桩锚支护上土下岩地层深基坑沉降与变形分析

曹程明，时轶磊，龙照*，叶帅华, 王宁

(1.甘肃中建市政工程勘察设计研究院有限公司，兰州 730000；2.中国市政工程西北设计研究院有限公司，兰州 730000；3.兰州理工大学土木工程学院, 兰州 730050)

近年来，随着中国经济的迅猛发展，全国各大中城市均出现了大量超高层建筑以及深大地下综合体的建设项目。各类复杂深基坑工程也随之出现，给岩土工程设计带来了新的机遇与挑战，深基坑围护结构的研究一时也成为岩土领域的重点研究方向[1-2]。此外，由于基坑开挖深度的不断加深以及地层的起伏变化，在基坑工程中出现了大量的上土下岩地层深基坑。与单纯土层深基坑不同，上土下岩地层深基坑存在土岩软硬分界面，上部土层与下部岩层抗剪强度参数差异巨大，采用同一种支护结构势必给施工带来严重的困难并会造成一定的浪费。针对此类基坑更为经济合理的支护结构以及基坑稳定性预测与研究方法亟待解决[3-5]。有关上土下岩地层深基坑工程的理论研究具有一定的滞后性，对于类似基坑工程的支护设计的合理性还存在一系列的问题。因此，有关土岩组合地层深基坑支护结构的研究成为国内学者研究的重点，并已取得一定研究成果[6-8]。

商大勇[9]依据青岛地铁站深基坑工程，对桩锚支护体系下阳角部位地表沉降及周围结构变形进行监测，对基坑岩土体及支护结构的沉降和水平位移变化规律进行了分析。黄敏等[10]采用有限元模拟方法，对土层厚度、锚杆布设、支护桩嵌入岩层的相对深度、岩层组成及开挖方式等不同条件下基坑开挖引起的地表沉降特征进行了计算分析。胡瑞庚等[11]以土岩组合基坑为例，分析了不同土体本构模型对基坑开挖引起支护结构变形进行了对比分析，得出HS(Hardening soil model)、HSS(Hardening soil model with small-strain stiffness)模型更为适合此类基坑的有限元计算。谢锡荣等[12]对大量土岩组合地层深基坑监测数据进行分析，得出基坑最大地表沉降量、水平位移量、基坑影响范围与基坑开挖的关系。

土岩组合地层基坑工程中，其下部岩层强度参数高，整体稳定性好，可据此对支护结构进行优化设计，从而降低基坑支护造价。现结合具体工程实例，在此类基坑支护设计中，上部土层采用桩锚，下部岩层采用坡率法的支护形式。并以沿坡脚45°+φ/2破裂面与支护桩的交点视为支护桩嵌固点进行桩长设计，从而在确保基坑开挖过程中的稳定性的同时，降低支护桩在岩层中的嵌固深度。然后，结合基坑开挖过程中现场监测数据对土岩组合地层深基坑支护结构的变形与受力进行分析，得出土岩组合地层上部桩锚支护下部放坡开挖的受力以及变形规律。最后，采用PLAXIS 3D三维有限元软件建立桩锚支护结构模型，对基坑开挖过程中基坑周边沉降以及基坑水平位移等进行计算，根据有限元计算结果分析土岩组合地层基坑开挖过程中基坑变形以及支护结构受力的变化分布规律。并将现场监测结果与有限元计算结果进行对比分析，以期为今后类似土岩组合地层深基坑支护结构的优化设计提供一定的帮助与指导。

1 深基坑支护设计方案

1.1 工程概况

某地区大型商业建设项目，基坑开挖面积约16 300 m2，基坑最大深度约20.2 m。基坑北侧为环西路与解放路十字路口，场地较平整，基坑边线距离用地红线11.5～12.6 m，距离道路边线3～5 m；西侧为环西路，地下室轮廓线进入道路边线2～4.8 m，基坑边线距离用地红线约8 m，距离小江河河堤7～9 m；基坑南侧为逸群小学，基坑边线距离四层L形教学楼最近距离约5 m，该教学楼为浅基础，基础埋深约2 m。场地内地层分布主要有：杂填土层，红黏土层，强风化白云岩层，中风化白云岩层，基坑基底已进入中风化白云岩，为典型的上土下岩地层深基坑工程。主要对基坑南侧临近教学楼区域基坑支护结构变形与受力情况进行分析研究。确保采用的支护结构可满足基坑开挖过程中基坑稳定以及附近建筑物变形满足相关规定要求。

根据工程场地岩土工程勘察报告并结合当地相关工程经验，基坑开挖深度范围内土层分布及强度参数如表1所示。

表1 岩土体参数表

1.2 基坑支护设计

南侧基坑开挖深度约20.2 m，基坑上口线距离4层教学楼最近位置约为5.0 m，若基坑变形过大将直接引起教学楼的变形，因此支护设计方案应严格控制基坑变形。又由于该区域中风化白云岩埋深约14.1 m，考虑到基岩性质较好，但在岩层中成桩造价高、施工进度慢，为降低支护造价并节省工期，在满足基坑变形、稳定性以及周围建筑物安全要求的前提下，结合本项目地层特点对支护方案进行优化。基坑支护设计过程中，根据计算结果并综合考虑多方案比选，最终确定支护方案如下：上部土层范围采用桩+预应力锚索支护，为尽可能降低锚索成孔及压力注浆对教学楼的影响，第一道锚索设置在地面以下2.8 m位置，且4道锚索倾角均为30°。下部中风化白云岩地层采用放坡开挖，分界面位置设3.0 m宽平台。为有效控制上部桩锚结构的侧移，适当增大支护桩嵌固深度，考虑下部岩体开挖对支护桩嵌固深度的影响，下部岩质边坡按照45°+φ/2潜在滑移面与支护桩交点作为支护桩嵌固点，计算中基坑深度按照该点深度确定，并保证嵌固段长度满足要求。典型支护剖面图如图1所示。

γ为重度

目前该项目主体结构已施工完成，采用上述方案基坑支护效果良好。

2 有限元计算分析

基坑开挖过程是一个三维空间变形问题，为分析基坑开挖过程中上述支护结构变形以及地面沉降情况，从而复核本项目支护设计的合理性，采用PLAXIS 3D有限元软件建立基坑开挖有限元模型，对基坑开挖不同工况进行数值计算，并与现场实测数据进行对比，分析基坑支护设计的合理性。

2.1 本构模型的选择

土层与岩层性质差异巨大，两者本构模型选择的合理与否将直接影响计算结果的真实性。PLAXIS软件提供了多种不同的本构模型。其中HS模型可较好地体现临近建筑物超载情况下，基坑开挖引起的周围地面沉降变化。Mohr-Coulomb model(MC)模型更适用于极限平衡条件下的强度分析。因此，本文基坑有限元模型中上部土层采用HS模型，下部岩层采用MC模型。土与支护结构相互作用采用12节点界面单元模拟。

2.2 有限元模型建立

根据上述工程实例基坑支护方案，建立三维有限元模型如图2所示。所建模型尺寸为：长×宽×高=80 m×10 m×50 m。网格单元划分采用中等，全局比例因子1.0。网格划分后，生成6 466个单元数，12 526个节点。模型中岩土体参数取值见本文中表1。模型沿纵向取10.0 m宽度，既有四层教学楼按60 kPa面荷载等效作用于基坑顶，支护桩采用按等刚度法等效的板单元模拟，板单元参数为：重度γ=25 kN/m3，弹性模量E=5×107kPa，泊松比为0.2。锚索自由段采用点对点锚杆单元模拟，EA=6×106kPa，其中A为材料截面积。锚固段采用嵌入式桩单元模拟：重度γ=24 kN/m3,弹性模量E=5×107kPa，泊松比为0.15。并根据实际开挖顺序设置不同的计算工况。本模型共划分12个计算工况，其中第1工况为初始应力场生成，第2～10工况为分层开挖与施加预应力锚索，第11工况为开挖至岩层顶面，第12工况为基岩层放坡开挖至基底。

图2 有限元计算模型

2.3 监测点的选择

为了方便对有限元计算结果进行分析，且便于同实测监测结果进行对比分析，生成有限元网格之后在模型不同位置设置应力和变形监测点。具体监测点布置如下：沿基坑顶沿远离坑边布置4个监测点C1～C4，水平间距5.0 m。

3 数值计算结果分析

3.1 水平位移分析

考虑到基坑南侧部分区段距离教学楼基础较近，设计按位移控制，最大水平位移限制在20 mm以内。根据有限元计算结果，可得到距离坡顶不同距离处的监测点C1～C4在各计算工况下的水平位移值变化曲线如图3所示，开挖至坑底时基坑整体水平位移云图如图4所示。

图4 基坑开挖至坑底水平位移云图

由图3可知，随着基坑开挖深度的不断加深，不同位置监测点水平位移值均不断增大，但最大位移值相差显著。靠近基坑坡顶位置监测点C1位移增幅最大，开挖至基底时最大水平位移达到20.51 mm，而距离基坑坡顶约15 m位置的监测点C4其水平位移随基坑开挖变化较平缓，最大位移值为7.18 mm。

图3 各计算工况不同位置监测点水平位移

根据不同工况水平位移计算结果可知，各监测点水平位移均呈波动式上升趋势，施加预应力锚索工况的水平位移具有明显的降低现象，表明预应力锚索的施加可有效约束基坑水平位移的增加，达到控制基坑变形的目的，计算结果显示最大水平位移为20.51 mm，可满足设计要求。

由图3中各监测点水平位移的变化趋势可知，开挖上部土层过程中位移增幅明显，开挖岩层过程中位移增量明显减小。监测点C1由12.8 m开挖至20.2 m后，水平位移由19.86 mm增加至20.51 mm，仅增加了0.65 mm，表明上土下岩地层深基坑位移变化规律由传统单一土层基坑差异显著，对类似上土下岩地层深基坑的设计应考虑下部岩层的有利影响。

由图4水平位移分布云图可知，最大水平位移发生在上部土层深度范围内，即使下部岩层未采用支护结构，其水平位移增幅也较小，因此，该支护结构在确保基坑安全的前提下，降低了支护费用。对上土下岩基坑的优化设计具有一定的指导作用。

3.2 坡顶沉降变化分析

根据有限元计算结果，得到监测点C1～C4在不同计算工况下的沉降结果变化曲线如图5所示。由图5可知，随着基坑开挖深度的不断增加，各点位置处的竖向沉降均呈递增趋势变化。其中距离基坑坡顶约5 m位置的C2监测点竖向沉降量最大，开挖至基坑底时最大值为15.78 mm，C1与C3监测点竖向沉降变化规律相近，远离基坑的C4监测点竖向沉降最小，说明在距离基坑坡顶一定范围内竖向沉降呈先增加后减小的变化规律。根据各计算工况沉降变化规律可知，预应力锚索施工对沉降影响不明显。

图5 各计算工况不同位置监测点竖向沉降

3.3 锚索轴力变化分析

根据有限元计算结果，得到基坑不同开挖工况下各道锚索轴力变化情况如图6所示。

由图6可知，基坑开挖过程中，预应力锚索施工后承担部分侧压力，可有效约束基坑变形。随着基坑开挖深度的加深，各道锚索轴力均呈逐渐增大的变化趋势。但随着下部各道锚索的施工，上部锚索的轴力有减小的趋势，并且第二道、第三道锚索施工后，第一道锚索轴力有减小趋势。根据计算结果可知，第三道锚索轴力最大，最大值为167.3 kN·m，主要原因为基坑最大位移发生在该道锚索影响范围内。第四道锚索轴力较小，最大值为128.2 kN·m，主要原因为该道锚索位于基坑底部，距离岩层较近，基坑在该区域位移较小所致。

图6 锚索轴力变化图

4 监测内容及结果分析

为确保基坑开挖过程中基坑支护结构以及基坑坡顶附近建筑物稳定，对基坑支护结构以及基坑变形进行现场监测，在本基坑工程施工中设置了多项监测内容。但为与数值模拟结果进行对比分析，选择基坑局部四层教学楼处的监测点数据，对支护桩深层水平位移、支护桩顶水平位移、基坑周边地面沉降的监测结果进行分析。局部基坑监测点布置平面图如图7所示。

图7 基坑局部监测点布置图

4.1 基坑周边沉降监测分析

根据监测点布置位置，选取距离教学楼较近的W15、W26、C9～C12共6个监测点，对各监测点沉降值随时间变化情况进行分析，得到各监测点沉降变化曲线如图8所示。

由图8沉降变化曲线可知，各监测点沉降值随基坑开挖均呈递增变化，不同位置监测点沉降变化速率以及最大值具有较明显差异。距离基坑顶约5 m位置的监测点C09沉降量最大，基坑开挖至坑底时，最大沉降量达到15.59 mm。说明基坑周边沉降量最大值并不是发生在紧邻坑边位置，而是距离坑边一定距离处。主要原因为预应力锚索属于主动支护，施加预应力后，相当于对基坑表面施加向基坑外侧的力，导致坡面发生向基坑外侧的轻微变形，而远离坡顶的区域由于预应力影响不明显，仍继续向基坑内侧变形，两者相互挤压导致重叠区域沉降减小。因此出现临近坡顶监测点减小的现象。

图8 各监测点地表沉降变化曲线

各监测点沉降变化速率最大发生在基坑上部土层开挖过程中，在开挖至下部岩层后，各监测点沉降量略微浮动，说明影响基坑地表沉降的主要为上部土层，设计计算中应考虑下部岩层的有利影响。

4.2 基坑周边水平位移监测分析

选取距离4层教学楼附近基坑监测点W15、W26、C9、C11共4个监测点，对上述监测点水平位移监测值随基坑开挖变化情况进行分析，得到各监测点水平位移随时间的变化曲线如图9所示。

由图9水平位移变化曲线可知，各监测点水平位移值随时间均呈递增趋势，但不同位置的监测点水平位移变化速率差异明显。监测点W26距离基坑边最近，水平位移变化最显著，开挖至基底时最大位移为18.75 mm，根据位移变化曲线可发现，基坑在基岩层以上的土层内开挖时，水平位移随深度增长迅速，开挖至基岩层后，水平位移增长明显变缓。监测点C09最大水平位移值12.87 mm，该监测点位于4层教学楼位置，根据监测结果基坑施工过程中最大变形量可满足建筑物变形要求，说明采用优化后的支护结构可保证本基坑开挖过程中周围建筑物的变形要求。监测点W15设置于基岩层面上，根据该点水平位移随时间变化曲线可知，在基坑下部岩层开挖过程中，基坑水平位移增加平缓，基坑由12.8 m开挖至20.2 m过程中，监测点W15水平位移仅增加1.38 mm。因此，对于上土下岩基坑，应对其变形进行专门计算研究，从而对支护结构进行一定的优化设计。

图9 各监测点水平位移变化曲线

4.3 支护桩深层水平位监测分析

选择距离教学楼最近的支护桩测斜管在不同施工阶段的监测数据进行分析，得到不同工况下支护桩深层水平位移沿桩身的变化曲线如图10所示。

由图10可知，受锚索作用的影响，各施工阶段桩身水平位移沿深度大致呈先增大后减小的抛物线形分布。随着基坑开挖深度的增加，桩身最大水平位移呈递增变化，且最大值位置逐渐下移。根据本工程监测结果，开挖至基底时桩身最大侧移量为14.3 mm，最大桩身位移发生在上部土层范围内。桩身约14 m深度以下水平位移显著降低。主要原因为该区域基岩面埋深为12.8 m，根据45°+φ/2确定的嵌固点深度大致约为13.5 m，因此桩身位移嵌固点以下显著降低，说明对于上土下岩地层深基坑支护桩的嵌固点按照本文方法确定是合理可行的。

图10 支护桩水平位移沿桩身变化曲线

5 结论

以上土下岩地层深基坑工程为背景，采用三维有限元计算与现场监测数据相结合的方法对基坑开挖施工过程中的基坑变形以及支护结构受力变化规律进行了研究分析，得到如下结论。

(1)对于上土下岩深基坑工程，基坑变形主要受上部土层工程性质控制，在开挖下部岩层过程中，基坑变形发展显著减小。因此，对于上土下岩深基坑工程，设计中可考虑岩层对基坑变形的有利影响。

(2)受基坑围护结构以及锚索的影响，基坑沉降量最大值并未发生在紧邻基坑顶位置，而是发生在距离坡顶一定距离处。

(3)支护桩桩身最大侧移发生在基岩面上方一定土层深度范围内。根据桩身测斜管监测结果可知，按照基底45°+φ/2破裂角确定支护桩嵌固点深度具有一定的合理性。

综合以上分析，对于上土下岩地层深基坑工程，在进行支护结构设计中应考虑下部岩层对基坑稳定性的有利影响，对基坑变形以及支护结构受力进行计算分析，从而可在确保基坑稳定的条件下，对该类基坑的支护结构进行优化设计，从而降低工程造价。