軟土地基狹長型深基坑支護結構穩定監測與分析

程 林

（天津市北洋水運水利勘察設計研究院有限公司，天津 300452）

引言

隨著城市建設的發展，基坑施工的開挖深度越來越深，從最初的5～7 m發展到目前最深已達20 m多。由于地下土體性質、荷載條件、施工環境的復雜性，對在基坑施工過程中引發的土體性狀、環境、鄰近建筑物、地下設施變化必須加以監測，基坑穩定監測已成了工程建設必不可少的重要環節，在基坑施工過程中起著重要的作用，因基坑支護失穩造成巨大的經濟損失和人員傷亡的實例不勝枚舉，如1999年珠海祖國廣場深基坑支護結構整體失穩、2005年廣州海珠廣場深基坑坍塌、2006年南京地鐵開挖基坑造成居民樓傾斜沉降等重大事故。對于這些復雜的大中型工程或環境要求嚴格的項目，往往難從以往的經驗中得到借鑒，也難以從理論上找到定量分析、預測的方法，這就必定要依賴于施工過程中的現場監測，將理論、經驗和監測相結合是指導深基坑工程設計和施工的正確途徑。

本文以天津濱海地區軟土地基某內支撐狹長基坑為例，根據場地特點合理布置監測斷面和監測儀器，實測基坑施工期間各階段的圍護結構和支護結構的變形和力學變化，采用有限元軟件Plaxis模擬分析各施工工況的結構響應，并將理論結果與實測結果進行比較，提出基坑支護設計和施工過程中應注意事項，為類似工程的設計提供有益的參考。

1 工程概況

位于天津濱海某主干道下穿地道工程，由主線地道基坑和E、F 匝道基坑三部分組成，主線部分樁號為 K1+122～K1+734，基坑外包總寬度約36.9～62.94 m，匝 道 部 分 樁 號 為 EK0+031～EK0+262 和FK0+539～FK0+304，匝道基坑外包尺寸為10.9～11.7 m。主線部分基坑縱向呈“V”字形，最大開挖深度14.5 m，主線基坑隨深度設置1-4 道支撐，圍護結構采用重力式擋墻、Φ850SMW 工法樁和鉆孔灌注樁形式，均采用明挖順作法施工。主線深部位置采取場Φ1 000@1 200 鉆孔灌注樁圍護，樁長20 m，豎向布置一道混凝土支撐和一道鋼支撐，設計計算最大支撐軸力1 850 kN。工程場地經過預壓處理還屬于軟土地基，地道結構位于雜填土、淤泥質粉質粘土、淤泥質粘土層中，該基坑沿縱向延伸，屬于典型的狹長形基坑，線路東西向均緊鄰既有結構物。地道支撐典型支護結構斷面如圖1 所示，場地土層物理力學參數見表1 所示。

圖1 基坑支護結構典型斷面示意

表1 場地土層物理力學參數

2 基坑監測與數據分析

根據本工程的基坑支護形式不同，在不同區段布設不同的監測點位，本基坑工程主要監測項目如下：

1）支護樁/墻/邊坡頂部水平位移監測；

2）支護樁/墻深層水平位移；

3）支護樁/墻內力監測；

4）混凝土/鋼支撐軸力監測。

基坑工程作為一個復雜系統，存在整體受力的情況，但對于狹長型的基坑而言，基坑受力往往表現在局部區段的局部受力狀態。在地道“V”底部最深的區域加密布設了墻頂位移監測點、支護墻深層水平位移監測點、支護樁內力監測點、混凝土和鋼支撐軸力監測點。

2.1 支撐軸力和樁身內力監測

混凝土支撐軸力監測采用鋼筋應力計，在每道水平支撐上的上、下側各埋設1～2 個應力計。每道監測支撐上布設一組，用于觀測支撐的軸力變化情況。混凝土支撐軸力應力計焊接在主筋上，隨鋼筋綁扎施工布設，之后澆筑在混凝土內。

鋼支撐軸力采用軸力計測量，將軸力計直接安裝在鋼支撐的活動端頭，與圍護結構的圈梁或圍檁緊密接觸，并保證豎向連接可靠穩定。

樁內力觀測采用鋼筋應力計，每組設置對稱布置的測頭，灌注樁區段，將應力計焊接在鋼筋籠內主筋上，以保證鋼筋應力計與其保持一致的變形，并垂直支護方向對稱布設，用來觀測支護結構的豎向應力。樁內力測點豎向布置取為支撐位置處、兩道支撐之間、坑底附近，如圖2 所示。灌注樁應力計的安裝位置見圖3 所示。

圖2 測點沿樁身豎向布置

圖3 灌注樁應力監測點布置示意

2.2 監測結果及分析

在基坑分層開挖施工的各階段，通過連續的現場施工監測，采集到大量的監測數據，及時反映基坑圍護和支撐結構的受力、穩定和安全狀況。

1）混凝土支撐應力監測結果

圖4 混凝土支撐應力隨時間變化曲線

圖5 混凝土支撐應力隨時間變化曲線

從典型應力監測曲線圖來看，支撐應力監測變化趨勢與基坑開挖工況基本一致，在監測區段進行大開挖期間，相關支撐軸力有較好的相關性反應，應力值會存在一個明顯的發展階段，當開挖完成且支撐受力穩定后，監測點應力處于一個相對的穩定水平。比較一定開挖區域的幾處監測數據，可以發現應力水平均較低，最大應力均不超過鋼筋設計應力的20 %，第一道混凝土支撐在縱橫向具有較強的平面內剛度，在豎直方向有鋼格構柱支撐連接亦存在很強的平面外剛度，支撐兩端均與圍護結構冠梁整體連接，整個第一道混凝土支撐表現出很好的整體受力性能，各混凝土支撐軸力都呈現“增長-緩變-穩定”的變化趨勢。

2）鋼支撐軸力監測結果

本工程一期基坑K1+254～K1+367 段在基坑開挖一定深度后增設第二道鋼支撐，現場監測共布置6 個鋼支撐軸力監測點，對施工期鋼支撐軸力進行實時監測曲線見圖6 所示。從監測數據來看，鋼支撐在施工期存在的有效時間很短，在整個施工期所監測點位的軸力值均不大于750 kN，遠低于設計計算理論值。

圖6 鋼支撐軸力監測變化曲線

3）支護樁內力監測結果

監測數據的統計分析可知：樁體應力換算的懸臂構件彎矩在設計預警容許范圍內，不同深度的截面應力與數值模型的理論應力在趨勢上較為吻合，且應力水平在開挖完成后處于較為穩定狀態。

圖7 工法樁不同深度應力隨時間變化曲線

圖8 灌注樁不同深度應力隨時間變化曲線

比較兩類圍護樁在不同深度的應力統計結果，樁身在開挖施工后均表現出截面受彎應力，樁身靠基坑側存在壓應力，坑外側存在拉應力，安裝在同一深度位于截面兩側的應力計監測值很好了反映出這一受力特點。但從應力幅值和應力發張情況來看，各斷面的應力幅值并不是很大，越靠近冠梁處應力水平越低，在基坑開挖標高左右處表現應力較其他點位大，說明圍護樁實際受力模型仍然近似于懸臂構件，但應力水平較懸臂構件偏小。同時可以發現，各點位應力水平均在較短時間內達到一定的強度后基本處于穩定無變化水平，說明樁體的受力安全儲備較大，基坑在后期變形和其它力作用情況下的對樁體的影響相對較小。

4）支護樁深層水平位移監測結果

圍護墻及墻外土體深層水平位移反映墻體隨基坑開挖深度不同，土體對墻體的側向作用，通過對各測斜監測點水平位移數據分析，圍護墻水平位移隨基坑開挖而逐漸增大，位移最大值多出現在基坑底標高處并達到穩定。

從典型測點的土體水平位移曲線來看，隨著施工作業時間的進行和坑外施工機械的作用，靠近圍護結構外側一定范圍內土體側向擠壓一直存在，土體對圍護樁存在一定在側向作用，但這種側向作用并未對樁體造成明顯的不利作用。

圖9 圍護結構深層水平位移典型監測曲線

3 有限元數值模擬分析

3.1 計算模型的選擇

基坑在開挖過程中，支護結構實際上經歷復雜的加荷、卸荷應力路徑，摩爾庫倫模型較好的反應了土體的破壞行為，但不能很好的表現土體破壞前的變形行為，無法考慮應力歷史的影響和區分加荷、卸荷情況。本工程基坑狹長，基坑整體空間效應對圍護結構影響較小，采取局部典型長度單元進行分析是一種可取的方法，在模型計算中忽略結構的幾何非線性情況。土體的本構取HSS 模型，采用15 節點三角形單元模擬土體，用板單元模擬支護樁結構，橫向支撐看作彈性桿單元，在圍護結構和基坑底部附近進行網格加密。土體的計算深度取基坑開挖深度的2.5 倍，計算寬度自開挖邊界向外取開挖深度的2 倍。模型左右兩側X向水平約束，底部水平和豎向約束。考慮施工工程中地面超載因素影響，取設計值50 kPa 計算，作用在距基坑外3 m 外，寬度為5 m。設置計算工況見表2 所示。

圖10 平面有限元模型網格

表2 模擬基坑施工工況

3.2 計算結果分析

數值模擬選取基坑最深處標準斷面（本文取K1+385 處）進行計算，圍護樁長和支撐結構的材料參數均以設計參數作為輸入，在硬化模型中土體三周排水試驗的割線剛度Eref50、固結試驗的剪切剛度Erefoed和卸載再加荷剛度Erefur參考相關文獻取值。模擬分析結果與實測結果進行對比如表3 所示。

表3 標準段實測結果與分析結果比較（K1+385 處）

對選取的典型斷面模擬分析結果來看，在不同的工況下圍護結構的冠梁頂部水平位移并不大，數值模擬結果最大值僅為5.08 mm，而基坑開挖完成后實際觀測的位移值為7.22 mm；第一道混凝土水平支撐的軸力隨開挖深度的增大在不斷增大，有限元計算模擬的結果最大值為1 399.8 kN，對應斷面通過應力計監測換算的軸力達到3 014.4 kN，遠大于設計給定的預警值，而第二道鋼支撐的實測軸力遠小于設計提供的計算軸力。通過將計算結果與實測結果進行比較分析，二者還是存在一定的差異。通過比較分析，認為產生這些差異可能因素如下：

1）數值模型是對實際結構采取一定的簡化和假設處理，在邊界條件和材料參數取值存在一定的差異；

2）現場施工工序的不同，如施工順序、開挖速度、開挖層厚度、降水處理等，均會對結構的穩定和變形發展產生影響；

3）現場分層開挖中第二道支撐是在第一層開挖完成后邊挖邊撐過程中穿插進行的，支撐間距和位置存在一定的偏差，改變結構整體受力形式；

4）實際調查發現，部分鋼支撐端頭的圍檁未按要求保證與圍護墻體的面接觸，多數情況下出現單根圍檁呈虛支承或多點支承連續梁受力模式，支撐和圍護墻未形成整體受力；

5）基坑開挖范圍進行水泥攪拌樁格柵加固，一定程度上改善了土體的結構提高了抗滑移能力。

4 結語

本文針對濱海地區軟土地基狹長深基坑支護結構的穩定監測過程和監測結果，采用有限元對典型斷面進行了數值模擬，實測結果和模擬結果存在一定的差異，結合實際情況，對類似工程的支護結構設計、施工和監測提出以下建議：

1）狹長型深基坑的支護結構受力表現出局部受力的特性，選擇樁型支護有利于基坑的整體穩定和變形協調；

2）基坑開挖時，圍護結構的最大側移大致位于開挖面附近，隨著深度的增大逐漸下移，實測和計算結果反映的變形曲線形式和趨勢是一致的，但數值上存在差異。建議當開挖至坑底后及時施工墊層和底板，防止變形的擴大和發展；

3）基坑開挖施工的不確定性較大，因地制宜加強支護結構的安全系數是保障基坑安全的重要控制點；

4）加強基坑監測，尤其是軟土地基基坑，實時掌握支護結構的變形和受力變化情況，做到實時預警，同時加強工程參建單位尤其是施工單位人員對監測工作的重視是非常必要的。