桩锚支护体系基坑变形特性分析

文｜州省水利水电勘测设计研究院有限公司 向章波 李凯

1 引言

随着经济的发展，国家大兴土木建设，地下室工程增多， 基坑工程也大大增加，带来了很好的经济效益。另一方面，它也带来了很大的挑战，如周围岩土体、支护系统本身失稳，以及引起的变形、地表沉陷等。

桩锚支护体系是常用的支护形式，其设计原理是一定要达到极限状态正常使用和承载能力极限状态。承载力极限状态是指支撑的主体结构体系自身承载力不足，满足不了受力需要。正常使用状态包括岩土体滑动变形、倾斜等。故基坑监测尤为重要，通过监测分析基坑在开挖及支护过程中的变形特性，掌握支护体系及土体的变形情况，若出现问题及时反馈，便于信息化动态设计。

图1 设计剖面图

2 工程概况

本工程基坑安全等级为一级，面积约10000平方米，周长约400米，地下室两层，开挖深度8.4～12.7米，为复合基坑支护型式。场地岩土层上部为第四系人工填土层、第四系冲洪积层及残积土层组成，下部为泥质砂岩。场地内各土层简述如下：

2.1 覆盖层

第四系人工填土层：杂色，松散，稍湿，主要由粘土、砂土、碎石块及混凝土组成；冲洪积层：深灰色，流塑～软塑，饱和，局部含腐殖质且具腐臭味，部分钻孔含淤泥质土及贝壳类物质。粉质粘土：浅红色，可塑，局部硬塑-坚硬，稍湿，岩芯呈土柱状，为泥质砂岩风化残积土，标贯范平均值为24击。

2.2 基岩

基岩为泥质砂岩，棕红色，泥质结构，岩石风化严重，节理裂隙发育，岩芯呈短柱状或块状，局部钻孔岩芯遇水易软化。弱风化抗压强度为22.83 MPa。

考虑到基坑周围环境的影响，地形和地质的深度等，开挖深度8.4～12.7m，本基坑主要采用桩锚体系的支护型式，桩锚支护主要由Ф800@1000钻孔桩和两排5×7Ф5预应力锚索组成，钻孔桩桩长17米，第一排锚索长约32米，第二排锚索长约24米。其剖面示意图如图1所示。

3 变形特性分析

3.1 监测布置

为监测基坑变形，将水平位移监测点布置在桩顶冠梁处，总共18个点；周边的地表沉降设置监测点，共42个；桩身水平位移变形监测点，共12个；本文仅以基坑东南角分析，监测点布置如图2所示。本工程报警值为25mm，位移最大速率控制值≤2mm/d，位移控制值为43mm。若发现数据异常，应立即报告，参加各方共同讨论并提出解决方案，确保基坑边坡的安全稳定。

3.2 冠梁水平位移

在侧向土压力的作用下，桩产生变形，从某种程度上来说，冠梁的水平位移可以反应桩顶的水平位移。取冠梁上的W3、W4、W5、W6四个点的监测数据进行分析，冠梁水平位移曲线如图3所示。

图2 基坑监测点平面布置图

图3 冠梁水平位移变化图

由图3可知，总体来说，冠梁的水平位移随着开挖时间的进行而不断增大。在第一步开挖阶段，水平位移增长幅值较快，这是因为工程起初，工期较紧，挖方量较大，导致土体卸荷较迅速，是冠梁的水平位移增大的较快。最大位移增量为5mm。随后第一排锚索预应力施加完成，可以看出在第10～16天范围内，冠梁的水平位移增量较小，基本趋于稳定。且W3点还出现了一定的回弹现象，这些都是由于锚索张拉施加预应力导致的。在第16～25天范围内先后进行了第二级开挖和施加第二排锚索，可以看出，开挖至第二排锚索阶段，冠梁水平位移增长幅值不大，这是由于前期开挖已经释放了大部分应力。第二排锚索对位移的限制作用也不是那么明显。在第26～36天范围内，由第二排锚索的位置开挖至基坑底部，可以看出，该阶段冠梁的水平位移增长幅值大、速率快。分析其原因为，第二排锚索至坑底深度较大，开挖此范围内的岩土体使应力释放量较大，侧向土体应力对桩的挤压作用越明显，因此是冠梁的水平位移增加得越快。在第40天～第48天范围内，底板开始浇筑，随着地下结构的施工和土体的回弹，该阶段支护结构的水平位移趋于平缓，变化较小。

由图3还可以看出，对比四个点的水平位移，W5、W6两点的水平位移增加的幅值和速率都较W3、W4两点大，初步分析原因可能为W5、W6两点附近为工程车运输道附近，循环的荷载对附近岩土体的位移场有影响，增大了敏感性，使其在开挖作用下水平位移增加得大。

3.3 桩身水平位移

随着开挖支护结构进行在侧向土压力的作用下，产生地基变形，当变形和位移值超过某一范围，支护结构将会失稳破坏。下面以Z10点处桩身的水平位移为例，分析整个支护结构在开挖各阶段的位移变化图。Z10点处桩身的水平位移变化如图4所示。

由图4可以看出，桩身的水平位移随深度变化呈现一定的规律。随着开挖时间的增加，土体水平挤压力向下移，故桩身水平最大位移的位置也相应下移，最大值并未出现在桩顶处，而是出现在距桩顶9m的地方。最终基坑最大水平位移值达到16mm。

由图4分析可知，桩身变形大致呈S型，第一排锚索很好的限制了桩顶的位移，由于土压力的作用，在开挖深度的一半位置处水平推力较大，故变形也较大。第二排锚索张拉后，水平位移得到了很好的控制，桩身变形在规范允许范围内，基坑较稳定。

3.4 锚索轴力

锚索在张拉后，由于在开挖作用下，其轴力会发生变化。下面以第一排锚索S1、S2、S3、S4四个点的轴力数据变化作为对象进行分析，设计轴力为500kN。由于在施工阶段的第8天第一排锚索的预应力才施加上，因此从第8天开始分析。四个点锚索的轴力随时间变化如图5所示。

由图5分析可知，随着开挖的进行，锚索轴力的变化大致可以分为三个阶段：第一个阶段为第8～14天，锚索轴力迅速降低阶段；第二个阶段为第14～25天，锚轴向力上升阶段；用于26～48天第三阶段，锚定拉伸力趋稳阶段。

根据由力锚轴向力曲线和迅速降低阶的情况下，原因如下各阶段分析：

（1）在第一阶段，第8天锚索张拉完成，此后几天内，锚索轴力迅速下降，轴力损失达50kN。应力出现卸荷现象，该阶段内土体产生松弛蠕变，土体发生应力集中和消散，锚索的预应力得以损失。此外，损失的轴力值还与锚索材料、张拉方式等有关。

（2）在第二阶段，基坑内土体大量开挖，开挖至第二排锚索位置处。该阶段土体卸荷速度快，使基坑周围的土体对支护体系的侧向压力增大，导致桩身向基坑内部倾斜变形，从而使锚索得到进一步张拉，因此其轴力增长迅速，增加至485kN左右。也正是由于该阶段，使锚索的作用得以充分的发挥，限制了岩土体的位移，因此，在位移场方面，才使得第14～25天范围内的位移值增加的较小，充分保证了基坑的稳定性。

图4 桩身水平位移变化图

图5 锚索轴力变化图

（3）在第三阶段，第二排锚索张拉完成，开挖第二排锚索以下的岩土体直至基坑底部。该阶段第一排锚索的轴力较平稳，虽然继续开挖增大了侧向土压力，使桩的变形量增大，但是，由于第二排锚索的预应力作用，分担了第一排锚索的轴力，因此第一排锚索在轴力值方面才体现的比较稳定。当进入后续底板浇筑和结构施做使，锚索的轴力也基本不会发生变化。

锚索轴力变化最大为50kN，变化值较稳定，且锚索轴力的实际变化与理论分析吻合。

3.5 地表沉降变形

周边环境的监测显得更为重要，本文将基坑顶部沉降随开挖时步变化的过程绘成曲线如下图6所示。

由图6知，在第一步以及第二步开挖工况下，这是由于开挖卸荷的作用，坡顶处的竖向位移有向上反弹现象，且由于坑底的土体有回弹量，在回弹的过程中产生一个对桩向上的摩擦力，使桩有一定的抬升。随着开挖，边坡表面增加的幅度和范围后定居。由于预支护支护桩，有效降低了结算支坡土壤表面附近，混凝土表面本身具有一定的粘结强度和抗弯刚度，两者共同支持的土壤表面，他起到了支撑作用附近的斜坡。因此，全面解决了“勺”型变形的问题，最大沉降不是在坡顶，而是在距离坑壁6.2m处。第二步至第三步过程，地表沉降增量较大，分析原因为该过程开挖土体方量较大，导致地表沉降量也较大。最后一步开挖后，地面沉降达最大值，为16.03mm。

为了对比数值模拟结果与监测数据是否吻合，图7绘制出了利用ABAQUS有限元数值模拟手段分析得出的最后一步开挖后，岩土体的竖向位移云图。

由上图可知，对于地表沉降而言，桩后地表沉降确实呈现为“勺”型，最大沉降量为15.6mm，位于桩后约5m的位置。而实际监测的结果是，最大位移为16.03mm，位于桩后6.2m处，与模拟结果基本吻合。由此可见，运用ABAQUS有限元数值软件对桩锚支护体系基坑的模拟具有一定的可靠性，模拟结果与实际监测结果吻合。

4 结论

（1）本文通过对桩锚支护体系下基坑施工过程中的监测得出，冠梁水平位移在开挖后迅速增加，锚索施加后位移得到控制。水平位移与开挖高度呈正相关，与锚索施加的时效呈负相关。

（2）桩身水平位移呈S型曲线，由于第一排锚索作用，最大位移并不是出现在桩顶处，而是在基坑开挖深度的1/2处。锚索张拉前，桩体水平位移增长较快；张拉后，位移变化幅度小且稳定。

图6 开挖结束后岩土体竖向位移云图

（3）锚索应力损失是因为土体产生松弛蠕变，发生了应力集中和消散。随着土体大量开挖，支护体系要限制土体位移，故锚索轴力迅速增加。最后一排开挖时，第二排锚索分担了第一排的轴力，故第一排锚索轴力趋于平稳。

（4）地表沉降呈漏斗形，沉降最大处并不是桩顶处，而是水平距离为2/3倍基坑深度处。开挖时，地表沉降增加较快。通过最后一步的开挖分析，验证了利用数值模拟手动分析基坑的变形特性和实际监测数据基本吻合。

图7 地表沉降变化曲线图