桩锚支护深基坑施工过程变形特征分析

仝霄金，陈圣仟

(济南市勘察测绘研究院，山东 济南 250013)



桩锚支护深基坑施工过程变形特征分析

仝霄金，陈圣仟

(济南市勘察测绘研究院，山东 济南 250013)

以济南市某大型深基坑工程为依托，通过FLAC3D对深基坑工程不同施工阶段的变形特性进行了数值计算分析；桩锚支护深基坑，地表最大竖向变行产生在距离基坑边缘10m位置处，且最大竖向变形量为46.16mm；最大水平位移发生在桩顶冠梁位置处，最大水平位移为53.45mm，是基坑支护最薄弱环节，基坑呈现三角形状向内侧滑动的趋势。

深基坑；变形特征；桩基侧移；地表沉降

0 引言

近年来，随着经济社会的不断发展和工程施工技术的不断改进，大量的高层建筑及超高层建筑结构不断涌现，根据相关高层建筑技术规范可知：高层及超高层建筑结构宜设置配套地下室[1]，因此，深基坑工程或超深基坑工程便相应的产生了；我国基坑设计规范对于大型深基坑或超深基坑的设计尚缺乏理论依据和技术指导，相关可借鉴的工程案例也较少；支护结构的确定和相关开挖方案的采用依然停留在工程经验取值和浅基坑支护设计理论；忽略了超深基坑设计施工过程中复杂的力学特性分析，因此对于一定支护结构方案下，大型深基坑施工稳定性研究具有非常重要的工程意义。

目前，国内诸多学者已对相关深基坑工程施工过程变形特征和力学特性进行了相关研究，并取得了丰硕的研究成果；比如：齐玉清、何德洪、王继轲[2-4]等以不同的工程案例为背景，通过对不同的基坑事故进行深入剖析，对现有深基坑支护结构的不足进行了论述；李淑、何敏、叶亚林、郝胜利[5-8]等通过对不同工程案例支护结构进行总结，基于数值模拟对不同工况下深基坑开挖引起的变形特征和力学特性进行了详细分析，对施工过程中的结构变形进行了合理的预测，对现场施工提供了有利的指导；张亚奎、聂宗泉[9-10]等基于深基坑开挖引起的施工变形，研究了对建筑物的力学特性变化，并提出了相关建筑物基础托换和加固理论，有效避免了深基坑开挖对建筑结构的影响；张瑾、尹光明[11-12]等对不同工程案例进行了深基坑开挖风险分析，并提出相关风险管理体系，对施工过程中的变形进行了预测和控制，结合相关工程进行了探讨和应用。

该文以济南市某高层建筑配套高层大型深基坑工程为工程原型，针对冲击地层大型深基坑建设过程中的变形特性进行了分析，对深基坑工程的变形规律进行了总结。

1 工程概况

1.1 工程地质概况

济南市某深基坑工程所处地层上部以黄河、小清河冲积而成的粘性土、粉土为主，下部主要为山前冲洪积而成的粘性土、砂土、卵石土；相应土层及物理力学参数见表1。

表1 土层物理力学参数

1.2 支护结构概况

基底相对标高为-19.500m，基坑上部采用1∶3放坡开挖，三道土钉墙支护；下部采用桩锚支护结构：其中桩结构采用长23m，Φ800mm@2m的钻孔灌注桩；桩顶-7.5m处设置800mm×1000mm的冠梁，下部基坑在-12.0，-16.0m处设置228a型槽钢做腰梁，三道锚索均采用4根7Φ15.24高强度低松弛钢绞线，自上而下分别设置在冠梁和两道腰梁上，其长度分别为25m,30m,25m；其中锚固段长16m,21m,20m；自由段长度分别为9m,7m,5m；设计预应力值依次是自150,200,180kN，灌浆材料采用C20水泥砂浆；垫板采用20mm×240mm×240mm的钢板，锁具采用M15-9圆塔形多孔翻锚及配套夹片；后张法施工，用2台张拉机具从槽钢两端向中间同时张拉，减弱了群锚效应产生的预应力损失。

图1 基坑支护结构图

2 数值计算

2.1 数值计算模型的建立

依据现场工程概况，结合深基坑开挖影响范围，建立数值计算模型大小为100.0m×50.0m×79.5m，如图2所示，左右边界距基坑外边线大于3H(H为基坑开挖最大深度)，下边界距坑底距离大于3H；采用位移边界条件，混凝土喷层采用shell结构单元，桩体采用pile结构单元，锚索和土钉支护采用cable结构单元，各材料参数取值如表2所示。

图2 三维计算模型

材料描述弹性模量/(MPa)泊松比重度/(kN/m3)黏聚力/(kPa)内摩擦角/(°)杂填土100．2818．51012粉土140．3018．92116粉质粘土130．2819．43015中砂500．2720．80．532粉质粘土150．2819．73520粘性土210．3020．24028桩基基础1．5×1050．2025．0——

2.2 施工模拟顺序

根据基坑原设计方案，设计模拟步骤如下：

第一步：建立数值计算模型，定义材料参数，待自重应力平衡后，形成初始应力场；对竖向位移和水平位移、竖向和水平向移动速度、初始状态塑性区进行清零。

第二步：依照设计方案进行基坑开挖模拟；首先进行放坡开挖模拟，并施作3道土钉墙支护，长度分别为6m,9m,6.0m；然后进行坡面混凝土喷层施工。

第三步：依照设计要求，在设计指定位置进行钻孔灌注桩及冠梁结构的施工，并在冠梁位置处，打设第一道锚索，长度分别为25.0m，锚固长度为16.0m，自由端长度位9.0m。

第四步：直墙段第一步开挖；依照设计指定要求，基坑继续开挖至-12.0m，并及时施作环向腰梁和第二道锚索，其中第二道锚索长30m，锚固段长度为21m，自由端长度为9.0m。

第五步：直墙段第二步开挖；依照设计指定要求，基坑继续开挖至-16.0m，并及时施作环向腰梁和第三道锚索，其中第三道锚索长25m，锚固段长20.0m，自由端长度为5.0m。

第六步：直墙段第三步开挖，依照设计要求，基坑继续开挖至-19.5m，并进行坑底相关工作施工。

综上可述，依据设计要求，可将基坑开挖简单概括为四施工阶段：第一阶段：放坡开挖并进行土钉墙支护，钻孔灌注桩及冠梁施工，并进行第一道锚索施工；第二阶段：基坑开挖至-12.0m，并及时进行第二道锚索施工；第三阶段：基坑开挖至-16.0m，并及时施作第三道锚索施工，第四阶段：基坑继续开挖至-19.5m，并进行基坑封底工作。

2.3 数值计算结果分析

2.3.1 基坑开挖不同阶段变形特性分析

深基坑不同开挖施工阶段引起的变形特征主要包括竖向位移和水平位移两部分(图3～图6)，其中竖向位移可反映深基坑开挖土体卸荷引起基坑底部回弹变形大小，也可反应基坑边界不同位置处的地表沉降特征；有利于现场施工人员找出竖向变形危险区域，采取合理措施控制基坑竖向变形，保障了基坑或其周边建筑物变形安全；水平位移可反映不同开挖阶段侧向变形大小；基坑开挖土体卸荷引起侧向土压力增大，进而引起坡体下滑力增大，当基坑支护结构不足以抵抗下滑力矩时，基坑水平侧向变形急剧增大，已引起基坑整体滑塌或桩体倾覆等工程灾害；因此关注基坑侧向水平位移是整个基坑开挖过程中防止工程灾害的重要措施之一。

图3 第一阶段放坡开挖并进行土钉墙支护变形图

深基坑开挖第一阶段：放坡开挖并施做土钉墙支护结构及混凝土喷层阶段施工后，依照设计要求打设桩基并施作第一道锚索；地表竖向沉降位移并未发生在基坑边缘，而是发生在距基坑边缘一定距离位置，约为8.48mm；放坡段底部与基坑交接处发生部分隆起位移，约为12.17mm；而水平位移变化最大量发生在坡底，约为12.78mm；水平位移可反映地层滑动趋势，基坑外侧土体呈现三角形分布，向基坑内侧滑动的趋势，与相关滑移理论相符。

图4 第二阶段施工基坑变形特征图

当基坑进行直墙段第一步开挖时，土体卸荷引起土体应力释放，滑动面向下移动，随着开挖深度的不断增加，土体右侧土压力增大，下滑力不断增加，桩承受水平侧向压力也不断增加；最大竖向位移达12.65mm，位置基本不变，最大隆起位移为13.65mm，最大水平位移发生在桩顶处，为18.03mm，说明该处承担侧向土压力较多，下滑力较大，是滑动破坏的危险区域；因此在该处布设一根长25m，锚固段为18m的锚索是很有必要的；锚索轴力宽度代表受力的大小，则由锚索受力特点可以看出，锚索沿线均承受较大的轴向拉力。在锚索自由段靠近开挖面处受力最大，随着距开挖面距离的增加，锚索轴力逐渐减小，呈现三角形分布；当远离基坑开挖面一定距离后，锚索轴力趋于均匀分布。

图5 第三阶段开挖基坑变形特征图

第三阶段：当进行直墙段第二步施工开挖至-16.0m，并施做第二道锚索；随着基坑开挖深度的继续增加，基坑最大竖向位移位置基本不变，由12.65mm逐渐增加至26.24mm，桩顶冠梁位置处，最大土体沉降为10mm，基坑最大隆起量为15.02mm；水平位移也不断增加，逐渐由18.24mm增加至31.36mm，滑移面呈现三角形分布；明显看出，当施做第二道锚索之后，第二道锚索受力较第一道锚索小，说明在支护结构中，桩顶冠梁处受拉力较大，是整个基坑支护的薄弱环节。

图6 第四阶段施工基坑变形特征图

第四阶段：当开挖至基坑底部-19.5m，并支护第三道锚索施工时，竖向位移和水平位移继续增加，但位置基本不变。且锚索受力趋于均匀，由于第三道锚索的施工使得第一道锚索、第二道锚索的轴力有所减小，除自由段靠近开挖面处锚索受力较大外，锚固段受力较均匀。其最大竖向位移、水平位移、隆起位移分别为46.17mm,53.45mm,16.61mm，明显看出：基坑开挖产生的位移主要以水平位移为主，竖向沉降位移也同样不可忽视。

2.3.2 基坑开挖地表沉降规律分析

为研究基坑开挖引起地表变形变化规律，以基坑边界为起点，以次间隔2m布设监测点，得基坑不同开挖阶段引起周边地表竖向位移如图7所示。

图7 基坑开挖地表沉降规律

由图7可知，地表最大沉降位置并未发生在基坑边缘，而是距基坑边缘一定距离处；随着基坑开挖深度的不断增加，当基坑进行放坡开挖的第一阶段时，地表最大变形量为8.48mm，这是由于基坑开挖一侧土体卸荷引起另一侧土压力增加，向基坑内侧产生滑动变形引起地表沉降逐渐增大。当基坑继续开挖至-12.0m并进行第二道锚索支护时，基坑边界不同地表位置变形继续增加，最大沉降量位置基本不变，由8.48mm逐渐增加为12.65mm，基坑变形影响范围也相差无几；当基坑继续开挖至-16.0m，并及时进行第二道锚索的支护后，基坑边界不同位置地表沉降均发生显著增加，最大变形量由12.65mm增加至26.25mm，增幅为13.60mm，达107%，说明第三阶段施工队地表竖向变形贡献率较大，该阶段土体卸荷引起土压力增幅较大，土体产生下滑力较大所致；当基坑进行第四阶段施工，开挖至基坑-19.5m处并及时施作第三道锚索时，基坑边界不同位置处地表沉降增幅更大，地表最大沉降量由26.25mm增加至46.17mm，增幅为19.92mm，高达76%。说明随着基坑开挖深度的不断增加，同等基坑深度土体开挖卸荷引起地表变形量逐渐增大，对地表沉降贡献量增大。

通过上述地表变形规律的叙述可知，基坑放坡并进行土钉支护时，地表沉降贡献量仅为8.46mm，而基坑开挖第二阶段至第四阶段时，地表沉降变形贡献量依次为4.17mm,13.60mm,19.92mm，说明冠梁和桩基的支护作用明显，对减小基坑外侧土体下滑，减小地表沉降效果显著；随着基坑开挖深度的不断增加，土体卸荷量相应增大，土压力及其产生的下滑力逐渐增大，地表沉降贡献量也较大。将不同基坑开挖阶段地表沉降变化规律如表3所示。

表3 基坑开挖不同阶段施工地表贡献率汇总

2.3.3 基坑支护结构变形分析

为研究大型深基坑开挖支护结构的变化规律，通过在桩基沿线布设检测点进行水平位移动态监测，通过在锚索锁定后不同时间段内进行锚索轴力监测，依次判定支护结构变形稳定性。研究表明：基坑围护结构的变形形状与围护结构的形式、刚度、施工方法等有着密切的关系；Clough and O’rourke(1990)等将内撑和锚拉系统的开挖所引致的围护结构变形形式归结为3类：第一类为悬臂式位移；第二类为抛物线型位移；第三类为上述2类的组合(图8)。

图8 围护结构变形趋势

研究表明：桩基变形在基坑开挖不同施工阶段，桩基不同位置水平位移差异性明显；不同阶段施工对基坑水平变形量贡献率不同(图9)。不同施工阶段最大水平变形量不同，但位置基本保持不变；基坑开挖至-12.0m时，桩顶最大水平位移量为18.03mm，桩基水平位移减幅很快，在距离桩顶5m处时，桩基水平位移迅速减小至5.0mm，与上述基坑开挖引起地层水平位移云图所示趋势相同；当基坑继续开挖至-16.0m，并及时施作第二道锚索支护时，桩基水平位移从18.03mm逐渐增加至31.36mm，增加了13.33mm，增幅高达74%，说明该阶段土体卸荷，土压力增加，对基坑桩基侧向压力增大，水平位移增幅明显；当基坑继续开挖至-19.5m坑底时，并及时施作第三道锚索和底板施工，桩基水平位移增幅更大，从31.36mm增加至53.45mm，增加了22.09mm，增幅达70.4%，说明深度越大，同等基坑开挖深度引起的土压力增加较大，对桩基水平位移贡献率越大。

图9 桩基水平位移变化规律

通过上述桩基水平变形规律可知：基坑开挖引起桩基水平位移基本符合悬臂式结构变形形式；基坑最大水平位移发生在桩顶位置，与冠梁相接处；第二阶段至第四阶段施工过程中，不同施工阶段对桩基水平侧移变形贡献率不同，由上述分析可知：第二、三、四阶段施工引起桩基侧移增量分别为18.03mm,13.33mm,22.09mm，可知不同阶段施工对桩基侧移贡献率不同。

表4 桩基水平位移变化规律

3 结论

(1)原设计桩锚支护加固方案下，基坑边缘地表最大竖向变形量并未发生在基坑边缘，而是距离基坑边缘10m位置处，最大竖向变形量46.16mm。

(2)最大水平位移发生在桩顶冠梁位置处，最大水平位移为53.45mm，是基坑支护最薄弱环节，基坑呈现三角形向内侧滑动的趋势，与悬臂式支护结构变形形状相符。

[1] 中华人民共和国行业标准.高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ3-2010)[S].

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TONG Xiaojin, CHEN Shengqian

(Jinan Geotechnical Investigation and Surveying Research Institute, Shandong Jinan 250013, China)

FLAC3D was used to analyze its deformation characteristics and mechanical characteristics during different construction stages. On the condition of the original design schemes, the maximum vertical surface deformation of the pit did not occur in the pit edge, but 10m position from the pit edge, and the maximum vertical deformation was 46.16mm; The maximum horizontal displacement occurred in the top position of the pile, the maximum horizontal displacement was 53.45mm, which was the weakest link in excavation. The sliding trend of foundation presents a triangular shape, which was consistent with the deformed shape of cantilever supporting structure.

Deep pit; deformation characteristics; pile lateral displacement; surface subsidence

2016-03-08；

2016-10-04；编辑：陶卫卫

仝霄金(1980—)，男，山东济南人，注册岩土工程师，主要从事岩土力学与工程的理论工作;E-mail：122448931@qq.com

P642；TU473

B

仝霄金，陈圣仟.桩锚支护深基坑施工过程变形特征分析[J].山东国土资源，2016,32(10)：69-74.TONG Xiaojin, CHEN Shengqian. Stability Research of Deep Excavations Supported by Composite Soil Nailing and Pile-anchor[J].Shandong Land and Resources, 2016,32(10)：69-74.