黄土地区深大基坑桩锚支护结构监测与数值分析

2019-10-09杨少飞吴海洋

西安建筑科技大学学报（自然科学版） 2019年4期

许健，杨少飞，吴海洋，张磊

(1. 西安建筑科技大学土木工程学院，陕西西安 710055；2. 中国电建集团青海省电力设计院有限公司，青海西宁 810008)

随着城市的快速扩容，高层建筑的大量兴建，其对地下空间的开发在规模与功能上都提出了更高的要求，出现了大量技术复杂、规模庞大的深基坑[1].这些基坑往往具有开挖深度大、体积大，工程地质水文条件、周围环境复杂等特点，对支护结构设计与施工质量要求苛刻.对于开挖深度达20 m以上的深大基坑，目前，在软弱土地区常用地下连续墙和内支撑复合支护结构[2]，而在黄土地区，由于土层含水量较低，土体强度高，且其施工快、造价低、便于基础施作，故在周边环境允许的情况下，深大基坑支护结构形式以桩锚式支护结构为主.

对于软土地区以地下连续墙和内支撑复合支护结构为主的深大基坑，张尚根、杨敏、成峰、丁智等[3-6]通过对软土地区的大量深基坑支护结构变形监测数据进行统计，分析总结了基坑开挖过程中支护结构变形及建筑物沉降等特征，为软土地区深基坑支护理论的发展做出重要贡献.王林、杨骏、李彦东、张如林等[7-11]对软土地区基坑开挖与支护过程中支护结构变形、内力，地表沉降，基底隆起，基坑土体的稳定性等进行了数值模拟分析，并首次提出坑外土体位移临界面、传导路径及传导曲线斜率的概念.而对黄土地区桩锚支护结构深大基坑，周勇、官少龙、刘科等[12-14]通过对深基坑支护结构变形、锚索轴力、建筑物沉降等监测数据进行深入分析，提出了一些有意义的结论，但黄土地区深大基坑桩锚支护结构理论的发展与软土地区相比，还有一定的差距，需进一步完善与补充.

基于此，本文以西安医学院第一附属医院医疗科技综合楼基坑支护工程为背景，对基坑支护结构变形及锚索轴力等监测数据进行了分析，并运用有限元对部分监测项目进行了数值模拟，将计算结果同监测结果进行对比分析，验证了计算方法和计算参数选取的可靠程度，探讨了差异产生的原因，以期为复杂地质条件下黄土深大基坑工程的设计与施工提供参考[15].

1 工程实例

1.1 工程概况

拟建基坑位于西安市西二环路西侧，丰镐西路南侧.基坑长约88 m，宽约37 m，平均开挖深度约20.3 m.基坑北侧与既有六层门诊楼相距约3～5 m，基坑东、西及南侧均与道路相邻，道路下埋有地下管线，管顶标高约为-2.0 m左右.

1.2 工程地质水文条件

拟建场地地形平坦，地面相对高程介于99.38～99.52 m之间，地貌单元属皂河一级阶地.据钻探揭露，所见土层自上而下依次为人工填土，第四系全新统冲洪积(Q4al+pl)、上更新统残积(Q31el)古土壤，冲洪积(Q3al+pl)粉质粘土和砂类土，中更新统冲洪积(Q2al+pl)粉质粘土和砂类土，冲湖积(Q2AL+L)粉质粘土和砂类土，设计过程中各土层参数选取见表3.

勘察期间，各勘探点均遇到地下水，场地稳定水位深度介于12.90～13.04 m之间，相对高程在86.46～86.51 m之间，属潜水.据水文资料记录，地下水位年变化幅度大于2.0 m，勘察期间处于较高水位期.

1.3 支护结构设计与监测方案

1.3.1 支护结构设计方案

按JGJ120-2012，该基坑侧壁安全等级为一级，重要性系数取1.1.综合考虑场地工程及水文地质条件、周边环境及基坑开挖深度等因素，本基坑在坡顶-0.5～-4.0 m范围内采取放坡开挖，喷锚支护，-4.0 m以下采用锚拉式钢筋混凝土护坡桩方案，各区域均采用钻孔灌注桩配合锚索进行支护.根据工程实际情况，将该基坑分为五个不同的区域，以北侧支护结构为例，各排锚索部分设计参数及地层水文参数见图1.

1.3.2 监测方案及变形控制要求

基坑开挖及使用期间，建设单位委托具有相应资质的第三方实施监测，监测内容包括：桩顶水平位移、桩顶沉降、桩身变形、临近既有建筑物沉降、预应力锚索轴力等，监测点平面分布见图2.

按《建筑基坑工程监测技术规范》GB50497-2009，该基坑变形监测部分控制值及报警值取值见表1.

图1 基坑北侧桩锚支护结构及地层剖面图(单位：mm)Fig.1 Section of pile-anchor supporting structure and stratum on the north side of foundation pit (Unit: mm)

图2 基坑周边环境及监测点平面布置图Fig.2 Layout of monitoring project of pit-retaining structure

地表沉降桩顶水平位移桩身深层水平位移周围建(构)筑物倾斜控制值/mm报警值/mm控制值/mm报警值/mm控制值/mm报警值/mm控制值/mm报警值/mm0.15H%0.12H%403245362‰1.6‰

注：H为基坑开挖深度；报警值取控制值的80%.

1.4 基坑开挖工况

由于基坑深度较大，为确保基坑安全，基坑开挖期间采用分层开挖，基坑开挖各工况如表2所示.

表2 基坑开挖及支护进度

2 数值计算模型的建立

2.1 模型假定

在模拟过程中，考虑到该基坑实际情况，作如下假设：(1)土体为均质弹塑性体且各向同性；(2)不考虑地下水的渗流；(3)假定锚索、桩身等支护结构均处于弹性阶段，不考虑桩身内钢筋的影响；(4)将桩身按等刚度的原则等效为地下连续墙，不考虑桩间土土拱作用的影响；(5)不考虑冠梁的影响，用等高度连续墙代替；(6)不考虑腰梁作用；(7)不考虑桩土表面喷射混凝土对支护效果的影响.

2.2 模型建立及参数选取

为了模拟基坑最不利位置支护结构的受力及变形大小，取基坑北侧Ⅰ区东西长度方向中间位置单个桩间距进行计算分析，模型长、宽、高分别为98.4 m、1.6 m、60 m.为便于计算，在模拟过程中，将护坡桩按照抗弯刚度相等的原则等效为厚度h=0.91 m的地下连续墙[16]，其换算关系如下式(1).该基坑北侧门诊楼荷载大小取单层15 kPa，六层共计90 kPa，作用范围取门诊楼宽度约16 m，作用位置取地表.固定沿模型长度方向的位移，模型底部约束其三个方向的位移.桩土之间采用面—面接触的形式，其切向行为通过摩擦系数来确定，法向行为设置为硬接触，桩底与土体之间采用绑定约束；锚索锚固段采用嵌入土体的方式进行约束，自由段与桩体之间采用绑定约束.模型装配及网格划分结果见图3.

(1)

式中:D为支护桩直径,m；d0为支护桩中心距,m.

该模型土体采用摩尔—库伦模型，所用土体参数见表3.由于假设桩身、锚索等支护构件均处于弹性阶段，故在模拟过程中设它们均为弹性材料，所需参数见表4.

图3 模型装配及网格划分示意图Fig.3 Model assembly and meshing schematic diagram

表3 摩尔—库伦模型中岩土体物理力学参数

表4 护坡桩材料参数

3 结果分析

以下分析中，水平位移以向基坑内为负，反之为正；竖向位移以竖直向下为负.

3.1 桩顶水平位移分析

图4为各开挖工况下监测点J1-J4的桩顶水平位移变化曲线，图5为选取的J3监测点现场监测值与计算值对比图.图4～5表明：

图4 J1-J4桩顶水平位移监测曲线Fig.4 Horizontal displacement monitoring curves of pile top from J1 to J4

图5 桩顶水平位移对比图Fig.5 Comparison diagram of horizontal displacement of pile top

(1)随着基坑的开挖，桩顶水平位移发展趋势呈先期慢，中期快，后期缓慢并总体趋于稳定的变化规律.至基坑支护开挖结束时，桩顶水平位移最大值位于J2、J3处，为-20 mm，最小值位于J4处，为-15 mm，基坑中部水平位移较边角处大，表明基坑端部受约束较大，基坑开挖空间效应显著.

(2)基坑开挖后，工况六至工况九桩顶水平位移发展最快，变化曲线呈近似线性关系，位移变化速率约为0.16 mm/d，远小于规范规定的报警值，表明整个基坑开挖支护过程中，未出现超挖、快挖等不良现象.

(3)监测与计算结果显示的桩顶水平位移总变化趋势基本一致，但也有一定差异，基坑开挖后期监测值呈收敛趋势，而计算值未有收敛迹象，这表明施工现场实际工况更为复杂，应将计算结果作为补充.

(4)计算结果中锚索对桩顶水平位移的约束作用更明显，每施加一道锚索，桩顶变形随之减小，尤其是前几道锚索，其对桩顶水平位移的约束作用更为突出，这主要是因为在锚索的实际张拉过程中，预应力损失过大，远小于模拟时的锚索张拉锁定值.

3.2 桩顶沉降分析

由图6可知，桩顶沉降随基坑开挖逐渐增大，各监测点沉降量与时间呈三段不同斜率的近似线性关系：工况一至工况六，桩顶沉降量很小，仅有-2.4 mm；工况六至工况七期间，沉降速率最大，达到0.1 mm/d；之后，沉降速率变小，并趋于平稳，平均速率约为0.04 mm/d.分析原因，桩顶沉降的这一变化特征可能与基坑降水有关，该基坑在开挖地下水位以上部分时(实际按-10 m控制)，降水井只开启了设计数量的一半，之后才全部启用，故自工况五开始基坑降水量突然加大，而由于沉降的滞后效应，导致支护结构附近地层沉降速率自工况六开始明显加大，滞后时间约为10 d，所以在基坑降水的影响下桩顶沉降速率呈现“慢→快→慢”的这一特性.另外，受基坑开挖空间效应的影响，可以明显看出基坑开挖后期，靠近基坑中部的J2、J3监测点桩顶沉降速率及沉降量总体上较靠近基坑边角的J1、J4监测点的大.

图7为桩顶沉降计算值与J3点监测值的对比，可看出：桩顶沉降计算值与监测值随着工况的变化趋势基本一致，沉降均不断增大，但开挖支护结束时计算结果趋于收敛，且计算结果较监测结果曲线平缓，沉降速率未出现明显的突变现象，开挖支护结束时计算的沉降量也较监测值小，究其原因，这可能是由于计算分析过程中未考虑基坑降水的影响.

图6 J1-J4桩顶沉降监测曲线Fig.6 Settlement monitoring curves of pile top from J1 to J4

图7 桩顶沉降对比图Fig.7 Comparison diagram of pile top settlement

3.3 桩身水平位移分析

图8为测斜孔CX03桩身水平位移监测值，提取桩身水平位移计算数据得到图9，对比图8～图9可知：

(1)桩身水平位移变形曲线形态介于直线和抛物线形之间，空间上呈近似悬臂支护的变形特征，这主要是由于桩身中部锚索相对密集且设计锁定值较大，对桩身约束作用较好，提高了桩身的整体抗弯曲能力，说明在较密集的多层锚索作用下，支护结构整体刚性有所加强.

(2)桩身底部向基坑内的水平位移随着基坑的开挖不断增大，最大水平位移为-8.9 mm，说明在黄土地区深基坑设计时，若将嵌固段作为固定端，应严格验算基坑底部土体的抗隆起稳定性.

(3)计算结果与实测结果显示的桩身变形曲线形态大体一致，但计算的桩身中部弯矩总体上大于监测结果，表明实际工况下的支护结构刚性较计算环境下大.

图8 CX03桩身水平位移监测曲线Fig.8 Horizontal displacement monitoring curves of pile body CX03

图9 桩身水平位移计算值Fig.9 Calculated value of horizontal displacement of pile body

(4)基坑开挖完成后，计算结果显示，桩身最大位移位于桩顶处，为-23.2 mm，最小位移处于桩底，为-10.2 mm，而监测结果显示，开挖完成时，桩身最大变形为-21.6 mm，也位于桩顶，最小变形在桩底，为-8.9 mm，计算值较监测值大，说明该基坑支护设计合理，桩身变形控制较好.

3.4 锚索轴向应力分析

图10为监测点ms2轴力随基坑开挖与支护的变化曲线，从中可以看出：(1)随着基坑的开挖，锚索轴力越来越大，这是因为随着基坑的开挖，桩身变形越来越大，锚索的约束作用越来越强，锚索轴力越来越大；(2)监测结果显示，下层锚索对上层锚索的影响较小，这是因为施工过程中，锚索存在较大的预应力损失，使其对桩体的约束作用减弱；(3)由于开挖机械对锚索产生了干扰，锚索2-5轴力大量减小，同时，其余锚索轴力增加，体现了各层锚索相互协调共同工作的空间作用效应.

图10 ms2轴力监测曲线Fig.10 Axis force monitoring curves of ms2

图11 锚索轴力计算值Fig.11 Axis force calculated value of anchor cable

图12 各层锚索轴力对比直方图Fig.12 Histogram of axial stress contrast in each layer of anchor cable

图11为ms2监测点锚索轴力计算值，基坑开挖支护结束后，为了便于锚索轴力监测值与计算值的比较，作锚索轴力计算值与监测值对比直方图，如图12所示.从图中可知：开挖支护结束时，各层锚索轴向应力监测值占计算值比例分别为71.4%，50.2%，39.0%，40.6%，29.5%，41.1%，34.6%，地下水位以上部分比值较高，而地下水位以下的黏土层中比值则相对较低，平均比值不足计算值的一半，其表明：地下水位以下锚索的蠕变效应较显著；基坑开挖过程中，支护结构背侧土体向基坑内的实际位移较计算值小，导致锚索约束作用较小，故锚索轴力较小；第六层锚索轴力监测值较大，主要由于其锚固段大部分位于中砂层中，锚固体与地层之间摩阻力较大，锚索蠕变效应较湿陷性黄土层及黏土层中小.