曲線變化趨勢基本一致，隨著開挖深度的增加支護(hù)樁水平位移呈增大趨勢。在考慮滲流作用支護(hù)樁樁頂水平位移可達(dá)11.4 mm，未考慮滲流作用支護(hù)樁頂水平位移為7.5 mm，整體來看支護(hù)樁水平位移考慮滲流作用相對于不考慮滲流作用增大幅值約在0.0%～78.0%，具體樁身水平位移的變化與樁體本身部位有關(guān)，隨樁深的變化而變化，這是由于滲流力的作用和開挖后土體應(yīng)力釋放造成的，滲流作用使得基坑外側(cè)有效應(yīng)力增大，從而作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的水平力增大，因此，考慮滲流場分析結(jié)果能夠更好的反映深基坑在降水開挖過程中周邊土體位移變化情況。

圖8 錨索軸向拉力對比分析

3.5 坑周地表沉降對比分析

隨著基坑的開挖，基坑周圍土體存在一定的地表沉降，從圖10可看到，有限元分析計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)際監(jiān)測結(jié)果變化趨勢相一致，兩者吻合較好，整體隨著基坑開挖深度的增加，基坑外地表沉降呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。另外，從曲線圖可知，在基坑開挖至第90天時，考慮滲流作用基坑地表沉降值可達(dá)8.1 mm，相反未考慮滲流作用基坑地表沉降值為7.4 mm，在整個基坑開挖過程中，考慮滲流作用基坑地表沉降相比于未考慮滲流結(jié)果有所增加，增加幅值約為8.0%～20.0%，這是由于滲流場作用的影響基坑外側(cè)土體豎向有效應(yīng)力增大的結(jié)果。

圖9 樁體水平位移對比分析

圖10 地表沉降對比分析

4 結(jié) 論

通過對滲流作用下深基坑樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形進(jìn)行分析，可總結(jié)以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1) 考慮滲流作用深基坑開挖，隨著基坑開挖深度的增加，基坑外圍土體有效應(yīng)力逐漸增大，使得預(yù)應(yīng)力錨索軸向拉力、支護(hù)樁樁身水平位移和基坑周地表沉降均會有所增加，直到基坑開挖完畢最終趨于穩(wěn)定。

(2) 考慮滲流作用，在基坑開挖過程中，支護(hù)樁附近區(qū)域水力梯度、流速最大，受到地下水的滲流作用較大。

(3) 有限元分析結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果較為接近，有、無考慮滲流作用的預(yù)應(yīng)力錨索軸向拉力、支護(hù)樁水平位移和基坑周邊地表沉降曲線大致相同，但考慮滲流作用下的結(jié)果較大，對深基坑開挖穩(wěn)定性極為不利，說明深基坑考慮滲流作用使計(jì)算結(jié)果偏于安全。

(4) 采用“咬合樁+預(yù)應(yīng)力錨索”支護(hù)方案可有效地控制樁體水平位移和坑周地表沉降，實(shí)測的最大樁體水平位移在10.4 mm～13.6 mm之間，小于25.0 mm的允許值，此支護(hù)類型適用于天水市的類似深基坑工程的施工。