成都卵石土地區基坑開挖變形特征現場試驗研究

范文軍， 馮世清， 胡　熠

(1.綠地集團成都申蓉房地產開發有限公司，四川成都 610031；2. 中國建筑西南勘察設計研究院有限公司, 四川成都 610052)

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成都卵石土地區基坑開挖變形特征現場試驗研究

范文軍1， 馮世清2， 胡熠2

(1.綠地集團成都申蓉房地產開發有限公司，四川成都 610031；2. 中國建筑西南勘察設計研究院有限公司, 四川成都 610052)

為研究成都卵石土地區基坑變形特征及現有的基坑變形計算方法在成都卵石土地區的適用性，以成都某深基坑工程建設為依托，在現場選取具有代表性的基坑支護結構，對支護結構受力變形特征進行長期的現場測試分析，并將現場實測結果與現有設計理論的計算結果進行對比，討論分析現有基坑支護結構變形計算方法在成都卵石土地區的適用性。

卵石土；基坑；樁錨結構；變形特征

成都地區地質條件有其獨特性，中心城區及城西為岷江一級階地，地層主要以卵石層為主。目前成都地區的卵石土基坑大多按照承載能力極限狀態進行支護設計，雖然基坑整體垮塌事故較少，但出現變形過大而影響周邊環境，造成建筑物沉降過大、傾斜、開裂的現象時有發生。其中最典型的項目為成都某廣場項目，由于基坑變形過大造成周邊建筑物開裂，經濟賠償過億。此外，成都市區內建成和在建的地鐵線路已達8條，地鐵在城市中呈網狀分布，越來越多的基坑工程面臨對地鐵的保護問題，地鐵保護的核心問題又是如何控制基坑變形。因此，對成都卵石土地區深基坑變形特征的研究具有十分重要的意義。

基坑的變形特征是個十分復雜的巖土工程問題，與場地工程地質條件、支護結構形式、開挖過程等因素都有關，目前尚無完善的理論計算方法。鑒于上述情況，本文以成都某深基坑工程建設為依托，通過對現場基坑支護結構的受力變形特征進行長期測試分析，并將現場實測結果與現有設計理論的計算結果進行對比，討論分析現有基坑支護結構變形計算方法在成都卵石土地區的適用性。本文中的研究成果可以為成都卵石土地區基坑支護工程設計、施工提供理論指導，積累成都卵石土地區的基坑支護工程設計、施工經驗。

1　工程概況

該基坑位于成都市區內，基坑周長約為242 m，開挖深度約15 m。基坑周邊密布大量老舊建筑，地下室結構幾乎占滿了建筑紅線所包括的用地范圍，加大了基坑支護結構設計施工難度(圖1)。

圖1　成都某基坑現場照片

場地內巖土從上至下依次為：第四系全新統人工填土層、第四系全新統沖洪積層和白堊系泥巖。基坑邊坡巖土力學性質指標如表1所示。

由于基坑周邊建筑物較多，根據已有建筑的基礎結構形式，制定的基坑開挖支護方案為：基坑西、北兩側采用雙排預應力錨索錨拉樁支護，南側采用單排預應力錨索錨拉樁支護，東側采用懸臂樁支護。設計的支護樁樁徑1.2 m，樁間距2.2 m，有效樁長22 m，嵌固深度7 m，樁頂標高為±0.00 m，在-6.0 m、-9.0 m兩處設置2道φ150內灌漿預應力錨索，錨索長度分別為18 m、15 m，錨固段長度分別為10 m、8 m，錨索錨固在支護樁身上，不設置腰梁，如圖2所示。

表1　基坑邊坡巖土力學指標

圖2　基坑支護方案

2　現場試驗測試方案

考慮到基坑不同位置的支護樁在變形特征上具有差異性，在現場選取了具有代表性的14#支護樁和32#支護樁為試驗測試樁，其中14#支護樁位于基坑西側中部位置，32#支護樁靠近基坑北側角落位置，兩試驗測試樁的位置如圖3所示。

圖3　現場試驗樁位置

現場監測項目主要包括樁體鋼筋應力、樁體水平變形和錨索應力。樁體鋼筋應力采用埋設在鋼筋上的鋼筋計測量，在支護樁靠近基坑側和遠離基坑側各布置一組鋼筋計，鋼筋計從距離樁頂2 m處開始布置，豎向間距2 m；樁體水平變形利用埋設在樁身中部的測斜管進行測量，測量時測斜儀的讀數間距為0.5 m；錨索應力采用錨索應力計測量。在基坑開挖過程中，測量頻率為1次/1天～1次/2天；基坑開挖完成施工基礎、地下室過程中，測量頻率為1～2次/周；建筑高出地面到基坑回填階段，測量頻率為2次/月；雨天、變形和應力異常變化、基坑處于臨界或危險狀態時加大測量頻率。

3　現場測試結果分析

3.1樁身變形測試結果分析

現場測試得到不同開挖條件時14#樁與32#樁的樁身水平位移變化曲線如圖4所示，圖中指向基坑內側的變形為正值，指向基坑外側的變形為負值。從圖4中可以看出，各樁樁身水平位移隨開挖深度增加而增大，樁頂處的水平位移最大，其中開挖至6 m和9 m時分別施加了兩道錨索。開挖結束時，基坑邊坡變形并未停止，而是經過了一段時間后變形才逐步趨于穩定。當開挖至基坑底部時，14#樁樁頂變形量約為18.86 mm，32#樁樁頂變形量約為8.87 mm；當基坑回填結束后，14#樁樁頂最終水平位移為20.65 mm，32#樁樁頂最終水平位移為9.53 mm。

圖4　不同開挖深度條件下樁身水平位移曲線

3.2樁身鋼筋內力測試結果分析

14#樁與32#樁不同開挖條件下樁身應力分布曲線如圖5所示。從圖5中可以看出，因開挖卸荷，在土壓力作用下基坑內外側的樁身鋼筋應力值隨開挖不斷增長，其變化值隨開挖深度的增加呈逐步增大的趨勢，且開挖至坑底時增長并未停止，至基坑回填結束時仍在緩慢增加；在開挖初期樁體表現為懸臂狀態，開挖面以上樁身外側受拉內側受壓，開挖面以下樁身受外側受壓內側受拉；在設置錨索后開挖面以上逐步變化為外側受壓內側受拉，開挖面以下逐步變化為外側受拉內側受壓，完全符合設計計算狀態，表明量測的鋼筋應力真實反映了設計和實際的結構應力性狀。

圖5　現場樁身鋼筋應力分布曲線

3.3錨索拉力測試結果分析

基坑工程中14#樁與32#樁6 m、9 m處各安裝一個錨索測力計，其中32#樁錨索測力計因施工影響中途破壞，因此測試數據并不完整。

現場各錨索測力計所測錨索內力隨時間變化曲線如圖6所示，其中6 m處的錨索預加力為350 kN，9 m處的錨索預加力為300 kN。從圖6中可以看出，隨著基坑開挖深度的增加，其錨索內力增大，開挖至坑底后錨索內力的變化很快趨于穩定，但錨索在張拉鎖定后，錨索內力最大值僅占設計預加力的40 %左右，錨索的松弛效用比較明顯。

4　現有設計方法適用性討論

4.1支護結構變形計算結果對比

利用目前成都地區設計院常用的理正深基坑6.0軟件對該深基坑工程中支護結構變形特征進行計算，并將計算結果與現場樁身變形測試結果進行比對，各樁的計算最大變形量與實測最大變形量對比如表2所示。從表2中可以看出，14#支護樁處于基坑一側的中部，其實測值與計算值比較接近，而32#支護樁靠近基坑邊角出，其實測值與計算值相對誤差較大，但計算值較大，因此采用現有計算軟件計算結果更偏安全。

表2　計算最大變形值與實測最終變形量對比

圖6　錨索內力隨時間變化曲線

4.2支護結構內力特征計算結果對比

現場實測的鋼筋最大拉應力及壓應力僅為設計值的16.74 %，表明錨拉樁支護結構中，鋼筋的承載力能力并未完全發揮，一方面反映出設計偏于保守，另一方面也反映出目前錨拉樁支護結構中對于鋼筋配置數量或作用點的計算方法確實存在值得深入研究甚至大量優化的余地。錨索設置位置在錨索張拉后，鋼筋應力有減小的趨勢，表明錨索的設置和適時施作對改變支護樁結構和整個支護結構應力及變形狀態的作用顯著。

同時也采用理正深基坑計算軟件對樁身彎矩進行計算，并與實測結果進行對比，如圖7所示。從圖7中可以看出，實測彎矩與設計計算彎矩在量值上隨樁深度增大逐漸增大，在開挖面附近其差值達到最大，且實測彎矩最大值遠小于設計彎矩最大值；14#樁和32#樁在2 m處的計算彎矩為-278.4 kN·m，而實測結果分別為-29.53 kN·m和-30.88 kN·m，說明計算中冠梁水平剛度系數過大。故在設計中應考慮冠梁對樁的約束作用，但其取值不應過大。

圖7　實測彎矩與計算彎矩比較

基坑工程設計資料中提供的各監測點錨索的設計預加力及錨索最大內力如表3所示。從表3中可以看出，6 m位置處錨索最大內力實測值僅為預加拉力的25 %～36 %，彈性法設計值和經典法設計值的16 %～23 %；9 m位置處錨索最大內力實測值僅為預加拉力的20 %～38 %，彈性法設計值的13 %～25 %，經典法設計值的23 %～45 %。分析其原因為張拉過程中由于操作的不規范，造成鎖定后首次監測結果表明錨索最大內力實測值遠小于設計計算得到的錨索內力值。錨索位置越高或越低，實測值與設計值相對比較靠近，但也僅占45%左右，而中間位置的錨索相對差距較大，盡管影響因素較多，但必然包括設計計算方法中存在需要完善的因素在內；實測值與經典法設計值相對比較靠近，表明經典法的計算結果比較接近錨索的實際狀況。

表3　錨索設計預加力及最大內力　kN

5　結　論

通過成都某深基坑工程現場測試試驗研究和對現有設計方法的討論分析，得出以下幾點結論：

(1)根據現有設計規范和目前成都地區卵石土參數經驗取值方法進行設計，基坑支護結構最大水平變形基本能夠控制在30 mm以內，但基坑變形的空間效應比較明顯，基坑邊角處邊坡水平變形值遠小于基坑邊坡中部；

(2)通過將現場實測結果與現有設計軟件計算結果進行對比看出，軟件計算值相比現場實測值更偏于安全，因此在成都卵石土地區采用現有的巖土設計軟件進行設計可以保證基坑安全；

(3)按照目前的支護設計方法，實測支護樁樁身鋼筋應力值基本小于設計值的20 %，錨索應力值基本小于設計值的25 %左右，錨索鎖定值僅占設計預加力的30 %左右，因此成都地區的卵石土基坑支護設計還存在較大的優化空間。

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中建股份科技研發課題(項目編號:CSCEC-2013-Z-25)

范文軍，男，工程師，主要從事房地產項目生產管理工作。

TU94+2

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[定稿日期]2015-12-18