樁錨支護上土下巖地層深基坑沉降與變形分析

曹程明，時軼磊，龍照*，葉帥華, 王寧

(1.甘肅中建市政工程勘察設計研究院有限公司，蘭州 730000；2.中國市政工程西北設計研究院有限公司，蘭州 730000；3.蘭州理工大學土木工程學院, 蘭州 730050)

近年來，隨著中國經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，全國各大中城市均出現(xiàn)了大量超高層建筑以及深大地下綜合體的建設項目。各類復雜深基坑工程也隨之出現(xiàn)，給巖土工程設計帶來了新的機遇與挑戰(zhàn)，深基坑圍護結構的研究一時也成為巖土領域的重點研究方向[1-2]。此外，由于基坑開挖深度的不斷加深以及地層的起伏變化，在基坑工程中出現(xiàn)了大量的上土下巖地層深基坑。與單純土層深基坑不同，上土下巖地層深基坑存在土巖軟硬分界面，上部土層與下部巖層抗剪強度參數(shù)差異巨大，采用同一種支護結構勢必給施工帶來嚴重的困難并會造成一定的浪費。針對此類基坑更為經(jīng)濟合理的支護結構以及基坑穩(wěn)定性預測與研究方法亟待解決[3-5]。有關上土下巖地層深基坑工程的理論研究具有一定的滯后性，對于類似基坑工程的支護設計的合理性還存在一系列的問題。因此，有關土巖組合地層深基坑支護結構的研究成為國內(nèi)學者研究的重點，并已取得一定研究成果[6-8]。

商大勇[9]依據(jù)青島地鐵站深基坑工程，對樁錨支護體系下陽角部位地表沉降及周圍結構變形進行監(jiān)測，對基坑巖土體及支護結構的沉降和水平位移變化規(guī)律進行了分析。黃敏等[10]采用有限元模擬方法，對土層厚度、錨桿布設、支護樁嵌入巖層的相對深度、巖層組成及開挖方式等不同條件下基坑開挖引起的地表沉降特征進行了計算分析。胡瑞庚等[11]以土巖組合基坑為例，分析了不同土體本構模型對基坑開挖引起支護結構變形進行了對比分析，得出HS(Hardening soil model)、HSS(Hardening soil model with small-strain stiffness)模型更為適合此類基坑的有限元計算。謝錫榮等[12]對大量土巖組合地層深基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，得出基坑最大地表沉降量、水平位移量、基坑影響范圍與基坑開挖的關系。

土巖組合地層基坑工程中，其下部巖層強度參數(shù)高，整體穩(wěn)定性好，可據(jù)此對支護結構進行優(yōu)化設計，從而降低基坑支護造價?，F(xiàn)結合具體工程實例，在此類基坑支護設計中，上部土層采用樁錨，下部巖層采用坡率法的支護形式。并以沿坡腳45°+φ/2破裂面與支護樁的交點視為支護樁嵌固點進行樁長設計，從而在確?；娱_挖過程中的穩(wěn)定性的同時，降低支護樁在巖層中的嵌固深度。然后，結合基坑開挖過程中現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對土巖組合地層深基坑支護結構的變形與受力進行分析，得出土巖組合地層上部樁錨支護下部放坡開挖的受力以及變形規(guī)律。最后，采用PLAXIS 3D三維有限元軟件建立樁錨支護結構模型，對基坑開挖過程中基坑周邊沉降以及基坑水平位移等進行計算，根據(jù)有限元計算結果分析土巖組合地層基坑開挖過程中基坑變形以及支護結構受力的變化分布規(guī)律。并將現(xiàn)場監(jiān)測結果與有限元計算結果進行對比分析，以期為今后類似土巖組合地層深基坑支護結構的優(yōu)化設計提供一定的幫助與指導。

1 深基坑支護設計方案

1.1 工程概況

某地區(qū)大型商業(yè)建設項目，基坑開挖面積約16 300 m2，基坑最大深度約20.2 m?；颖眰葹榄h(huán)西路與解放路十字路口，場地較平整，基坑邊線距離用地紅線11.5～12.6 m，距離道路邊線3～5 m；西側為環(huán)西路，地下室輪廓線進入道路邊線2～4.8 m，基坑邊線距離用地紅線約8 m，距離小江河河堤7～9 m；基坑南側為逸群小學，基坑邊線距離四層L形教學樓最近距離約5 m，該教學樓為淺基礎，基礎埋深約2 m。場地內(nèi)地層分布主要有：雜填土層，紅黏土層，強風化白云巖層，中風化白云巖層，基坑基底已進入中風化白云巖，為典型的上土下巖地層深基坑工程。主要對基坑南側臨近教學樓區(qū)域基坑支護結構變形與受力情況進行分析研究。確保采用的支護結構可滿足基坑開挖過程中基坑穩(wěn)定以及附近建筑物變形滿足相關規(guī)定要求。

根據(jù)工程場地巖土工程勘察報告并結合當?shù)叵嚓P工程經(jīng)驗，基坑開挖深度范圍內(nèi)土層分布及強度參數(shù)如表1所示。

表1 巖土體參數(shù)表

1.2 基坑支護設計

南側基坑開挖深度約20.2 m，基坑上口線距離4層教學樓最近位置約為5.0 m，若基坑變形過大將直接引起教學樓的變形，因此支護設計方案應嚴格控制基坑變形。又由于該區(qū)域中風化白云巖埋深約14.1 m，考慮到基巖性質較好，但在巖層中成樁造價高、施工進度慢，為降低支護造價并節(jié)省工期，在滿足基坑變形、穩(wěn)定性以及周圍建筑物安全要求的前提下，結合本項目地層特點對支護方案進行優(yōu)化。基坑支護設計過程中，根據(jù)計算結果并綜合考慮多方案比選，最終確定支護方案如下：上部土層范圍采用樁+預應力錨索支護，為盡可能降低錨索成孔及壓力注漿對教學樓的影響，第一道錨索設置在地面以下2.8 m位置，且4道錨索傾角均為30°。下部中風化白云巖地層采用放坡開挖，分界面位置設3.0 m寬平臺。為有效控制上部樁錨結構的側移，適當增大支護樁嵌固深度，考慮下部巖體開挖對支護樁嵌固深度的影響，下部巖質邊坡按照45°+φ/2潛在滑移面與支護樁交點作為支護樁嵌固點，計算中基坑深度按照該點深度確定，并保證嵌固段長度滿足要求。典型支護剖面圖如圖1所示。

γ為重度

目前該項目主體結構已施工完成，采用上述方案基坑支護效果良好。

2 有限元計算分析

基坑開挖過程是一個三維空間變形問題，為分析基坑開挖過程中上述支護結構變形以及地面沉降情況，從而復核本項目支護設計的合理性，采用PLAXIS 3D有限元軟件建立基坑開挖有限元模型，對基坑開挖不同工況進行數(shù)值計算，并與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行對比，分析基坑支護設計的合理性。

2.1 本構模型的選擇

土層與巖層性質差異巨大，兩者本構模型選擇的合理與否將直接影響計算結果的真實性。PLAXIS軟件提供了多種不同的本構模型。其中HS模型可較好地體現(xiàn)臨近建筑物超載情況下，基坑開挖引起的周圍地面沉降變化。Mohr-Coulomb model(MC)模型更適用于極限平衡條件下的強度分析。因此，本文基坑有限元模型中上部土層采用HS模型，下部巖層采用MC模型。土與支護結構相互作用采用12節(jié)點界面單元模擬。

2.2 有限元模型建立

根據(jù)上述工程實例基坑支護方案，建立三維有限元模型如圖2所示。所建模型尺寸為：長×寬×高=80 m×10 m×50 m。網(wǎng)格單元劃分采用中等，全局比例因子1.0。網(wǎng)格劃分后，生成6 466個單元數(shù)，12 526個節(jié)點。模型中巖土體參數(shù)取值見本文中表1。模型沿縱向取10.0 m寬度，既有四層教學樓按60 kPa面荷載等效作用于基坑頂，支護樁采用按等剛度法等效的板單元模擬，板單元參數(shù)為：重度γ=25 kN/m3，彈性模量E=5×107kPa，泊松比為0.2。錨索自由段采用點對點錨桿單元模擬，EA=6×106kPa，其中A為材料截面積。錨固段采用嵌入式樁單元模擬：重度γ=24 kN/m3,彈性模量E=5×107kPa，泊松比為0.15。并根據(jù)實際開挖順序設置不同的計算工況。本模型共劃分12個計算工況，其中第1工況為初始應力場生成，第2～10工況為分層開挖與施加預應力錨索，第11工況為開挖至巖層頂面，第12工況為基巖層放坡開挖至基底。

圖2 有限元計算模型

2.3 監(jiān)測點的選擇

為了方便對有限元計算結果進行分析，且便于同實測監(jiān)測結果進行對比分析，生成有限元網(wǎng)格之后在模型不同位置設置應力和變形監(jiān)測點。具體監(jiān)測點布置如下：沿基坑頂沿遠離坑邊布置4個監(jiān)測點C1～C4，水平間距5.0 m。

3 數(shù)值計算結果分析

3.1 水平位移分析

考慮到基坑南側部分區(qū)段距離教學樓基礎較近，設計按位移控制，最大水平位移限制在20 mm以內(nèi)。根據(jù)有限元計算結果，可得到距離坡頂不同距離處的監(jiān)測點C1～C4在各計算工況下的水平位移值變化曲線如圖3所示，開挖至坑底時基坑整體水平位移云圖如圖4所示。

圖4 基坑開挖至坑底水平位移云圖

由圖3可知，隨著基坑開挖深度的不斷加深，不同位置監(jiān)測點水平位移值均不斷增大，但最大位移值相差顯著?？拷悠马斘恢帽O(jiān)測點C1位移增幅最大，開挖至基底時最大水平位移達到20.51 mm，而距離基坑坡頂約15 m位置的監(jiān)測點C4其水平位移隨基坑開挖變化較平緩，最大位移值為7.18 mm。

圖3 各計算工況不同位置監(jiān)測點水平位移

根據(jù)不同工況水平位移計算結果可知，各監(jiān)測點水平位移均呈波動式上升趨勢，施加預應力錨索工況的水平位移具有明顯的降低現(xiàn)象，表明預應力錨索的施加可有效約束基坑水平位移的增加，達到控制基坑變形的目的，計算結果顯示最大水平位移為20.51 mm，可滿足設計要求。

由圖3中各監(jiān)測點水平位移的變化趨勢可知，開挖上部土層過程中位移增幅明顯，開挖巖層過程中位移增量明顯減小。監(jiān)測點C1由12.8 m開挖至20.2 m后，水平位移由19.86 mm增加至20.51 mm，僅增加了0.65 mm，表明上土下巖地層深基坑位移變化規(guī)律由傳統(tǒng)單一土層基坑差異顯著，對類似上土下巖地層深基坑的設計應考慮下部巖層的有利影響。

由圖4水平位移分布云圖可知，最大水平位移發(fā)生在上部土層深度范圍內(nèi)，即使下部巖層未采用支護結構，其水平位移增幅也較小，因此，該支護結構在確?；影踩那疤嵯拢档土酥ёo費用。對上土下巖基坑的優(yōu)化設計具有一定的指導作用。

3.2 坡頂沉降變化分析

根據(jù)有限元計算結果，得到監(jiān)測點C1～C4在不同計算工況下的沉降結果變化曲線如圖5所示。由圖5可知，隨著基坑開挖深度的不斷增加，各點位置處的豎向沉降均呈遞增趨勢變化。其中距離基坑坡頂約5 m位置的C2監(jiān)測點豎向沉降量最大，開挖至基坑底時最大值為15.78 mm，C1與C3監(jiān)測點豎向沉降變化規(guī)律相近，遠離基坑的C4監(jiān)測點豎向沉降最小，說明在距離基坑坡頂一定范圍內(nèi)豎向沉降呈先增加后減小的變化規(guī)律。根據(jù)各計算工況沉降變化規(guī)律可知，預應力錨索施工對沉降影響不明顯。

圖5 各計算工況不同位置監(jiān)測點豎向沉降

3.3 錨索軸力變化分析

根據(jù)有限元計算結果，得到基坑不同開挖工況下各道錨索軸力變化情況如圖6所示。

由圖6可知，基坑開挖過程中，預應力錨索施工后承擔部分側壓力，可有效約束基坑變形。隨著基坑開挖深度的加深，各道錨索軸力均呈逐漸增大的變化趨勢。但隨著下部各道錨索的施工，上部錨索的軸力有減小的趨勢，并且第二道、第三道錨索施工后，第一道錨索軸力有減小趨勢。根據(jù)計算結果可知，第三道錨索軸力最大，最大值為167.3 kN·m，主要原因為基坑最大位移發(fā)生在該道錨索影響范圍內(nèi)。第四道錨索軸力較小，最大值為128.2 kN·m，主要原因為該道錨索位于基坑底部，距離巖層較近，基坑在該區(qū)域位移較小所致。

圖6 錨索軸力變化圖

4 監(jiān)測內(nèi)容及結果分析

為確?；娱_挖過程中基坑支護結構以及基坑坡頂附近建筑物穩(wěn)定，對基坑支護結構以及基坑變形進行現(xiàn)場監(jiān)測，在本基坑工程施工中設置了多項監(jiān)測內(nèi)容。但為與數(shù)值模擬結果進行對比分析，選擇基坑局部四層教學樓處的監(jiān)測點數(shù)據(jù)，對支護樁深層水平位移、支護樁頂水平位移、基坑周邊地面沉降的監(jiān)測結果進行分析。局部基坑監(jiān)測點布置平面圖如圖7所示。

圖7 基坑局部監(jiān)測點布置圖

4.1 基坑周邊沉降監(jiān)測分析

根據(jù)監(jiān)測點布置位置，選取距離教學樓較近的W15、W26、C9～C12共6個監(jiān)測點，對各監(jiān)測點沉降值隨時間變化情況進行分析，得到各監(jiān)測點沉降變化曲線如圖8所示。

由圖8沉降變化曲線可知，各監(jiān)測點沉降值隨基坑開挖均呈遞增變化，不同位置監(jiān)測點沉降變化速率以及最大值具有較明顯差異。距離基坑頂約5 m位置的監(jiān)測點C09沉降量最大，基坑開挖至坑底時，最大沉降量達到15.59 mm。說明基坑周邊沉降量最大值并不是發(fā)生在緊鄰坑邊位置，而是距離坑邊一定距離處。主要原因為預應力錨索屬于主動支護，施加預應力后，相當于對基坑表面施加向基坑外側的力，導致坡面發(fā)生向基坑外側的輕微變形，而遠離坡頂?shù)膮^(qū)域由于預應力影響不明顯，仍繼續(xù)向基坑內(nèi)側變形，兩者相互擠壓導致重疊區(qū)域沉降減小。因此出現(xiàn)臨近坡頂監(jiān)測點減小的現(xiàn)象。

圖8 各監(jiān)測點地表沉降變化曲線

各監(jiān)測點沉降變化速率最大發(fā)生在基坑上部土層開挖過程中，在開挖至下部巖層后，各監(jiān)測點沉降量略微浮動，說明影響基坑地表沉降的主要為上部土層，設計計算中應考慮下部巖層的有利影響。

4.2 基坑周邊水平位移監(jiān)測分析

選取距離4層教學樓附近基坑監(jiān)測點W15、W26、C9、C11共4個監(jiān)測點，對上述監(jiān)測點水平位移監(jiān)測值隨基坑開挖變化情況進行分析，得到各監(jiān)測點水平位移隨時間的變化曲線如圖9所示。

由圖9水平位移變化曲線可知，各監(jiān)測點水平位移值隨時間均呈遞增趨勢，但不同位置的監(jiān)測點水平位移變化速率差異明顯。監(jiān)測點W26距離基坑邊最近，水平位移變化最顯著，開挖至基底時最大位移為18.75 mm，根據(jù)位移變化曲線可發(fā)現(xiàn)，基坑在基巖層以上的土層內(nèi)開挖時，水平位移隨深度增長迅速，開挖至基巖層后，水平位移增長明顯變緩。監(jiān)測點C09最大水平位移值12.87 mm，該監(jiān)測點位于4層教學樓位置，根據(jù)監(jiān)測結果基坑施工過程中最大變形量可滿足建筑物變形要求，說明采用優(yōu)化后的支護結構可保證本基坑開挖過程中周圍建筑物的變形要求。監(jiān)測點W15設置于基巖層面上，根據(jù)該點水平位移隨時間變化曲線可知，在基坑下部巖層開挖過程中，基坑水平位移增加平緩，基坑由12.8 m開挖至20.2 m過程中，監(jiān)測點W15水平位移僅增加1.38 mm。因此，對于上土下巖基坑，應對其變形進行專門計算研究，從而對支護結構進行一定的優(yōu)化設計。

圖9 各監(jiān)測點水平位移變化曲線

4.3 支護樁深層水平位監(jiān)測分析

選擇距離教學樓最近的支護樁測斜管在不同施工階段的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，得到不同工況下支護樁深層水平位移沿樁身的變化曲線如圖10所示。

由圖10可知，受錨索作用的影響，各施工階段樁身水平位移沿深度大致呈先增大后減小的拋物線形分布。隨著基坑開挖深度的增加，樁身最大水平位移呈遞增變化，且最大值位置逐漸下移。根據(jù)本工程監(jiān)測結果，開挖至基底時樁身最大側移量為14.3 mm，最大樁身位移發(fā)生在上部土層范圍內(nèi)。樁身約14 m深度以下水平位移顯著降低。主要原因為該區(qū)域基巖面埋深為12.8 m，根據(jù)45°+φ/2確定的嵌固點深度大致約為13.5 m，因此樁身位移嵌固點以下顯著降低，說明對于上土下巖地層深基坑支護樁的嵌固點按照本文方法確定是合理可行的。

圖10 支護樁水平位移沿樁身變化曲線

5 結論

以上土下巖地層深基坑工程為背景，采用三維有限元計算與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)相結合的方法對基坑開挖施工過程中的基坑變形以及支護結構受力變化規(guī)律進行了研究分析，得到如下結論。

(1)對于上土下巖深基坑工程，基坑變形主要受上部土層工程性質控制，在開挖下部巖層過程中，基坑變形發(fā)展顯著減小。因此，對于上土下巖深基坑工程，設計中可考慮巖層對基坑變形的有利影響。

(2)受基坑圍護結構以及錨索的影響，基坑沉降量最大值并未發(fā)生在緊鄰基坑頂位置，而是發(fā)生在距離坡頂一定距離處。

(3)支護樁樁身最大側移發(fā)生在基巖面上方一定土層深度范圍內(nèi)。根據(jù)樁身測斜管監(jiān)測結果可知，按照基底45°+φ/2破裂角確定支護樁嵌固點深度具有一定的合理性。

綜合以上分析，對于上土下巖地層深基坑工程，在進行支護結構設計中應考慮下部巖層對基坑穩(wěn)定性的有利影響，對基坑變形以及支護結構受力進行計算分析，從而可在確?；臃€(wěn)定的條件下，對該類基坑的支護結構進行優(yōu)化設計，從而降低工程造價。