深基坑桩锚支护设计演算及稳定性分析

■ 中铁十八局集团市政工程有限公司 胡朝明

1.工程概况

某深基坑项目开挖面积为61500m2，建筑面积为119200m2。基坑分为北区和南区，北区开挖深度为18.00m，南区开挖深度为10.00m。工程项目场地北、东、南三面临路，建筑红线（支护边线）大部分紧邻道路外边缘。基坑采用桩锚支护结构，从组成部分来讲，主要由挡土构筑物即护坡桩、桩顶冠梁、钢腰梁及锚杆四部分组成[1]，如图1所示。

图1 基坑桩锚支护结构现场图

结合现场勘察资料与取样实验可知，场地第四系覆盖层厚度大于50m，填土层2m～3m，土质不够饱和，密实性较差，在基坑开挖后，由于人工填土的抗剪强度较低且不均匀，透水性强，很容易在地下形成陷穴，导致基坑破壁失稳，发生坍塌事故。因此，在施工过程中要确保支护强度，降低对周围环境的影响。勘测地区各层土的物理力学性质指标如表1所示。

表1 各层土体物理力学参数指标

2.基坑开挖数值分析

2.1 模型的建立

在基坑工程中，支护结构是其中一个最基本的施工流程[2][3]。基坑工程施工周期较短，施工技术先进，但安全性能却较差，投入成本也较高，因此，对基坑支护工程方案进行模拟分析与优化设计十分重要。根据该项目的工程情况，建立三维模型。为优化模型、提高效率，作出如下假定：工程场地内土层分布均匀；地下水位较深，位于开挖面以下，故模拟过程不考虑地下水的影响。依据基坑工程设计资料，考虑建模的合理性，最终模型尺寸为：600m×400m×40m，基坑开挖尺寸为160m×120 m ×18m，模型如图2所示，土层物理力学性质见表1。

图2 数值计算模型

2.2 初始、边界条件

模拟过程中模型侧面的水平限定位移，底面垂直限定位移，顶面无约束；考虑到模型过大，周围集中荷载较小，初始应力主要考虑土层自重引起的压力。

2.3 计算结果分析

（1）桩身位移分析

如图3所示，开挖初期由于没有锚杆的支撑作用，支护结构近似于悬臂桩，呈现出顶部位移较大、沿桩身逐渐减小的特征；在第二、三、四步开挖阶段，侧向土压力不断释放，桩身位移量不断增大，但由于桩锚结构形成的联合作用，桩身位移得到有效控制，最大位移出现在基坑中部，距离桩顶高度为7m～9m的位置。

图3 分步开挖桩身水平位移变化趋势图

（2）锚杆轴力分析

锚杆在不同的开挖阶段呈现出相似的规律，即锚杆沿长度方向轴力的分布明显在两个区域出现不同的特征，其中在自由段长度内，没有受到侧向摩擦力的作用，锚杆轴力保持不变；进入锚固段后，由于存在周围土体的摩擦作用，锚固力开始逐渐减小，如图4所示。

图4 第一排锚杆不同开挖阶段轴力图

3.现场监测分析

3.1 监测方案

基坑工程开挖面积较大，周边环境复杂，存在多条管线，对基坑稳定及变形量控制要求严格。施工期间对基坑影响范围内进行实施监测，最大限度地规避风险，降低工程经济和工期损失，为基坑周边建构筑物提供安全保障服务[4]，基坑监测点分布如图5所示。

3.2 现场监测分析

（1）桩身位移分析

如图6所示，在桩锚支护的土体开挖过程中，桩身沿基坑内部的水平位移量显著增加，当基坑整体开挖支护完成后，桩身水平位移量在逐渐减少，由此说明桩身水平位移在趋于稳定状态。位于桩身高度1/2处的桩身位移最大，最终监测的水平位移量分别达到7.18mm。在曲线图中大约位于桩身高度5m～9m高度处产生最大位移变形，该高度范围正对应于开挖的桩锚支护第二层土体内，说明该区域的土体对桩身产生的挤压力度较大。

上述曲线图与设计计算结果、数值模拟结果相比较，变形特征相似，呈现鱼腹式变形特征，即桩身最大位移发生在桩顶下部一定距离处。

（2）桩锚杆轴力分析

锚杆内力监测点设置在受力较大且有代表性的位置，第二排锚杆的轴力随时间的变化情况如图7所示。

图5 基坑监测布置图

图6 基坑东侧深层水平位移图

图7 锚杆轴力变化图

锚杆的轴力变化通常会经历三个阶段，即先下降、后上升、最终达到稳定状态。下降阶段：由于存在锚杆产生变形、土体结构变化及锚具等方面的影响，会引起预应力的下降，该工程中监测到锚杆轴力下降值在初始值的10%～20%左右；上升阶段：基坑开挖的不断进行，分担到锚杆上的压力会增大，使得锚杆发生一定的变形，进而引起锚杆轴力的增加；稳定阶段：这一阶段锚杆轴力会有一些小的波动，从整个阶段来看锚杆的轴力变化已不显著，说明锚杆与土体之间的作用已基本稳定。

4.结论

深基坑的稳定性分析对象是较为复杂的问题，涉及支护结构的力学计算及围岩变形破坏问题，在分析中需考虑土层的力学性质、水文情况、支护结构的受力与变形、基坑边坡的水平位移和坑底隆起等因素[5]。本文通过研究某深基坑工程的实施，采用等值梁法，结合数值模拟与现场实测数据，得出以下结论：

（1）采用数值模拟分析，基坑开挖初始阶段没有锚杆的支撑作用，支护结构近似于悬臂桩，呈现出顶部位移较大、位移量沿桩身向下逐渐减小的特征；随着开挖实施，侧向土压力不断释放，桩身位移量不断增大，但由于桩锚结构形成的联合作用，桩身位移得到有效控制，最大位移出现在基坑中部位置，这种竖向土层的“拱效应”在现场监测数据也得到验证。

（2）通过现场监测，开挖初始阶段，桩体位移与锚杆轴力发展显著，锚杆逐渐起到锚固作用后，变形与轴力增加速度放缓，直至趋向稳定。对比数值模拟结果与现场监测结果表明桩锚支护的组合形式在该基坑工程中是稳定的、可行的。