软土地基狭长型深基坑支护结构稳定监测与分析

程 林

（天津市北洋水运水利勘察设计研究院有限公司，天津 300452）

引言

随着城市建设的发展，基坑施工的开挖深度越来越深，从最初的5～7 m发展到目前最深已达20 m多。由于地下土体性质、荷载条件、施工环境的复杂性，对在基坑施工过程中引发的土体性状、环境、邻近建筑物、地下设施变化必须加以监测，基坑稳定监测已成了工程建设必不可少的重要环节，在基坑施工过程中起着重要的作用，因基坑支护失稳造成巨大的经济损失和人员伤亡的实例不胜枚举，如1999年珠海祖国广场深基坑支护结构整体失稳、2005年广州海珠广场深基坑坍塌、2006年南京地铁开挖基坑造成居民楼倾斜沉降等重大事故。对于这些复杂的大中型工程或环境要求严格的项目，往往难从以往的经验中得到借鉴，也难以从理论上找到定量分析、预测的方法，这就必定要依赖于施工过程中的现场监测，将理论、经验和监测相结合是指导深基坑工程设计和施工的正确途径。

本文以天津滨海地区软土地基某内支撑狭长基坑为例，根据场地特点合理布置监测断面和监测仪器，实测基坑施工期间各阶段的围护结构和支护结构的变形和力学变化，采用有限元软件Plaxis模拟分析各施工工况的结构响应，并将理论结果与实测结果进行比较，提出基坑支护设计和施工过程中应注意事项，为类似工程的设计提供有益的参考。

1 工程概况

位于天津滨海某主干道下穿地道工程，由主线地道基坑和E、F 匝道基坑三部分组成，主线部分桩号为 K1+122～K1+734，基坑外包总宽度约36.9～62.94 m，匝 道 部 分 桩 号 为 EK0+031～EK0+262 和FK0+539～FK0+304，匝道基坑外包尺寸为10.9～11.7 m。主线部分基坑纵向呈“V”字形，最大开挖深度14.5 m，主线基坑随深度设置1-4 道支撑，围护结构采用重力式挡墙、Φ850SMW 工法桩和钻孔灌注桩形式，均采用明挖顺作法施工。主线深部位置采取场Φ1 000@1 200 钻孔灌注桩围护，桩长20 m，竖向布置一道混凝土支撑和一道钢支撑，设计计算最大支撑轴力1 850 kN。工程场地经过预压处理还属于软土地基，地道结构位于杂填土、淤泥质粉质粘土、淤泥质粘土层中，该基坑沿纵向延伸，属于典型的狭长形基坑，线路东西向均紧邻既有结构物。地道支撑典型支护结构断面如图1 所示，场地土层物理力学参数见表1 所示。

图1 基坑支护结构典型断面示意

表1 场地土层物理力学参数

2 基坑监测与数据分析

根据本工程的基坑支护形式不同，在不同区段布设不同的监测点位，本基坑工程主要监测项目如下：

1）支护桩/墙/边坡顶部水平位移监测；

2）支护桩/墙深层水平位移；

3）支护桩/墙内力监测；

4）混凝土/钢支撑轴力监测。

基坑工程作为一个复杂系统，存在整体受力的情况，但对于狭长型的基坑而言，基坑受力往往表现在局部区段的局部受力状态。在地道“V”底部最深的区域加密布设了墙顶位移监测点、支护墙深层水平位移监测点、支护桩内力监测点、混凝土和钢支撑轴力监测点。

2.1 支撑轴力和桩身内力监测

混凝土支撑轴力监测采用钢筋应力计，在每道水平支撑上的上、下侧各埋设1～2 个应力计。每道监测支撑上布设一组，用于观测支撑的轴力变化情况。混凝土支撑轴力应力计焊接在主筋上，随钢筋绑扎施工布设，之后浇筑在混凝土内。

钢支撑轴力采用轴力计测量，将轴力计直接安装在钢支撑的活动端头，与围护结构的圈梁或围檩紧密接触，并保证竖向连接可靠稳定。

桩内力观测采用钢筋应力计，每组设置对称布置的测头，灌注桩区段，将应力计焊接在钢筋笼内主筋上，以保证钢筋应力计与其保持一致的变形，并垂直支护方向对称布设，用来观测支护结构的竖向应力。桩内力测点竖向布置取为支撑位置处、两道支撑之间、坑底附近，如图2 所示。灌注桩应力计的安装位置见图3 所示。

图2 测点沿桩身竖向布置

图3 灌注桩应力监测点布置示意

2.2 监测结果及分析

在基坑分层开挖施工的各阶段，通过连续的现场施工监测，采集到大量的监测数据，及时反映基坑围护和支撑结构的受力、稳定和安全状况。

1）混凝土支撑应力监测结果

图4 混凝土支撑应力随时间变化曲线

图5 混凝土支撑应力随时间变化曲线

从典型应力监测曲线图来看，支撑应力监测变化趋势与基坑开挖工况基本一致，在监测区段进行大开挖期间，相关支撑轴力有较好的相关性反应，应力值会存在一个明显的发展阶段，当开挖完成且支撑受力稳定后，监测点应力处于一个相对的稳定水平。比较一定开挖区域的几处监测数据，可以发现应力水平均较低，最大应力均不超过钢筋设计应力的20 %，第一道混凝土支撑在纵横向具有较强的平面内刚度，在竖直方向有钢格构柱支撑连接亦存在很强的平面外刚度，支撑两端均与围护结构冠梁整体连接，整个第一道混凝土支撑表现出很好的整体受力性能，各混凝土支撑轴力都呈现“增长-缓变-稳定”的变化趋势。

2）钢支撑轴力监测结果

本工程一期基坑K1+254～K1+367 段在基坑开挖一定深度后增设第二道钢支撑，现场监测共布置6 个钢支撑轴力监测点，对施工期钢支撑轴力进行实时监测曲线见图6 所示。从监测数据来看，钢支撑在施工期存在的有效时间很短，在整个施工期所监测点位的轴力值均不大于750 kN，远低于设计计算理论值。

图6 钢支撑轴力监测变化曲线

3）支护桩内力监测结果

监测数据的统计分析可知：桩体应力换算的悬臂构件弯矩在设计预警容许范围内，不同深度的截面应力与数值模型的理论应力在趋势上较为吻合，且应力水平在开挖完成后处于较为稳定状态。

图7 工法桩不同深度应力随时间变化曲线

图8 灌注桩不同深度应力随时间变化曲线

比较两类围护桩在不同深度的应力统计结果，桩身在开挖施工后均表现出截面受弯应力，桩身靠基坑侧存在压应力，坑外侧存在拉应力，安装在同一深度位于截面两侧的应力计监测值很好了反映出这一受力特点。但从应力幅值和应力发张情况来看，各断面的应力幅值并不是很大，越靠近冠梁处应力水平越低，在基坑开挖标高左右处表现应力较其他点位大，说明围护桩实际受力模型仍然近似于悬臂构件，但应力水平较悬臂构件偏小。同时可以发现，各点位应力水平均在较短时间内达到一定的强度后基本处于稳定无变化水平，说明桩体的受力安全储备较大，基坑在后期变形和其它力作用情况下的对桩体的影响相对较小。

4）支护桩深层水平位移监测结果

围护墙及墙外土体深层水平位移反映墙体随基坑开挖深度不同，土体对墙体的侧向作用，通过对各测斜监测点水平位移数据分析，围护墙水平位移随基坑开挖而逐渐增大，位移最大值多出现在基坑底标高处并达到稳定。

从典型测点的土体水平位移曲线来看，随着施工作业时间的进行和坑外施工机械的作用，靠近围护结构外侧一定范围内土体侧向挤压一直存在，土体对围护桩存在一定在侧向作用，但这种侧向作用并未对桩体造成明显的不利作用。

图9 围护结构深层水平位移典型监测曲线

3 有限元数值模拟分析

3.1 计算模型的选择

基坑在开挖过程中，支护结构实际上经历复杂的加荷、卸荷应力路径，摩尔库伦模型较好的反应了土体的破坏行为，但不能很好的表现土体破坏前的变形行为，无法考虑应力历史的影响和区分加荷、卸荷情况。本工程基坑狭长，基坑整体空间效应对围护结构影响较小，采取局部典型长度单元进行分析是一种可取的方法，在模型计算中忽略结构的几何非线性情况。土体的本构取HSS 模型，采用15 节点三角形单元模拟土体，用板单元模拟支护桩结构，横向支撑看作弹性杆单元，在围护结构和基坑底部附近进行网格加密。土体的计算深度取基坑开挖深度的2.5 倍，计算宽度自开挖边界向外取开挖深度的2 倍。模型左右两侧X向水平约束，底部水平和竖向约束。考虑施工工程中地面超载因素影响，取设计值50 kPa 计算，作用在距基坑外3 m 外，宽度为5 m。设置计算工况见表2 所示。

图10 平面有限元模型网格

表2 模拟基坑施工工况

3.2 计算结果分析

数值模拟选取基坑最深处标准断面（本文取K1+385 处）进行计算，围护桩长和支撑结构的材料参数均以设计参数作为输入，在硬化模型中土体三周排水试验的割线刚度Eref50、固结试验的剪切刚度Erefoed和卸载再加荷刚度Erefur参考相关文献取值。模拟分析结果与实测结果进行对比如表3 所示。

表3 标准段实测结果与分析结果比较（K1+385 处）

对选取的典型断面模拟分析结果来看，在不同的工况下围护结构的冠梁顶部水平位移并不大，数值模拟结果最大值仅为5.08 mm，而基坑开挖完成后实际观测的位移值为7.22 mm；第一道混凝土水平支撑的轴力随开挖深度的增大在不断增大，有限元计算模拟的结果最大值为1 399.8 kN，对应断面通过应力计监测换算的轴力达到3 014.4 kN，远大于设计给定的预警值，而第二道钢支撑的实测轴力远小于设计提供的计算轴力。通过将计算结果与实测结果进行比较分析，二者还是存在一定的差异。通过比较分析，认为产生这些差异可能因素如下：

1）数值模型是对实际结构采取一定的简化和假设处理，在边界条件和材料参数取值存在一定的差异；

2）现场施工工序的不同，如施工顺序、开挖速度、开挖层厚度、降水处理等，均会对结构的稳定和变形发展产生影响；

3）现场分层开挖中第二道支撑是在第一层开挖完成后边挖边撑过程中穿插进行的，支撑间距和位置存在一定的偏差，改变结构整体受力形式；

4）实际调查发现，部分钢支撑端头的围檩未按要求保证与围护墙体的面接触，多数情况下出现单根围檩呈虚支承或多点支承连续梁受力模式，支撑和围护墙未形成整体受力；

5）基坑开挖范围进行水泥搅拌桩格栅加固，一定程度上改善了土体的结构提高了抗滑移能力。

4 结语

本文针对滨海地区软土地基狭长深基坑支护结构的稳定监测过程和监测结果，采用有限元对典型断面进行了数值模拟，实测结果和模拟结果存在一定的差异，结合实际情况，对类似工程的支护结构设计、施工和监测提出以下建议：

1）狭长型深基坑的支护结构受力表现出局部受力的特性，选择桩型支护有利于基坑的整体稳定和变形协调；

2）基坑开挖时，围护结构的最大侧移大致位于开挖面附近，随着深度的增大逐渐下移，实测和计算结果反映的变形曲线形式和趋势是一致的，但数值上存在差异。建议当开挖至坑底后及时施工垫层和底板，防止变形的扩大和发展；

3）基坑开挖施工的不确定性较大，因地制宜加强支护结构的安全系数是保障基坑安全的重要控制点；

4）加强基坑监测，尤其是软土地基基坑，实时掌握支护结构的变形和受力变化情况，做到实时预警，同时加强工程参建单位尤其是施工单位人员对监测工作的重视是非常必要的。