北京市某深基坑在土岩结合地层支护方式的研究

黎 浩，吴银柱，吴明泽

(长春工程学院勘查与测绘学院，长春 130021)

北京市某深基坑在土岩结合地层支护方式的研究

黎 浩，吴银柱，吴明泽

(长春工程学院勘查与测绘学院，长春 130021)

土岩结合地层是北京地区少有的“上部土层，下部岩层”的二元结构地层，对于该类土层的支护方式来说，具有其特殊性，选择其最合适的支护方式，并对该支护方式下的安全性、经济性和适用性进行研究，是我们目前应该探索的问题。以北京市某深基坑支护作为研究背景，采用Midas GTS 有限元软件进行模拟分析。结果表明：挡土墙+桩锚+格构柱的支护方式在北京地区具有实用性。通过有限元模拟得出了基坑开挖过程中，基坑竖向位移和水平位移以及桩体内力的变形规律，且位于土层及岩层交接处位置变形较大。

基坑；土岩结合；支护；监测；数值模拟

0 引言

北京作为我国的首都，其多高层建筑不计其数，随着经济的飞速发展和人口激增，人们对地下空间的利用越来越广，开挖深度越来越深，开挖规模和难度也越来越大，因此，结合当地的工程地质情况选择经济合理的支护方式并进行施工是我们目前应该研究和了解的问题。

北京地区土质条件较好，有利于基坑工程施工，其支护方式也多种多样，其中桩锚支护应用最为广泛，占所有基坑支护的61%[1]。目前，我国对于纯土体一元结构基坑相关理论与经验已经较为成熟。而对于上部为土层，下部为岩层的土岩结合的二元结构体系，其基岩强度高，稳定性好，尤其下部的中风化岩边坡具有较强的自稳能力和竖向承载能力，若沿用一元土体结构来设计和施工的话，会导致支护方式不够经济合理，影响施工的进度[2]。为了保证其经济性和合理性，国内外许多学者对土岩结合地层进行了相应的研究和探索。

朱详山[3]结合青岛花岗岩地区工程案例提出了上部采用桩锚下部采用“吊脚桩”的支护形式，得出该支护形式对于“嵌岩”类基坑具有较好的适用性。

伊晓东，黄鹂[2]，等通过数值模拟与监测数据对比，得到了基坑的变形规律，为土岩结合地区设计、施工、监测提供了借鉴。

贾绪富[4]对“预应力锚肋梁”进行研究，提出了对于土岩结合地区使用预应力锚肋梁支护拟解决基坑支护中未嵌固或者嵌固不足的排桩支护问题。

朱志华，刘涛[5]以青岛地区土岩结合地质为条件和背景，对该地区基坑支护方式进行总结，得出了土层桩锚与岩层喷锚相结合的支护方式。

北京地区水文地质条件普遍较好，以西向东多以厚层沙土和卵、砾石为主[1]，其支护方式多种多样，然而，土岩结合地层是北京市少有的地层，对于此类地层来说国内对其的研究相对较少，通过其工程实例运用Midas有限元软件并结合施工的全过程进行分析模拟，以为该地区工程设计和施工提供借鉴。

1 工程实例

1.1 工程概况

本工程位于北京市某深基坑，拟建场地地貌上属于永定河冲洪积扇的上部，场地地势呈南低北高。拟建场地较平坦，地面绝对标高为43.13～44.13 m。建筑设计标高为±0.000相当于绝对标高44.50 m，基坑底标高-17.20～-17.50 m(电梯井与积水坑除外)。现场自然地面标高按43.70 m进行支护设计。基坑南北长约182.6 m，东西长约205.1 m。

1.2 工程地质条件

经过一系列的野外钻探、原位测试及室内土工试验成果的综合分析，在本次勘察的范围内，该土层主要分为人工填土层及一般第四纪坡洪积层、残积土层、侏罗系、石炭二叠系及蓟县系。

地下水位主要以裂隙水为主，初见水位为21.8～22.7，场地内所含有的基岩裂隙水对混凝土结构、对钢筋混凝土结构的钢筋长期侵水条件下或者干湿条件下具有弱腐蚀性，其土层参数见表1。

表1 土层物理力学参数

1.3 基坑支护方案

基坑开挖深度19.3 m，本剖面上部2.8 m采用挡土墙支护，2.8～14.50 m采用桩锚支护。14.50～19.3 m强风化玄武岩段采用锚杆+格构梁支护。由于本剖面强风化玄武岩层顶板标高变化，其上部护坡桩长度、护坡桩锚杆排数及下部锚杆+格构支护高度随之调整。护坡桩上的第4排锚杆用于提供桩的被动土压力，以补偿嵌固深度不足。如图1所示。

图1 基坑支护结构图

2 数值模拟

将基坑简化为平面应变模型，上部土体为摩尔库伦模型，下部岩石体采用弹性模型，由于基坑为对称支护，所以对半个基坑宽度进行模拟，结合工程概况，采用Midas GTS NX软件对基坑断面进行模拟，考虑到基坑变形速率影响范围，选取基坑深度的3倍进行建模。建立模型长宽为65 m×30 m，如图2所示。

图2 二维基坑计算模型

2.1 施工模拟顺序

根据基坑设计要求，可将基坑开挖简单分成6个部分，如图3所示。

图3 基坑开挖步骤

根据基坑设计方案：

工况一：开挖至挡土墙打桩，立挡墙，再往下开挖至第一层锚索标高3.6 m的位置，安装第1道锚索，总长33 m，自由段长度25 m，锚固段长度8 m，设计拉力541 kN，预加拉力300 kN。

工况二：开挖至标高8.6 m的位置，安装第2道锚索，总长32 m，锚固段长度25 m，自由段长度7 m，设计拉力569 kN，预加拉力480 kN。

工况三：开挖至标高12.6 m的位置，安装第3道锚索，总长27 m，锚固段长度21 m，自由段长度6 m，设计拉力712 kN，预加拉力400 kN。

工况四：开挖至标高14.6 m的位置，安装第4道锚索，总长20 m，锚固段长度15 m，自由段长度5 m，设计拉力527 kN，预加拉力300 kN。

工况五：开挖至标高16.6 m的位置，安装第5道锚索，总长9.5 m。

工况六：开挖至标高16.6 m的位置，安装第6道锚索，总长2 m。

2.2 数据计算及结果分析

深基坑不同开挖阶段所反映的基坑的变形特征的两个部分主要包括基坑的竖向位移和水平位移，水平位移主要反映了基坑侧向变形大小，随着基坑开挖深度的增加，侧向土压力增大，基坑下滑力也随之增大，当基坑支护结构不足以抵抗下滑力就会产生土体的滑移和倾覆。竖向位移反映了基坑内部的隆起以及基坑坡顶变形的大小，有利于施工人员找到变形发生的危险区域，从而控制竖向位移的发生。因此，控制水平位移和竖向位移是防止基坑开挖进行中引起灾害的最有效的手段之一。

基坑开挖第1阶段：进行放坡开挖，以及灌注桩施工后，依照设计要求安装第1道锚索，水平位移变化最大量发生在挡土墙位置，约为17.4 mm，其土层位置反应了其圆弧面的滑动趋势，与相关滑移理论相符合。而竖向位移分布在基坑开挖的情况下，由于土体卸荷产生应力释放，基坑内呈现隆起，约为8.83 mm。其基坑外土体呈现沉降，在基坑超载的情况下，沉降的最大值不是位于基坑边缘，而是在距离基坑2 m处，约为16.6 mm。如图4所示。

基坑开挖第2阶段：进行放坡开挖，依照设计要求安装第2道锚索，水平位移变化最大量发生在挡土墙位置，约为42 mm，而竖向位移分布在基坑开挖的情况下，基坑内呈现隆起，约为24 mm。其基坑外土体呈现沉降，在基坑20 kPa超载的情况下，沉降的最大值不是位于基坑边缘，而是在距离基坑2 m处，约为16.08 mm，其竖向位移无太大变化，如图5所示。

基坑从第3阶段到第6阶段：从第3阶段开挖至-12.6 m到开挖至基坑底部-19.3 m，此时基坑6排锚索施工完成，随着基坑开挖深度的增加，侧向土体对桩体的压力也随之增加，其上部土体的最大水平位移47.6 mm，侧向土体竖向位移为15.9 mm，而下部位于岩层其坑底隆起位移随着开挖深度的增加位移越来越小，小于1 mm。如图6所示。

桩体最大水平位移为-23.4 mm，桩体最大剪力为663.648 kN，最大剪力发生在位于桩体8.7～12.2 m处。最大弯矩为304 kN·m，最大弯矩出现在块石与黏土结合部位。工程施工中应对该位置进行有效的监测和控制。如图7所示。

(a)第1阶段基坑开挖水平位移

(b)第1阶段基坑开挖竖向位移图4 第1阶段放坡开挖并进行锚索张拉支护变形图

(a)第2阶段基坑开挖水平位移

(b)第2阶段基坑开挖竖向位移图5 第2阶段放坡开挖并进行锚索张拉支护变形图

(a)第6阶段基坑开挖水平位移

(b)第6阶段基坑开挖竖向位移图6 第6阶段放坡开挖并进行锚索张拉支护变形图

(a)第6阶段基坑桩体剪力

(b)第6阶段基坑桩体弯矩图7 第6阶段放坡开挖并进行锚索张拉受力图

2.3 监测数据进行对比

选取距离该基坑2 m处进行周边土体沉降监测，可知随着基坑开挖深度的增加，其地表沉降量也随着增加，其最大沉降量发生于工况四，约为13.69 mm。到达基岩其沉降趋于稳定。如图8所示。

图8 随基坑开挖距基坑2 m处地表沉降监测数据

3 结语

本文对北京市深基坑土岩结合地层进行分析，并结合当地的土质情况提出了护坡桩+锚杆+格构柱的支护方式在北京应用的合理性。以北京市某深基坑为具体实例，利用Midas GTS有限元软件进行模拟了基坑开挖的全过程，结果表明该地区采用挡土墙+吊脚桩+锚杆支护方式控制基坑变形具有显著的效果，完全满足设计要求。模拟结果表明随着基坑开挖的进行，其基坑的竖向位移和水平位移的变化不大，桩体受力特点位于基坑土岩结合部变化较为突出。并且与监测数据对比其结果有效可行。

[1] 罗文林，韩煊，刘炜.北京地区基坑支护技术现状研究[J].岩土工程学报，2006(S1)：1534-1537.

[2] 伊晓东，黄鹏，王智超.土岩二元地区深基坑桩锚支护结构变形分析[J].地下空间与工程学报，2013(S1)：1549-1553.

[3] 朱祥山.青岛地区“嵌岩”类基坑工程设计方法研究[D].青岛： 中国海洋大学，2008.

[4] 贾绪富.预应力锚杆肋梁支护技术[D].青岛：中国海洋大学，2003.

[5] 朱志华，刘涛，单红仙.土岩结合条件下深基坑支护方式研究[J].岩土力学，2011(S1)：619-623.

[6] 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，2016，10：69-74.

TheStudyonSupportModesofDeepFoundationPitinCombinationofLayerSoilandRockinBeijingChina

LI Hao,et al.

(SchoolofProspecting&SurveyingEngineering,ChangchunInstituteofTechnology,Changchun130021,China)

The combination of soil and rock is the rare binary structure of the “upper soil layer and the lower strata” in Beijing area in China.For the supporting methods of this layer,with the particularity,how to choose the most suitable branch,and the safety,the economy and the applicability of these support modes are the problems that should be explored at present.In this paper,a deep foundation pit support in Beijing city has been taken as the research background,and the Midas GTS finite element software is adopted for simulation analysis.The results show that the supporting method of retaining wall+pile anchor+lattice column is with the practical property in Beijing area.Through the finite element simulation,the vertical displacement and horizontal displacement of the foundation pit,the deformation law of the internal force of the pile,and the deformation at the junction of the soil layer and the rock layer are large during the excavation of the foundation pit.It provides an effective reference for the construction and design to the combination layer of soil and rock.

foundation pit;soil and rock combination;support;monitoring;numerical simulation

10.3969/j.issn.1009-8984.2017.03.002

2017-06-13

黎浩(1988-)，男(汉)，云南，在读硕士主要研究岩土工程。

TU473

A

1009-8984(2017)03-0005-04