富水砂卵石層地區(qū)樁錨支護深基坑變形特性

呂松梅, 夏 敏, 任光明, 范榮全, 梁永閃

(1．地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室(成都理工大學)，成都 610059；2．國網(wǎng)四川省電力公司，成都 610041；3．四川省地質(zhì)工程勘察院集團有限公司，成都 610072)

富水砂卵石地層廣泛分布于成都地區(qū)[1]，其滲透性高、結(jié)構(gòu)松散、黏聚力低、整體穩(wěn)定性差等工程地質(zhì)特性使得深基坑在開挖過程中容易產(chǎn)生較大的變形，嚴重威脅基坑自身及周邊建(構(gòu))筑物的穩(wěn)定性[2]。因此，基坑開挖、后期主體工程施工及運行期對基坑自身變形、支護結(jié)構(gòu)變形、周邊地表沉降及建(構(gòu))筑物實施變形監(jiān)測與變形特性研究尤為重要。

近年來，樁錨支護結(jié)構(gòu)以其適應性強、對施工空間要求不大及控制基坑變形能力強等優(yōu)點在深基坑支護中得到了廣泛的運用[3-7]。對于深基坑樁錨支護體系的變形特性，國內(nèi)外學者做了大量的研究。徐江等[8]運用ABAQUS軟件對軟土地區(qū)深基坑中樁錨支護結(jié)構(gòu)變形及周邊土體位移特性進行了研究；周勇等[9]通過典型的工程實例和基坑設計軟件研究了黃土地區(qū)樁錨支護結(jié)構(gòu)在考慮附加應力作用對樁錨基坑支護體系的影響下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和位移關(guān)系；鄭剛等[10]采用有限差分法研究了砂性土地區(qū)局部錨桿失效對樁錨基坑支護體系的影響；Cheng X.S.等[11-12]針對基坑坍塌事故，系統(tǒng)性地分析了黏土地區(qū)局部支護樁破壞時荷載傳遞的機理；Shu J.C.等[13]、Zhao W.等[14]關(guān)于樁錨支護基坑的模型試驗和數(shù)值研究也取得了大量的成果。已有成果主要針對黏土、砂土層地區(qū)樁錨支護深基坑變形特性研究，而對于結(jié)構(gòu)松散、均勻性差的富水砂卵石層區(qū)樁錨支護深基坑變形研究甚少；因此，有必要對富水砂卵石層地區(qū)樁錨支護深基坑變形特性開展研究。

本文以成都某地下變電站深基坑工程為背景，基于施工過程中大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)并結(jié)合數(shù)值模擬手段，對富水砂卵石層樁錨支護深基坑變形特性展開研究，以期為類似地層中深基坑工程樁錨支護設計提供參考。

1 工程概況及場地地質(zhì)條件

1.1 工程概況

該深基坑工程的場地地勢總體較平坦，僅局部堆有棄土，孔口海拔高度為504.0～504.9 m，最大高差為0.9 m?；訓|側(cè)的道路距離基坑8.0 m，道路上及道路兩旁的人行道下有管線；基坑西北側(cè)為體育場；基坑南側(cè)有一座4層建筑，距離基坑約32.0 m。基坑長約67.5 m，寬約42.5 m，開挖總面積為3 654.7 m2，周長為287.0 m，開挖深度約為24.6 m。

1.2 場地地質(zhì)條件

場地位于岷江Ⅰ級階地，地層由上而下依次為：①填土、②粉土、③細砂、④中密卵石層、⑤密實卵石層、⑥強風化泥巖、⑦中等風化泥巖。其中場地上覆人工填土厚度大，結(jié)構(gòu)松散；其下的粉質(zhì)黏土、粉土、砂土及卵石地層亦為松散結(jié)構(gòu)。

地下水類型主要為砂卵石層中的孔隙潛水，靜止水位埋深4.9～5.2 m，施工期間采用井點降水措施輔以基坑內(nèi)明排降水?；诳碧姐@孔揭露的地層分層特征及室內(nèi)直剪試驗獲取的巖土體物理力學參數(shù)值見表1。

2 基坑開挖與支護設計方案

采用分層方式進行基坑開挖，開挖分為9個階段(表2)。該基坑工程的支護設計方案為支護樁+錨索+角撐。各支護分項工程參數(shù)如下：支護樁的長度為35 m，直徑為1.5 m，樁間距為2.5 m，混凝土強度等級C30；冠梁大小為287 m×1.6m×1.0 m，混凝土強度等級C30；混凝土腰梁2道，大小為230 m×0.7 m×0.55 m，混凝土強度等級C30；鋼腰梁6道，每道長230 m，采用2×45C工字鋼。錨索8道，采用1860級鋼絞線，直徑15.2 mm；注漿材料采用P042.5R硅酸鹽水泥，漿液水灰比0.5∶1，打入角為15°，錨索的各項參數(shù)見表3；樁間護壁采用A12@200×200鋼筋網(wǎng)，外噴厚度為100 mm的C20混凝土。施工時，鋼絞線需除油、除銹，錨桿主筋上應先均勻涂抹黃油，然后穿入PVC管保護，使其盡量自由?；又ёo體系剖面如圖1所示。

表1 場地地層分層及巖土體物理力學參數(shù)取值Table 1 Site stratifications and physical and mechanical parameters of rock and soil

表2 深基坑開挖階段劃分Table 2 Excavation stages of deep foundation pit

表3 錨索主要參數(shù)Table 3 Main parameters of anchor rod

hm、α、Lf、Lm、Ls分別表示錨索標高、錨索角度、錨索自由段長度、錨索錨固段長度、錨索橫向間距；fk和fy分別為錨索拉力標準值和錨桿預拉力值。

3 基坑變形監(jiān)測方案

為確?；庸こ淘谑┕て诘淖陨矸€(wěn)定及對相鄰建(構(gòu))筑物的穩(wěn)定性不構(gòu)成威脅，在基坑開挖過程中及后期變電站工程運行期對基坑工程及周邊土體沉降實施監(jiān)測工作。根據(jù)相關(guān)基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范[15-19]，該基坑工程的監(jiān)測內(nèi)容包括：①支護樁頂部的水平及豎向位移；②深層土體位移；③地表沉降。監(jiān)測點共布置了82個(圖2)，其中沿基坑邊支護樁水平及豎向位移監(jiān)測點21個，包括基坑角點、中部等部位；周邊建(構(gòu))筑物及地表沉降監(jiān)測點56個；深層土體側(cè)向位移監(jiān)測點5個。

根據(jù)規(guī)范[17]，支護樁水平累計位移預警值為≥25 mm，相對基坑深度控制值為基坑深度的0.3%，變化速率≥2 mm/d時預警；豎向累計位移預警值為≥10 mm，相對基坑深度控制值為0.2%，變化率≥3 mm/d時預警；基坑地表沉降預警值為10 mm。

根據(jù)《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》[15]確定出該基坑的監(jiān)測預警值(表4)。

圖1 基坑支護體系剖面圖Fig.1 Section of foundation pit supporting system

圖2 監(jiān)測點平面布置圖Fig.2 Layout of monitoring points

4 深基坑變形監(jiān)測分析

4.1 樁頂水平位移

選取分別位于基坑東、南、西、北側(cè)的代表性監(jiān)測點JC8、JC11、JC14及JC21對樁頂水平位移特征進行分析，其監(jiān)測結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，JC8、JC11、JC14、JC21測點的樁頂水平位移值變化趨勢基本一致，主要分為3個階段：①基坑開挖初期，因開挖卸荷、距離基坑壁一定深度范圍土體應力調(diào)整，導致基坑壁處產(chǎn)生h為基坑開挖深度；累計值應取絕對值和相對基坑深度(h)控制值兩者中的小值；當監(jiān)測項目的變化速率連續(xù)3天超過表中規(guī)定的70%或直接超過規(guī)定值，應及時報警。

表4 深基坑各監(jiān)測項目預警值Table 4 Early warning value of each monitoring item of deep foundation pit

圖3 樁頂水平位移特征Fig.3 Horizontal displacement characteristics of pile top

較大土壓力，使得支護樁向坑內(nèi)產(chǎn)生了較大的側(cè)向位移。②基坑開挖中期，錨索有效地分擔了坑外土體作用在支護樁上的壓力，有效地減小了支護樁的側(cè)向位移。其中基坑從深度22.5 m開挖至25.0 m時，未增加支護措施，樁頂水平位移具有小幅度增加的特征。③基坑開挖至底板到后期支護完工，土體卸荷基本完成，應力調(diào)整達到相對穩(wěn)定狀態(tài)，樁頂水平位移曲線逐漸趨于穩(wěn)定，最大累計水平位移值約11.3 mm，小于監(jiān)測預警值。

4.2 樁頂豎向位移

圖4 樁頂豎向位移特征Fig.4 Vertical displacement characteristics of pile top

圖4為JC8、JC11、JC14、JC21測點的樁頂豎向位移監(jiān)測結(jié)果，可知樁頂豎向位移量值總體隨基坑開挖深度增加呈逐漸增大的趨勢，其變形具有以下特征：①基坑開挖初期，樁頂豎向位移增長緩慢，表現(xiàn)為沉降位移，且具有波動特征，這可能是施工過程中機械振動或者降雨所致。②隨著基坑開挖深度增加，支護樁沉降值逐漸增大，表明基坑施工對支護樁頂部地表變形影響較大，應加強地表裂縫的監(jiān)測。③基坑開挖至底板到后期錨索施工完成，支護樁沉降位移曲線逐漸趨于收斂，最大累計沉降位移量值約6.5 mm，小于監(jiān)測預警值。

4.3 深層土體水平位移

圖5 深層土體水平位移特征Fig.5 Variation of horizontal displacement of deep soil

圖5為監(jiān)測點SC2深層土體水平位移監(jiān)測曲線，其變形具有以下特征：①深層土體水平位移值隨深度的增加而逐級減小，深度30.0 m處位移量值減小至0.0 mm，整體具有呈近似懸臂支護結(jié)構(gòu)的變形特征。②基坑開挖至深度2.0 m，因開挖深度較小，深層土體水平位移曲線沿深度方向近似呈線性變化，且位移值較小，小于2.0 mm。③隨著基坑開挖深度不斷增加，深層土體水平位移值逐漸增大，最大累計位移值約10.5 mm，小于監(jiān)測預警值。

4.4 周邊地表沉降

周邊地表沉降的主要原因為：①基坑開挖卸荷，應力場發(fā)生變化，使得周邊地表發(fā)生沉降。②基坑地下水位下降，土中的有效應力增加，地表發(fā)生沉降。結(jié)合工程實際，選取位于基坑東側(cè)的代表性監(jiān)測點FD11、FD12、FD9及FD10對周邊地表沉降特征進行分析，4個測點距基坑壁的水平距離分別為：5.0 m、10.0 m、15.0 m、20.0 m，其沉降監(jiān)測結(jié)果如圖6所示。

圖6 周邊地表沉降特征Fig.6 Characteristics of surrounding surface subsidence

由圖6可知，周邊地表沉降具有以下特征：

a.時效性。表現(xiàn)為基坑開挖初期沉降位移增長相對緩慢，開挖中期沉降位移增長速率明顯增加，開挖后期支護措施施工完成，沉降位移趨于穩(wěn)定。這是因為基坑開挖初期還未立刻影響到周邊土體，土體的滑移蠕變和剪切破壞有滯后期；中期，基坑大面積開挖，土體出現(xiàn)臨空狀態(tài)，土體中的應力釋放，裂隙逐漸擴張，然后發(fā)生滑動剪切破壞，這些變化需要一定的時間才能完成。因此，地表沉降表現(xiàn)出一定的時效性[20-21]。

b.空間性。沉降位移隨距基坑壁水平距離增大而逐級減小，4個監(jiān)測點的沉降量值表現(xiàn)為FD11>FD12>FD9>FD10。FD11距離基坑壁最近，沉降量最大；距離基坑壁水平距離最大的測點FD10，基坑開挖土體受到的擾動最小，其沉降量最小。再者，距離基坑越近，降水作用對其沉降影響也越大。

另外，基坑周圍機械振動、車輛等不確定荷載均會導致地表發(fā)生不同程度的沉降，尤其是基坑周邊不合理堆載會引起基坑周圍地表嚴重沉降。為了確?；邮┕さ陌踩獓栏窨刂苹又苓叺暮奢d，嚴格按照基坑設計進行。

5 砂卵石層區(qū)樁錨支護深基坑變形特性與規(guī)律

5.1 數(shù)值模型建立及參數(shù)選取

圖7 基坑數(shù)值計算模型Fig.7 Numerical model of foundation pit(A)數(shù)值模型地層及基坑開挖范圍; (B)基坑支護結(jié)構(gòu)

數(shù)值計算采用Flac3D軟件來模擬，根據(jù)場地地層分布特征概化模型，將各巖性分層界面簡化為水平面，將土體視為均勻、各向同性的彈塑性材料。在進行基坑開挖的數(shù)值模擬時，模型的邊界范圍與基坑開挖深度、地層性質(zhì)及基坑形狀有關(guān)[22-23]?？紤]到模型的邊界效應和既有建筑物對基坑開挖的影響，模型水平邊界取基坑開挖深度的3～5倍[17]，模型高度取1～2倍的基坑開挖深度[24]，建立的基坑數(shù)值計算模型如圖7-A所示，模型大小為126.0 m×184.0 m×50.0 m(x×y×z)，共計46 967個單元，50 353個節(jié)點；邊界條件：模型底部固定約束，兩側(cè)法向約束，頂部為自由面。

地層視為理想彈塑性體，本構(gòu)模型采用莫爾-庫倫模型。以軟件內(nèi)置的線彈性結(jié)構(gòu)單元模擬支護結(jié)構(gòu)(圖7-B)。采用“pile”單元模擬支護樁，以設計參數(shù)為依據(jù)，樁直徑取1.5 m，間距2.5 m，彈性模量(E)取30.0 GPa，泊松比取0.3?！癰eam”單元模擬冠梁和腰梁，冠梁橫截面大小為1.6 m×1.0 m，彈性模量為28.0 GPa，泊松比為0.3。腰梁彈性模量取210.0 GPa，泊松比取0.3。錨索采用結(jié)構(gòu)單元“cable”模擬，共設8排錨索，傾角均為15°，彈性模量取195.0 GPa。由于基坑開挖前已采取井點降低水位，將地下水位降至坑底設計高度之下0.5 m，因此，數(shù)值模擬時不考慮地下水的作用。

5.2 數(shù)值模擬計算值與實測值對比

選取監(jiān)測點JC12，對基坑開挖過程中該測點的樁頂水平位移監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進行對比(圖8)。

圖8 監(jiān)測點JC12樁頂水平位移模擬值與實測值Fig.8 Simulation and measured values of horizontal displacement of pile top at monitoring point JC12

由圖8可知，JC12測點在基坑開挖過程中，樁頂水平位移模擬曲線與實測曲線變化趨勢基本一致，呈現(xiàn)先增大后減小再增大最后趨于穩(wěn)定的特征。模擬值與實測值的最大樁頂水平位移分別為10.5 mm、10.7 mm，誤差為2.0%，位移曲線總體變化規(guī)律一致，表明數(shù)值模擬結(jié)果具有合理性，用數(shù)值模擬結(jié)果來分析卵石層區(qū)樁錨支護深基坑變形特性規(guī)律是可行的。

5.3 支護樁側(cè)向變形規(guī)律

支護樁側(cè)向位移的大小不僅反映其本身的強度及穩(wěn)定性，還反映其對基坑自身穩(wěn)定性及周邊土體變形的控制作用。因此，為保證基坑的安全施工及周邊環(huán)境的穩(wěn)定性，應對支護樁側(cè)向位移進行實時監(jiān)測并將位移值控制在規(guī)范限定的范圍內(nèi)。圖9為基于數(shù)值計算模擬在基坑開挖過程中支護樁的側(cè)向位移特征。

圖9 支護樁側(cè)向位移特征Fig.9 Lateral displacement of supporting pile

由圖9可知，支護樁側(cè)向位移總體上呈現(xiàn)近似懸臂支護的變形特點，這主要是因為支護樁中部的錨索布置相對密集，對樁身的約束較好，提高了支護樁的整體抗彎性能。支護樁側(cè)向位移隨深度增加而逐漸減小，樁頂處位移最大；在基坑底板以下，由于支護樁嵌入土體一定深度，同時，基坑底板以下土體受開挖擾動影響較小，穩(wěn)定性較好，支護樁側(cè)向位移值較小，至35.0 m深度處支護樁水平位移減小至0.0 mm。另外，支護樁側(cè)向位移值具有隨基坑開挖深度的增加而逐漸增大的特征，當基坑施工完成，最大支護樁累計側(cè)向位移值約為15.2 mm，屬于規(guī)范[15]允許值。

5.4 深層土體側(cè)向變形規(guī)律

基坑開挖過程中，基坑周邊土體質(zhì)點向開挖自由面附近移動。為研究深層土體側(cè)向變形規(guī)律，取深層土體位移最大處進行分析。圖10為基坑施工完成后的側(cè)向位移云圖。同時，在該剖面位置選取距離基坑側(cè)壁5.0 m、10.0 m處布置深層土體側(cè)向位移監(jiān)測點，其數(shù)值計算的深層土體側(cè)向變形特征如圖11所示。

由圖10和圖11可知，基坑東、西側(cè)深層土體側(cè)向位移基本呈對稱分布，基坑開挖深度較淺時，深層土體側(cè)向位移值隨深度呈線性分布，且深層土體側(cè)向位移量隨距基坑側(cè)壁距離的增加而逐漸減小，至基坑側(cè)壁約40.0 m處，側(cè)向位移不明顯。模擬計算的最大深層土體位移值約為15.0 mm，屬于規(guī)范[15]允許值。

圖10 深層土體側(cè)向位移云圖Fig.10 Cloud image of lateral displacement of deep soil

圖11 深層土體側(cè)向變形規(guī)律Fig.11 Lateral deformation law of deep soil(A)距基坑側(cè)壁5.0 m; (B)距基坑側(cè)壁10.0 m

5.5 周邊地表沉降規(guī)律

采用數(shù)值模擬計算得到的基坑周邊地表沉降分布曲線如圖12所示。其中d為數(shù)值模型中的監(jiān)測點距基坑側(cè)壁的水平距離，s為測點的地表沉降量。

圖12 周邊地表沉降特征Fig.12 Characteristics of surrounding surface subsidence

由圖12可知，基坑開挖深度較小時，地表沉降不明顯，最大沉降位移<2.5 mm；隨著基坑開挖深度增加，沉降位移量急劇增加，至基坑施工結(jié)束時，沉降量達到最大值，約4.9 mm，該沉降量屬于規(guī)范允許值。從沉降曲線特征上分析，周邊地表沉降隨d增大近似呈“凹槽”狀分布，其中在距離坑壁6.0 m處地表沉降最大，距基坑水平距離>6.0 m的周邊土體地表沉降量隨距坑壁水平距離的增加而逐漸減小，在距坑壁30.0 m水平距離處地表沉降曲線趨于穩(wěn)定。并且，基坑開挖對周邊地表沉降的主要影響范圍為2h(h為基坑深度)，這與王彩蒙等[25]、劉紅軍等[26]、白曉宇等[27]的研究結(jié)論一致。

5.6 坑底隆起規(guī)律

深基坑大面積開挖，導致基坑底板發(fā)生垂向卸荷，坑底變形表現(xiàn)為向上隆起的特征。圖13為數(shù)值計算模擬的基坑施工完成后坑底隆起變形云圖，圖14為數(shù)值計算監(jiān)測的坑底之下不同深度處在開挖過程中坑底隆起變形曲線圖。

由圖13和圖14可知，基坑底板的隆起變形量隨開挖深度的增加而逐漸增大，底板以下土體變形隨距離坑底的距離增大而減小，隆起變形的范圍約為坑底之下2h深度范圍土體。從水平方向上看，基坑底板隆起變形在基坑側(cè)壁邊墻處相對較小(靠近支護樁附近)，靠近坑底中部逐漸增大，因此最大隆起位移分布于坑底中部處，位移量約為12.0 mm，為基坑開挖深度的0.49%，屬于規(guī)范[15]允許值。

圖13 坑底隆起變形云圖Fig.13 Deformation cloud image of pit bottom uplift(A) 切面圖; (B)三維圖

圖14 坑底隆起位移特征Fig.14 Characteristics of uplift displacement at the bottom of foundation pit

6 結(jié) 論

本文以成都某變電站為研究對象，基于監(jiān)測資料及數(shù)值模擬手段對基坑在開挖、樁錨支護全過程中的變形特性規(guī)律進行研究，得出以下主要結(jié)論：

a.支護樁頂部水平位移與豎向位移最大監(jiān)測值分別約為11.3 mm、6.5 mm，在監(jiān)測預警值以內(nèi)。

b.深層土體與樁身側(cè)向位移曲線呈現(xiàn)近似懸臂支護的變形特征，變形量隨開挖深度的增加而增大，最大變形位于地表，分別約為15.0 mm、15.2 mm，在規(guī)范允許值內(nèi)。深層土體側(cè)向位移量隨距基坑側(cè)壁距離的增加而逐漸減小，至基坑側(cè)壁約40.0 m水平距離處，側(cè)向位移不顯著。基坑底板以下土體受開挖擾動影響較小，支護樁側(cè)向位移值較小，至35.0 m深度處支護樁水平位移減小至0.0 mm。

c.基坑周邊地表沉降具有良好的時效性與空間性，地表沉降曲線近似呈“凹槽”狀分布，最大沉降量位于距坑壁水平距離6.0 m處，主要影響范圍為2倍基坑深度。

d.基坑開挖卸荷引起坑底隆起，最大隆起變形量約為基坑深度的0.49%，位于坑底中部。

e.總體上，數(shù)值模擬結(jié)果與實測變形結(jié)果基本一致，表明基于數(shù)值模擬方法結(jié)合監(jiān)測手段對深基坑變形特性規(guī)律進行研究，其方法可行、結(jié)果合理，研究成果為富水砂卵石地層深基坑的開挖與支護結(jié)構(gòu)設計、保證深基坑穩(wěn)定性控制關(guān)鍵技術(shù)等方面具有理論和工程實際意義。