喀斯特地质深基坑支护结构水平位移监测数据分析及模拟

李罡烨 季永新 杨 成

中国建筑第四工程局有限公司

1 引言

喀斯特岩溶区深基坑支护体系普遍采用锚拉桩支护体系，从已有研究资料显示，喀斯特岩溶区深基坑支护体系的监测理论研究较少，本文依托深度超50米的贵阳市星云家电城深基坑进行研究，制定适合于喀斯特岩溶区深基坑锚拉桩支护体系设计方法。深基坑变形主要包括支护结构的变形及基坑周边岩土体的变形等几个方面，在进行基坑开挖时，由于坑内土体被挖除，基坑支护结构两测出现压力差，坑外土体发生向坑内方向的变形，同时使得支护结构向坑内发生变形移动。目前对深基坑水平位移变形主要通过实际监测进行研究，分析监测数据，但是，影响基坑变形的因素较多，各工程的实际变形情况也不尽相同，不能以精确的经验公式得到结论。到了21世纪后，大量地下工程、高层以及超高层建筑的出现，人们对基坑工程的研究越来越重视，并为此投入了大量的精力，同时得到大量新的理论和经验，为深基坑工程的设计和施工提供了宝贵的工程依据。

2 工程概况

贵阳恒丰中心深基坑工程位于贵阳市一环路内河滨公园附近，西向临近城市道路花溪大道北段、南向临近瑞花巷及瑞花广场、东向临近城市道路瑞金南路、北向临近贵州省总工会及拟建道路。该项目所在场地拟建7栋单体建筑，最高一栋共80层，该项目所在场地按建设需要划分为三个地块，基坑支护体系设计针对地块一G（13）74 地块拟西北角基坑边坡，该位置西邻花溪大道北段，基坑开挖后将形成24m的基坑边坡，地块二G（13）75地块基坑开挖后北侧将形成高度为34.3m~38.3m的深基坑边坡，基坑南侧将形成高度为27.5m~30.4m 的基坑边坡。贵阳恒丰中心深基坑工程场地位于贵阳市向斜北部、五里关背斜东侧、图云关断层西侧，下伏地层为中风化白云岩地层，呈单斜缓倾构造，地层岩性为厚层白云岩夹溶塌角砾岩，场区岩体节理较发育，岩体较破碎。场地岩土构成自上而下依次为第四系人工杂填土、残积红黏土，下伏基岩为三叠系下统安顺组中厚层状白云岩。

3 抗滑桩顶位移及深层水平位移分析

3.1 抗滑桩顶位移分析

抗滑桩桩顶及冠梁的水平位移将列举水平位移监测点1#~3#进行时间-位移曲线图分析。其时间位移曲线图数据分别如图2、图3和图4所示。

实际监测显示，在基坑开挖阶段抗滑桩桩顶的水平位移出现向基坑内侧移动的趋势，且位移变形趋势较明显，其中图2所示的桩顶水平位移变形较小，1#水平位移监测点最大累计位移约为15.7mm，基坑开挖阶段结束后，抗滑桩侧移趋于平缓；图3所示2#水平位移监测点最大累计侧移量约为28.5mm，同样在基坑开挖阶段结束后，抗滑桩侧移量不再增加；图4所示3#水平位移监测点最大累计侧移量约为25.7mm。综上所示，在基坑开挖阶段，抗滑桩向基坑方向有侧移的趋势，当基坑开挖阶段结束后，抗滑桩水平变形趋势逐渐趋于平稳，基坑施工结束后，水平变形基本稳定。

图2 抗滑桩桩顶1#监测点时间—位移及速率—时间曲线图

图3 抗滑桩桩顶2#监测点时间—位移及速率—时间曲线图

表1所示为深基坑开挖下支护结构抗滑桩桩顶及冠梁的水平位移与警戒值、控制值的对比。从现场监测情况及监测数据进行分析，随着基坑开挖深度的增加，在土压力作用下，抗滑桩桩顶向基坑临空侧的水平变形量也持续增加，但是并未超出警戒值与控制值。从上述数据分析中可以看出，深基坑边坡采取抗滑桩、冠梁及锚杆等支护结构可以控制基坑边坡的水平变形量，对基坑水平位移起到了较好的控制作用，保证了边坡及周围环境的安全和稳定。

表1 不同开挖深度下抗滑桩桩顶水平位移与警戒值、控制值对比

3.2 深层水平位移分析

项目选取较典型的测斜孔2#和3#对基坑支护结构的深层水平位移进行分析。贵阳恒丰中心深基坑的开挖方式采取分层开挖的施工开挖方式，在开挖施工前先进行降水，待地下水位降到设计要求即开挖面下1.5m以下时再进行土方开挖，开挖顺序为先挖中槽再挖两边。

图5、图6分别为2#和3#在深基坑施工过程中监测抗滑桩迎土面岩土体在不同深度的深层水平的位移变化情况。从以下图可以看出，在基坑施工开挖初期，深层岩土体水平变形量较小，基坑边坡岩土体开始呈现出中间位移量大两头位移量小的“鼓肚”现象，但是由于总位移量较小，“鼓肚”现象并不明显，位移最大处为2.5mm；继续开挖至坑底，随着基坑开挖深度的增大，支护结构受到的侧向土压力也将增大，将支护结构向基坑内侧变形，深层岩土体水平位移曲线呈现出明显的“鼓肚”现象，测量仪器显示，2#监测点最大位移约为20mm，3#监测点最大位移约为21mm，均出现在中间位置。

图5 2#监测点的深度—位移曲线图

图6 3#监测点的深度—位移曲线图

表2所示为2#监测点和3#监测点深层土体测斜孔数据随开挖深度增加其最大水平位移量的控制值和警戒值的对比。上述曲线图反映了基坑在开挖施工时其最大深层水平位移变化值均小于警戒值，且最大水平位移均小于控制值0.25%H。深层水平位移监测数据反映出贵阳恒丰中心深基坑支护结构形式对深层水平位移的控制起到了良好的效果，有效地控制了深层水平位移的增长，提高了基坑施工的稳定性及安全性。因此，可以考虑通过监测数据，采取更经济的支护形式和施工方案保证基坑施工安全。

表2 不同开挖深度下2#、3#监测点的最大深层水平位移与警戒值、控制值对比

4 深基坑开挖引起的土体水平位移模拟分析

4.1 无支护结构深基坑开挖引起的水平变形分析

在对基坑进行开挖时，由于坑内土体被挖除，在水平方向上，由于开挖卸荷作用，支护结构坑内方向失去土压力，基坑支护结构两测出现压力差，在坑外土压力作用下，支护结构向坑内凌空侧水平移动；在竖直方向上，坑底岩土体就会产生向上的位移，开挖底面土体向上隆起，并进一步导致基坑周围岩土体发生向坑内方向移动，同时导致基坑周围地面一定范围内也产生沉降。

随着基坑施工开挖深度的增加，基坑边坡的水平位移逐渐增大，当基坑开挖到一定深度时，基坑临空侧边坡的水平位移逐渐呈现出两端水平位移较小，中间水平位移较大的趋势，即沿深度方向的“鼓肚”现象，无支护结构的基坑顶部水平位移均不满足设计要求的30mm限值。为了控制基坑的变形，对基坑边坡进行了加固处理，采用排桩+预应力锚索支护结构，数值模拟分析结果显示，当支护结构及基坑周围岩土体发生变形，支护结构和边坡岩土体的内力同时也将发生变化，直至达到新的平衡时，变形即停止，从而达到减小位移的目的。

图7 基坑边坡沿深度方向“鼓肚”现象

从图7可以看出，基坑开挖地产生了“空间效应”，基坑工程的空间效应是指一个三维的空间结构，基坑支护结构及边坡土体受力、变形情况与基坑的平面形状、尺寸、支护结构形式以及地层条件等有着紧密联系。同时，基坑角部的岩土体与其相邻部位的土体的变形有着明显的差别。分析表明，基坑中的阴角的土体，因受到垂直方向土体的约束，阴角的土体变形明显变小。阴角对基坑变形的约束与基坑阴角度的大小有着直接关系，当基坑阴角角度较小时，对基坑变形的约束作用明显；当角度很大且趋近于180°时，其约束作用越小，当达到180°时，垂直方向的土体就不再对基坑土体起到约束作用。此外，对于基坑中的阳角则需特别注意，在阳角部位土体的稳定性相较于基坑其他部位则明显变差，土体变形也会产生较大变化，必须引起高度重视并注意对这些部位加强监测。

4.2 进行支护的深基坑开挖引起的水平变形分析

基坑开挖完其支护结构的最终水平位移云图如图8-图9所示。随着基坑开挖深度的增加，支护结构的水平变形也随之增大，直至开挖施工结束时，支护结构的水平位移沿深度方向呈现出中间水平位移较大，两端位移较小的趋势，基坑边坡表现出“鼓肚”现象，中间土体最大水平位移为28.8mm左右。

图8 基坑开挖后冠梁X方向水平位移云图

图9 基坑开挖后冠梁Y方向水平位移云图

对支护后的基坑工程进行三维数值模拟，分析结果表明，开挖后的基坑水平方向变形存在明显的“空间效应”，基坑阴角受到垂直方向土体及支护结构的约束，变形较小，在基坑不同部位的变形有着明显的差异，影响基坑变形的重要因素主要为基坑工程的地质条件、基坑平面形状的不规则、施工的方法等因素。

综合上诉分析，基坑的变形模式是受多种因素制约的，其中场地地质条件对其有重要影响，依托工程场地地质为喀斯特地质，岩土体物理力学参数较好，对基坑变形控制起到一定的作用，整体上来说是处于稳定的状态，且变形符合相应的规律。

5 结束语

通过对贵阳恒丰中心喀斯特地质深基坑监测数据与数值模拟计算结果进行对比分析，对基坑一些关键部位进行重点控制，如高边坡、边坡阳角等采取加固措施控制其变形，保证基坑施工的安全及稳定。将现场监测数据和数值模拟计算结果进行对比分析得出，两者变形的趋势及规律是相一致的，证明喀斯特地质条件下的基坑开挖后的岩土体及支护结构等的水平变形情况能够通过监测数据和数值模拟计算真实反映，具有一定指导和理论研究意义。