卵石土地區基坑開挖變形特征研究

宋 波

（中鐵十八局集團第三工程有限公司，河北 涿州 072750）

大中型城市建設的飛速發展引發了大量工程問題，而現階段可供建設使用的土地日益緊張，深大密基坑施工必然會對其周圍環境產生諸多不利影響。對于在城市中建設的基坑工程，變形控制是其重點。基坑變形主要有三方面：圍護結構變形、坑底隆起變形和坑外土體變形[1]。一些學者利用理論分析、現場實測、數值計算等方法研究了基坑尤其是深基坑施工對道路、建（構）筑物等變形的影響[2]，重點分析了基坑開挖深度、開挖順序、施工工藝、支護措施等對環境的影響[3]。研究表明，基坑施工易導致土體初始平衡狀態失穩，引發基坑及其周邊建構物變形，隨之引發一系列環境安全問題。這類問題在砂卵石地區超深基坑施工中最為常見，卵石土地層具散粒性、強透水性、高磨耗性等顯著特征[4]，在該特殊地層中進行深基坑開挖具有較大的安全隱患。

本文以某建筑深基坑工程為例，通過原位監測獲得樁體鋼筋應力、樁體水平變形等實測數據，綜合分析基坑開挖變形特征，并在此基礎上采用有限差分法探討砂卵石地區深基坑開挖錨拉樁支護與基坑土壓力相互作用關系，以給類似深基坑工程的設計和施工提供借鑒與參考。

1 工程條件

1.1 工程概況

某基坑周長約240 m，開挖深度約15 m。基坑周邊環境復雜，開挖深度1.5 h（h 為基坑開挖深度單位）范圍內均有建筑物分布，地下室結構幾乎布滿了建筑紅線包括的用地范圍。擬建物共設3層地下室，B1～B3 層板頂相對標高分別為-5.00 m、-10.00 m、-15.00 m，塔樓筏板厚2.80 m，其余區域筏板厚1.20 m。

場地地層為第四系全新統人工填土層（Q4ml）、第四系中下更新統冰水沉積層（Q1-2fgl）和白堊系灌口組泥巖層（K2g）。地下室底板位于中風化泥巖層，但大面積穿越卵石土地層。該地區卵石磨圓度較好，以亞圓形為主，少量圓形，分選性差，卵石含量55%～85%，粒徑以2～8 cm 為主，部分大于12 cm，并含有少量漂石（粒徑大于20 cm），充填物為中細砂及少量粘性土，局部地段有中細砂層的透鏡體（見圖1）。巖土體物理力學參數見表1。

表1 巖土體物理力學參數

圖1 砂卵石地層

1.2 基坑支護方案

該工程基坑安全等級為一級，基坑東、西、南、北四側支護方式分布為：懸壁樁、單排預應力錨索和預應力錨索聯合雙排樁。設計的錨拉支護樁樁徑1 200 mm，樁間距2.20 m，有效樁長22.00 m，嵌固深7.00 m，冠梁尺寸為1 200×800 mm，樁頂標高為±0.00 m ；在-6.0 m 和-9.0 m 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，錨固長度為10 m、8 m，因該基坑未設計腰梁故錨索固定在支護樁上，具體方案見圖2。

圖2 基坑支護形式

2 監測方案及結果分析

2.1 原位測試方案

選取具有代表性的14#和32#樁進行長期監測試驗（兩測試樁位置見圖3）。監測頻率按施工不同階段確定為：1 次/（1～2 天）（開挖施工期）、1～2 次/周（底板施工期）、2 次/月（肥槽回填期）。但當基坑處于臨界或危險狀態時加大監測頻率。

圖3 監測點布設

支護樁垂直基坑方向分別布設2 組鋼筋應力計，起始布設點位于樁頂下2 m，其下每間隔2 m布設另一個。同時在樁身中部布置測斜管，測試元件布置示意見圖4。

圖4 樁身監測元件布設示意

2.2 樁身位移

圖5 為樁身位移監測結果，圖中指向基坑內側的變形為正值，反之為負。由圖可知，樁身位移最大值在樁頂處，至樁端逐漸減小；樁身位移變化量與基坑開挖施工周期呈正比，這一增大趨勢在基坑開挖完工后一段時間才趨于穩定。開挖完成后，14#、32#樁最大位移約為17.0 mm 和6.5 mm；肥槽回填后，位移分別為21.0 mm 和8.3 mm。

圖5 樁身位移監測曲線

2.3 樁身內力

樁身內力監測結果如圖6 所示。由圖可見，整個施工周期內樁身應力隨基坑開挖卸荷和開挖深度的增加而不斷增大；施工初期，開挖面上下樁基拉壓狀態不同，開挖面以上為外拉內壓，以下則相反；施工錨索后，開挖面以上則為外壓內拉，以下為外拉內壓，完全符合設計計算狀態。

圖6 樁身內力監測曲線

3 錨拉樁支護與基坑土壓力相互作用關系

3.1 模擬方案

從支護結構本身討論樁徑、樁間距、錨索長度等有關參數的變化對鄰近建筑物的影響規律。具體方案如下：①樁徑分別為0.8 m、1.0 m、1.2 m、1.4 m；②錨索長度分別為16 m、18 m、20 m、22 m、24 m、26 m；③錨索排數分別為5、6、7。

根據場地情況建立計算模型（見圖7）。模型邊界條件為頂部自由，底面固定，側面位移約束。所分析的建筑物平行布置基坑側，建筑物長25 m，寬10 m，相關計算參數見表2。

圖7 計算模型示意

表2 結構計算參數

計算中管片采用彈性本構模型，土體采用摩爾庫倫本構模型。巖土體采用摩爾-庫倫本構模型，結構采用彈性模型。由反演分析結果對比（見圖8）可知采用本文參數模擬結果較好。

圖8 反演分析結果對比

3.2 樁徑的影響

圖9 為計算結果。可知，土壓力隨深度增大而呈非線性增加，其支護結構后土壓力呈近似三角形分布。在同一深度下，土壓力隨支護樁徑增大而增大，在深度0～12 m 樁徑對土壓力影響不大，各土壓力曲線基本重合；而在12～24 m 土壓力曲線開始分散，土壓力隨深度增大而呈非線性增大；在4～12 m 隨深度增加變化不大，維持在35 kPa 左右，土壓力分布曲線在4 m 和8 m 有明顯的轉折點。

圖9 樁徑的影響

3.3 錨索長度的影響

圖10 為計算結果。可知，在不同錨索長度下土壓力均呈非線性分布。在0～5 m 土壓力分布曲線基本重合；在7～18 m 土壓力曲線分散，相同深度土壓力隨錨索長度增長而增大；在4～8 m 土壓力隨深度增加而變平緩，基本保持在40 kPa 左右；在5 m處有明顯拐點，基坑長邊中錨索長度為16 m、18 m、20 m 土壓力成負增長，隨后曲線緩和。

圖10 錨索長度的影響

3.4 錨索排數的影響

圖11為計算結果。可知，對于不同排數的錨索，土壓力均為非線性分布。土壓力在0～4 m 總體呈線性增加；在16 m 后，土壓力隨不同錨索排數變化的影響不大，但隨基坑深度增加而增大，整體呈三角形分布；在7～16 m 土壓力曲線分開，土壓力隨錨索排數的增加反而減小。8 m 和16 m 處土壓力曲線有明顯拐點。

圖11 錨索排數影響

4 結語

本研究以某砂卵石深基坑工程為例，采用現場原位監測和有限差法數值模擬分析基坑施工全過程變形特征，研究結果表明：①樁身水平位移隨開挖深度增加而增大，且樁頂位置的水平位移最大，開挖結束時變形并未停止，需經一段時間才能逐步趨于穩定。②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增加呈逐步增大趨勢，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。③數值模擬結果表明，土壓力隨深度增大而呈非線性增加，其支護結構后土壓力呈近似三角形分布。土壓力隨支護樁徑、錨索長度的增大而增大、隨錨索排數的變化不明顯。