某桩锚支护深基坑变形监测与分析

王 梦，孔德志

（河南大学土木建筑学院，河南 开封 475004）

本文以开封市晋开·四季城基坑项目为例，根据监测结果结合基坑变形理论，采用最小二乘法对围护顶水平位移和土体深层水平位移分别进行多项式和指数函数拟合，提出时间对基坑围护顶位移的影响规律及深层位移随深度的分布特征，利用本文拟合结果能够对基坑施工过程中对基坑变形的发展进行预测，并采用相应控制措施，确保基坑施工安全。

1 工程概况

晋开·四季城A区二期项目地下部分总建筑面积为 35735．775m2，地下车库基底面积为21437．57m2，基坑总面积约 22042m2，场区经整平后，地面地形稍有起伏，场区无建筑物。本工程基坑平面呈不规则多边形，南北长约173m，东西宽约162m，主楼基坑开挖深度约10．5m，局部集水坑及电梯井位置落差约2．5m。

2 场地地质与水文地质情况

根据《晋开·四季城A区二期岩土工程勘察报告》，拟建场地属于黄河冲积平原区，场地经人工整平后，场区地表地形稍有起伏，地貌单一。拟建场地基土层分布情况如下：①层粉土，层厚 2．0～3．0m，平均层厚 2．71m；② 层粉砂，层厚 3．5～5．9m，平均层厚 4．54m；层底埋深 6．3～8．6m；平均层底埋深7．25m；③层粉土，层厚 0．5～2．6m，平均层厚1．42m；层底埋深 8．0～9．5m；平均层底埋深8．66m；④层粉土，层厚 1．0～2．0m，平均层厚1．49m；层底埋深 9．8～10．5m；平 均层底埋 深10．15m；⑤层粉质黏土夹粉土，层厚 3．5～5．5m，平均层厚 4．28m；层底埋深 13．8～15．8m；平均层底埋深 14．44m；⑥层粉土，层厚 2．2～4．5m，平均层厚3．64m；层底埋深 17．5～19．0m；平均层底埋深18．09m；⑦层粉质黏土，层厚 1．5～3．1m，平均层厚2．37m；层底埋深 20．0～21．0m；平均层底埋深20．45m；⑧层细砂，层厚 14．8～15．2m，平均层厚14．96m；层底埋深 35．1～35．5m；平均层底埋深35．35m。

根据地勘报告，本工程场地地下水位埋深2．30～3．00m，基准期内年平均最高水位埋深约 1．0m。属第四系松散岩类孔隙潜水，地下水补给方式主要为大气降水并且水位随季节的变化而不同，年变化幅度1．0～2．0m，本场地环境类型为Ⅱ类。

3 监测方案

本工程采用极坐标法水平位移监测，此方法简便、高效、精度可靠，因而在桩顶水平位移监测中应用极为广泛。桩顶水平位移监测点的埋设应该符合JGJ8—2016《建筑变形测量规范》的有关规定。通常情况下，基坑监测应设置位移基准点。特等和一等的基准点数不应少于4个，剩下的等级不少于3个。桩顶位移监测点沿基坑周边布置，监测点水平间距不宜大于20m。

本工程采用钻孔埋设方法。测斜监测点一般布置的位置通常在基坑平面的挠曲计算值最大处，监测点水平间距的设计值为20～50m，每边监测点的数目不少于1个。除测斜点布置间距需注意外，测斜管的埋设深度也需要考虑在内，测斜管深度应大于围护顶入土深度并且不宜小于基坑开挖深度的 1．5倍。

本工程深层土体位移测孔有 6个，围护顶水平位移布设31个监测点。监测时间从2017年2月至2017年6月。在基坑开挖及挖至设计底标高进行监测，共进行130次监测，提供阶段报告107期。监测点布置如图1所示。

图1 监测点平面布置

4 监测结果分析

4.1 围护顶水平位移监测和分析

本工程共布设了30个基坑监测点，用以研究围护顶水平位移。本研究只取截水帷幕＋桩锚联合支护结构的剖面进行分析，因此选取其中的12个监测点分析研究。围护顶各测点水平位移随时间变化的曲线如图2所示。

图2 围护顶水平位移随时间的变化曲线

从图2可看出，JK8、JK11这2个测点围护顶水平位移较大，最大值分别为 47．76，51．41mm；JK1、JK2这2个监测点围护顶水平位移较小，最大值分别为39．72，39．99mm。其余测点的围护顶水平位移最大值集中在42～45mm，可看出围护顶的水平位移随时间变化可分为4个阶段。

1）第一阶段是从2月20日到3月26日 这一阶段是从基坑开挖开始到第1道锚杆张拉之前。由于这期间开封下了几场大雪，加之工地响应开封市扬尘治理的要求，所以进度缓慢。这个过程开挖深度较浅，开挖速度较慢，各桩水平位移呈悬臂状态，而且桩顶水平位移较小且发展缓慢，每天的监测位移都在5mm以内。每个监测点的累计位移量都在5～7mm。

2）第二阶段是从3月27日至4月2日 这一阶段从第1道锚杆张拉到第2，3道锚杆张拉前。这一阶段由于天气较好，施工安排合理，所以开挖速度较快，开挖深度较大，桩顶水平位移变化较大，增长较快，每天的监测点位移都以2～3mm的速度增加。其中JK8的累计位移量最大值达22．82mm。

3）第三阶段是从4月3日至5月30日 这一阶段是第2，3道锚杆施工阶段。由于锚杆的约束作用，位移得到很好的控制，因此这一阶段的位移增长曲线平缓下来，由此可见锚杆对于控制桩顶位移起着至关重要的作用，这也是现在基坑支护中大多采用桩锚支护的原因。

4）第四阶段是在5月30日以后 这一阶段第3道锚杆已张拉完毕，基坑开挖也已完工。在这个过程中，由于锚杆的约束作用，加上土体卸荷已基本完成，土压力基本达到稳固状态，因此桩顶水平位移逐渐趋于稳定。

由此可看出，桩顶水平位移的变化与基坑开挖深度、开挖速度、锚杆张拉及张拉时间等因素有很大关系。由分析可知，开挖深度越大、开挖速度越快且没有锚杆张拉的情况下，桩顶水平位移随时间变化就越快，但在设置锚杆的情况下，会大大缩减桩顶水平位移的变化量。因此在基坑开挖过程中应做好锚杆张拉工作，减少桩顶水平位移的变化量。

4.2 土体深层水平位移监测和分析

本文选取 CX1、CX4、CX5、CX6共4个测斜孔进行研究。随着基坑开挖，位移量缓慢增加，在开挖至设计深度后，土体变形达到最大值，并在后期基本趋于稳定。测斜日变化量报警值3mm／d，累计报警值60mm，由土体深层水平位移曲线可知，CX1、CX4、CX5、CX6的测斜日变化量和累计变化量都在标准要求之内。其中4月11日CX1位移表现出明显的负值，方向朝基坑外位移，或是因为基坑刚开始开挖造成土体突然的附加沉降引起。在土体开挖初期，水平位移曲线沿深度方向近似呈直线变化，且位移较小，桩顶位移大，底部位移小。随着开挖深度的增加，在锚杆未完全张拉之前，土体位移变化较快，但桩顶位移变化最大，最小位移发生在基坑底部。随着锚杆施工完毕，土体位移变化慢慢减小，在土体和锚杆的共同作用下，土体位移变化不再显著增加，经过后期的沉降作用，土体位移趋于稳定。该检测结果及其表现出来的规律趋势很好地反映了施工过程中基坑开挖和锚杆张拉对土体深层水平位移的影响。

5 最小二乘法拟合基坑位移监测数据

已知离散数据（xi，yi），i＝0，1，2，．．．，m，如果拟合的函数是f（x），将xi代入这个拟合函数得到函数值yi*＝f（xi），因为 yi的具有不准确性，所以在每一点都会产生1个误差：δi＝yi*－＝f（xi）－i＝0，1，2，．．．，m．所求的 f（x），是使其在每一个 xi处所产生的误差δi的绝对值｜δi｜都能达到最小。但是这样太困难，所以考虑整体误＝，使整体误差达到最小。

用这种方法得到拟合曲线 y＝f（x）的方法，就称之为曲线拟合的最小二乘法。按照上述思想求f（x）的拟合曲线，首先需要确定的是 f（x）所属的函数类别，然后再进一步求出具体函数。

5.1 多项式进行监测数据拟合

用多项式进行监测数据拟合，以5月17日CX6测点为例，进行土体深层水平位移随深度变化数据的拟合。通过现场数据，得到的监测结果如表1所示。

通过数据拟合，得到的拟合函数为：s＝13．19－0．73z－0．0085z2，由所得的拟合函数和实测数据作图，如图3所示。

图3 实测数据与拟合函数曲线

由图3可看出拟合函数和实测数据得到的趋势几乎一样，这说明数据拟合是符合的。从图3中可看到在开挖初期和中期出现了一定偏差。在开挖初期由于桩锚未及时支护，又恰逢降雨降雪，所以在这段时期的实际位移监测值比理论值偏大。在开挖中期，由于锚杆的及时张拉使基坑位移的速度减缓，所以在这一阶段基坑位移的实际监测值小于理论值。后期的基坑位移基本上在可控的范围内。所以，对于基坑开挖，要选择适宜的天气进行，尽量避免雨雪天气施工，并且要及时张拉锚杆，以减小基坑位移带来的安全问题。

5.2 指数函数进行监测数据拟合

以JK1为例进行围护顶水平位移随开挖深度变化数据的拟合。通过现场数据，得到的监测结果如表2所示。

表2 JK1围护顶水平位移监测结果

通过数据拟合，拟合函数为：s＝2．48e0．31z。由所得的拟合函数和实测数据作图，如图4所示。

表1 CX6土体深层水平位移监测结果

图4 实测数据与拟合函数曲线

由图4可看出拟合函数和实测数据得到的趋势几乎一样，这说明数据拟合是符合的，同样可看出围护顶水平位移随开挖深度的增加而变化的规律曲线，实际监测曲线和理论曲线基本一致，但实际监测的位移值都稍大于理论计算的位移值。这是因为在基坑开挖过程中不仅受到天气的影响，而且受施工工艺和施工进度计划安排的干扰使桩锚支护不及时，围护顶水平位移偏差较大。但在后期施工中，由于基坑开挖支护已经完成，所以土体位移逐渐稳定。这说明桩锚支护取得了一定的成果，减小了基坑位移，对于基坑安全起到防护作用。

6 结语

1）基坑支护结构水平位移大多出现在基坑开挖阶段。因此才需对基坑支护桩顶水平位移和土体深层水平位移进行监测，并对其数据进行处理。

2）通过基坑监测数据可看出，在基坑开挖初期，基坑位移变化一般不大，随着基坑开挖深度的增加，位移变化量才逐渐变大，并且开挖速度越快基坑变形也越大。因此，在基坑开挖过程中，需要合理安排施工进度。

3）深层土体水平位移的最大处多发生在基坑表面，最小处发生在基坑坑底处。在基坑开挖初期位移变化较小，随着基坑开挖深度的变化，基坑位移变化较大，但随着锚杆的张拉，对基坑变形起控制作用，应及时张拉锚杆。所以在基坑开挖过程中，开挖速度和张拉锚杆的时间对基坑位移起着很重要的影响。

4）对基坑开挖阶段的水平位移进行数据拟合，得到在开封地区普遍适用性的位移变化规律的公式，对该地区的深基坑开挖具有参考作用。