深基坑支護結(jié)構(gòu)影響因素及其監(jiān)測分析研究

宋斌

（中航勘察設(shè)計研究院有限公司，北京 100098）

1 引言

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，基坑工程數(shù)量大幅度增加。 基坑工程主要包括基坑支護結(jié)構(gòu)、土方開挖、降水、監(jiān)測等方面。其中，支護結(jié)構(gòu)是基坑工程的關(guān)鍵部分，它不僅承受土體的側(cè)壓力，還保證基坑工程的穩(wěn)定性。 因此，研究深基坑支護結(jié)構(gòu)的影響因素和監(jiān)測方法對提高基坑工程的可靠性和安全性具有重要意義[1-2]。

本文針對深基坑工程的變形狀態(tài)及規(guī)律， 分析廣東南部沿海城市某一基坑工程現(xiàn)狀， 用Midas FEA 軟件設(shè)計樁錨支護結(jié)構(gòu)， 以增強其穩(wěn)定性， 并對設(shè)計的樁錨支護結(jié)構(gòu)進行監(jiān)測。 旨在及時準確地把握深基坑工程的變形狀態(tài)及規(guī)律，有效預(yù)防并及時處理可能出現(xiàn)的安全事故， 提高深基坑工程的施工質(zhì)量和安全性能。

2 樁錨支護結(jié)構(gòu)概述

樁錨支護是在巖石錨桿理論研究比較成熟的基礎(chǔ)上，發(fā)展起來的一種擋土結(jié)構(gòu)。 其主要是將受拉桿件的一端固定在開挖基坑的穩(wěn)定地層中， 另一端與圍護樁相連的基坑支護體系。 在實際應(yīng)用中主要有以下優(yōu)勢。

1）樁錨支護具有安全經(jīng)濟的特點，因此，在邊坡和深基坑支護工程中被廣泛應(yīng)用。

2）在基坑內(nèi)部施工時，開挖土方與樁錨支護體系互不干擾，能有效地縮短工期，尤其適用于復(fù)雜施工場地及對工期要求嚴格的基坑工程。

3）樁錨結(jié)構(gòu)適用于多種土體，如砂土、礫石、黏性土等，可以應(yīng)用于各種建筑地基加固[3]。

4）其主要作為抗拉構(gòu)件，在施工過程中可以根據(jù)實際需要加長或縮短，其極限抗拉強度較高，可以有效增強原有結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和抗震能力。

5）樁錨結(jié)構(gòu)制作簡單，施工方便，可以大幅縮短工期，減少施工成本。 同時能夠在較小的空間內(nèi)進行鉆孔、注漿和壓錨等作業(yè)，可以大大減少對周圍土方的破壞，從而節(jié)約土方。

3 深基坑樁錨支護結(jié)構(gòu)的影響因素和監(jiān)測分析

3.1 項目概況

項目基坑位于廣東省南部某沿海城市，該地區(qū)雨量充足，每年4～9 月為雨季，年降雨量1 933.3 mm。 案例工程體量大，包含地上8 層和地下2 層。項目基坑開挖深度約為10 m，周長為1 776 m，基坑總面積約55 167 m2。 周邊市政道路下埋設(shè)市政管線較多，主要用于集中鋪設(shè)通信、電力、給排水、燃氣等市政公共設(shè)施。 由于建筑載荷較大，基坑基礎(chǔ)選擇為承載能力高的筏板基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)。 項目場地地質(zhì)復(fù)雜，巖土層一般為花崗巖層、礫質(zhì)黏土和素填土，屬于滲透性較差的弱透水性地層，含有新近填土，厚度最大約13.5 m。 勘察期間，場地內(nèi)所有鉆孔均見有地下水，地下水類型主要為潛水，受氣候條件影響，地下水埋深在4.20～12.50 m。

由于基坑周邊環(huán)境復(fù)雜，項目基坑支護設(shè)計采用樁撐、樁錨和分級放坡的組合支護。 根據(jù)場地巖土層的設(shè)置，將支撐支頂設(shè)置在冠梁下2.85 m 處，

3.2 樁錨支護結(jié)構(gòu)影響因素

樁錨支護結(jié)構(gòu)的主要影響因素有支護樁間距、 樁長和預(yù)應(yīng)力錨索預(yù)加力。 當支護樁的樁間距過小時，需要的支護樁的使用數(shù)量增多，材料和施工成本增加。 在群樁基礎(chǔ)受豎向荷載的條件下，由于承臺、樁體和土壤之間的相互作用，樁間距過小會導(dǎo)致樁側(cè)阻力、樁端阻力和沉降等性狀發(fā)生變化，影響支護結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。 樁間距過大時，群樁基礎(chǔ)的總承載力會因為缺乏足夠的相互支持而降低， 還會導(dǎo)致支護結(jié)構(gòu)在不同部位的沉降差異增大，影響上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和使用安全。 當支護樁的樁長過大時，工程造價也相對較高。 若樁長過小，可能會影響基坑安全性和穩(wěn)定性。 因此，合理設(shè)置樁長既能控制成本，避免材料浪費，有效利用資源，同時在保證基坑穩(wěn)定性的前提下，能獲得更大的經(jīng)濟效益。

為了獲得更大的工程價值， 在不改變支護樁的其他參數(shù)下， 分別設(shè)置5 種均相差0.10 m 的樁間距 （1.00～1.40 m）和100～300 kN 的錨索預(yù)加力， 對比分析不同樁間距和預(yù)應(yīng)力情況下樁身的水平位移變化。 同時，分析不同樁長時，樁身的彎矩變化。 3 種主要影響因素對樁身的影響結(jié)果如圖1 所示。

圖1 樁錨支護結(jié)構(gòu)的主要影響因素對樁身的影響

圖1a 中， 樁身水平位移隨著支護樁樁間距的增大而增加，當樁間距為1.00 m 時，樁身水平位移為24.97 mm；當樁間距增大到1.40 m 時， 樁身水平位移為29.99 mm。 樁間距為1.20 m 時，樁身彎矩為385.17 kN·m；當樁間距為1.40 m 時，樁身彎矩為427.95 kN·m，與1.00 m 的樁間距對比，樁身最大彎矩增加了26.36%。 當錨索預(yù)加力為100 kN、200 kN、300 kN時，樁身水平位移分別為32.70 mm、27.45 mm、23.98 mm。

圖1b 中，隨著樁長和錨索預(yù)加力的增加，樁身最大彎矩逐漸減小。 當預(yù)加力為200 kN、樁長為18.00 m 時，樁身最大彎矩為385.17 kN·m，樁身最大位移為27.45 mm。

由此可見，隨著錨索預(yù)加力增大，基坑水平變形大幅度減小，幅度基本穩(wěn)定，支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力減小，減小幅度呈遞減趨勢。支護結(jié)構(gòu)中，排樁樁間距為1.20 m、樁長為18.00 m、預(yù)應(yīng)力錨索預(yù)加力為200 kN 較為合理。

3.3 排樁+錨桿支護結(jié)構(gòu)設(shè)計

排樁+錨桿支護結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。

圖2 排樁+錨桿支護結(jié)構(gòu)示意

圖2 中，剖面開挖深度為12.75 m，共有支護樁21 根，樁徑為800 mm，樁長為1 800 mm，樁間距為1 200 mm。 冠梁界面為800 mm×800 mm，冠梁和腰梁所在位置設(shè)置錨桿，錨桿均為植入式桁架， 施加預(yù)應(yīng)力為200 kN， 樁間設(shè)置旋噴樁止水。 圍護結(jié)構(gòu)中混凝土灌注樁為C30 水下混凝土，冠梁、腰梁施工采用現(xiàn)澆混凝土，混凝土采用C30 商品混凝土。錨索和混凝土的彈性模量分別為235 GPa、30 GPa，泊松比為0.2。錨索、支撐道數(shù)為3，錨索長度分別為21.0 m、28.5 m、33.5 m。 按照樁錨支護結(jié)構(gòu)，開挖1.70 m、5.70 m、9.70 m 深度時，需要分別進行冠梁+錨索、腰梁+錨索、腰梁+錨索加撐施工。預(yù)應(yīng)力錨索作為構(gòu)件比較隱蔽，主要為拉索作用。 錨索能夠充分調(diào)用巖土能量、巖土強度和自承能力，降低結(jié)構(gòu)自重，用錨索或土釘代替邊坡、襯砌或重力擋土墻，可節(jié)省大量土方，進而節(jié)約成本，縮短工期。 用錨索代替鋼橫撐作為側(cè)墻支撐，既能節(jié)約大量鋼材，又能大大改善施工條件。 施工前需要了解巖土性質(zhì)、地下管線、交通道路等對施工影響，并且需要校驗相關(guān)設(shè)備性能質(zhì)量，以保證施工過程安全。

3.4 基坑樁錨支護的監(jiān)測分析

為了有效管理施工，確保工程的安全，對本項目設(shè)計的基坑樁錨支護進行監(jiān)測。 監(jiān)測過程中使用的監(jiān)測儀器有Leica TS09 Plus 全站儀，規(guī)格為0.3 mm/km 的Sokkia SDL1X 水準儀和BIS20 水準儀鋼尺、CX-3C 測斜儀和SSC-101 便攜式頻率讀數(shù)儀。 針對支護結(jié)構(gòu)樁頂水平位移、基坑周邊地面沉降和錨索軸力，在基坑開挖到開挖完成后穩(wěn)定前進行1 次/d 的監(jiān)測，基坑開挖完成穩(wěn)定后至結(jié)構(gòu)底板完成前進行1 次/3 d 的監(jiān)測， 結(jié)構(gòu)底板完成后至回填土完成前進行1 次/15 d 的監(jiān)測。考慮到當?shù)亟涤炅浚舯┯昵闆r下使基坑變形速率提高，則需要增加監(jiān)測頻率。 監(jiān)測過程中，相關(guān)人員需要對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行采集與整理，以便后續(xù)分析數(shù)據(jù)。 支護結(jié)構(gòu)樁頂水平位移監(jiān)測控制值為30 mm，基坑周邊地面沉降監(jiān)控值為35 mm，而錨索軸力監(jiān)測控制值應(yīng)為設(shè)計值的70%。

對基坑樁錨支護的3 處錨索軸力、 地面沉降位移和樁頂水平位移進行數(shù)值模擬分析。

經(jīng)分析可知，3 處錨索軸力監(jiān)測控制值分別為155.4 kN、180.8 kN 和158.4 kN，3 處的監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬的比值φ 分別為69.7%、68.5%、68.9%， 此時實際的錨索軸力性能接近預(yù)定的控制標準。 地面沉降監(jiān)測控制值為11.12 mm，φ 為69.1%，實際沉降比預(yù)測值小，說明地面的實際承載性能較好。樁頂水平位移監(jiān)測控制值為10.75 mm，φ 為60.8%，表示支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好。 整體來看，基坑狀態(tài)為安全可控，數(shù)值模擬分析具有一定的可靠性。

4 結(jié)語

研究結(jié)合某基坑工程現(xiàn)狀， 通過Midas FEA 軟件設(shè)計樁錨支護結(jié)構(gòu)增強穩(wěn)定性，并監(jiān)測分析設(shè)計的樁錨支護結(jié)構(gòu)。 結(jié)果表明，設(shè)計的支護結(jié)構(gòu)參數(shù)較為合理，保證了深基坑工程的安全性和經(jīng)濟性。 在未來的研究中，可以進一步探討深基坑工程中可能出現(xiàn)的復(fù)雜地質(zhì)條件和非確定性因素的影響機制，以及相應(yīng)的控制和管理策略。