多监测指标耦合的软土地区深基坑安全性综合分析

袁 畅，宋 雁，李慧生，蓝天助，罗汉林

（1.广东省北斗应用与防灾减灾工程技术研究中心，广东 深圳 518000；2.深圳市世和安全技术咨询有限公司，广东 深圳 518000；3.广西交科集团有限公司，广西 南宁 530000；4.广州市建筑科学研究院集团有限公司，广东 广州 510000）

0 引言

支撑梁轴力是桩撑支护体系的重要监测指标，由于基坑施工边界的复杂性以及存在非荷载因素的影响，支撑结构轴力的实测值与设计值存在较大差异[1-3]。在软土地区监测中经常遇到轴力监测数据报警且预警时间较早的情况，结合其他指标监测数据和日常现场巡查进行综合分析后，工程各方往往对监测单位的轴力报警数据存在疑惑。以上情况给后续施工进度带来影响，同时也给政府监督部门风险管控带来挑战。

刘雄鹰等[4]通过钢筋应力计和混凝土应变计分别对支撑轴力进行监测，总结了两种轴力监测传感器的差异影响因素。金生吉等[5]通过某基坑轴力监测值与Midas数值模拟值进行比较，分析了两者差异的影响因素。吴连祥等[6]剔除混凝土收缩、徐变对支撑实测轴力的影响，综合判断支护结构的工作状态。刘建军等[7]认为温度、混凝土徐变、偏心荷载是影响轴力监测值的主要因素。楼岱等[8]通过理论分析、数值模拟和工程实践总结了不同工况的轴力监测传感器布设方式。肖振烨等[9]考虑非荷载因素对钢筋混凝土支撑应变进行了修正，进而修正了轴力监测值。李兆源[10]根据混凝土设计规范提出了混凝土支撑梁的轴力值计算新方法，新方法的计算值较原监测方法计算值相比减小约50%。以上研究主要针对影响轴力监测值的因素开展了大量工作，但都只是针对轴力值进行孤立研究，未通过多指标耦合性分析来判断轴力监测值的合理性。本文将轴力报警值与其他指标监测值进行耦合分析，结合现场巡查情况，综合判断基坑安全性。

1 工程概况

佳景美食广场基坑支护工程项目位于珠海市横琴中心沟，横琴新家园小区北侧，共建3层地下室。基坑支护开挖深度为14.10m，支护长度约520.30m，面积约为13646.8m2。珠海横琴地区基坑开挖涉及主要土层为人工填土和淤泥，具体土层分布和参数见表1。地下水主要属潜水，根据其赋存方式分为：一是第四系土层孔隙潜水；二是基岩裂隙潜水，潜水稳定水面埋藏深度介于0.00～0.80米之间，粗砂层（2-4）和粗砂层（2-5）为承压含水层。

表1 支护岩土层物理及力学参数

该基坑工程安全等级为一级，采用放坡+支护桩+内支撑的支护方式，并在桩间设置单管旋喷桩、水泥搅拌桩的整体止水的支护方案。支护桩采用Φ1200@1400的钻孔灌注桩，冠梁截面尺寸为1400mm×1000mm，第一道内支撑截面尺寸为1000mm×1000mm，第二道内支撑截面尺寸为1200mm×1000mm，基坑支护具体参数见图1剖面图。

图1 支护典型剖面图Fig.1 Typical section of support

2 支撑梁轴力监测数据分析

本基坑全区域于2020年7月23日开挖到底。第一道支撑梁轴力监测于2019年11月22日采初值，1-ZL8、1-ZL13于2020年1月29日开始报警；第二道支撑梁轴力监测于2020年4月15日采初值，2-ZL10、2-ZL13于2020年5月15日开始报警。基坑支撑梁轴力监测在开挖期间出现过多个报警点，且有部分报警点的监测数值极大。

针对38组监测点选取以下6组轴力监测点位进行分析，选点情况详见表2。

表2 轴力监测数据分析选点

该基坑第1道支撑梁的监测周期为2019年11月22日至2020年12月4日（包括底板浇筑、拆撑等工况），本次选取2019年11月30日至2020年7月23日（开挖到底且底板尚未浇筑）的监测段进行分析。由图3的数据曲线图可知：随着基坑开挖深度的增加，轴力监测数值在监测周期内逐渐增大，且在开挖后一个月内增加较快；2019年12月30日至2020年3月30日期间，受新冠疫情影响现场施工进度缓慢，轴力监测数据变化不大；2020年3月30日至2020年4月30日由于施工第2道支撑梁，第1道支撑梁的监测数据呈收敛趋势。同时根据图3可知：在2019年12月30日，1-ZL13监测值为9910kN已临近预警值10000kN，1-ZL8监测值为8960kN接近预警值；在2019年3月30日土方开挖到第二道支撑标高处，1-ZL8监测值为11129kN，1-ZL13监测值为10776kN，均已报警，而1-ZL15监测值为9854kN也即将报警；在2019年7月23日基坑整体开挖到底时，1-ZL8监测值为12008kN，1-ZL13监测值为10154kN，1-ZL15监测值为10235kN，都已报警。

图3 第1道支撑梁轴力监测值Fig.3 Axial force monitoring value of the first support beam

该基坑第2道支撑梁的监测周期为2020年4月15日至2020年12月4日（包括底板浇筑、拆撑等工况），本次选取2020年4月15日至2020年7月23日（开挖到底且底板尚未浇筑）的监测时段进行分析。由图4的数据曲线图可知：2020年4月15日至2020年6月15日期间，2-ZL6、2-ZL10轴力监测点所在的基坑中部和东部先于其他区域开挖到底，轴力监测数值在监测周期内增速较快且接近各监测点的终值，位于基坑南部的2-ZL13监测值增速稍慢。2020年6月15日至2020年7月23日期间，2-ZL6、2-ZL10、2-ZL13轴力监测值呈收敛趋势。同时根据图4可知：2020年5月15日，2-ZL10监测值为13802kN，2-ZL13监测值为12608kN均已超过预警值12000kN，基坑南部第2道支撑下土体开挖较浅，因而2-ZL6监测值较小；2020年7月23日基坑全部区域开挖到底，2-ZL6监测值22716kN、2-ZL10监测值22782kN、2-ZL13监测值22940kN远远超过预警值12000kN，且均已超过抗压极限承载力设计值20000kN。

图4 第2道支撑梁轴力监测值Fig.4 Axial force monitoring value of the second support beam

综上所述：两道支撑梁轴力增长及收敛的趋势与现场实际开挖工况吻合。第一道支撑梁轴力监测数据报警较早，且在第二道支撑梁下土体开挖前，轴力监测数据就已达到峰值90%以上，表明第二道支撑梁下土体开挖对第一道支撑梁轴力影响较小，仅对第二道支撑梁轴力影响较大。

3 轴力监测数据同其他监测数据耦合分析

表3 多监测指标耦合分析对应

基坑支护作为一个体系结构，其各项监测数据应具有联动性，单纯分析轴力监测数据孤立性太强。选取与轴力监测数据耦合性较强的坑顶水平位移和深层水平位移进行耦合分析，坑顶水平位移点和深层水平位移点根据轴力监测点就近选取以保证耦合分析的有效性。

选取的坑顶水平位移、深层水平位移监测时段为2019年11月30日至2020年7月23日。由图5可知：因基坑北侧支护后的土质相对南侧差且北侧先于南侧开挖，因而位于基坑北侧的水平位移点S2、S3、S4监测数值为正值（往基坑内方向变形），基坑南侧的水平位移点S10、S11、S12监测数值为负值（往基坑外方向变形），以上6个位移点位于对撑两侧且在平面上对称布置，符合变形整体协调的机制；截至2020年7月23日，其中最大位移监测点为S13（22.84mm）、S11（-23.64mm），各水平位移监测值在开挖过程中都未报警。由图6可知：因基坑北侧支护后土体土压力大且坑内被动土压力区不断开挖，位于基坑北侧的深层水平位移点CX1、CX2、CX3的监测曲线变化较快且数值较大；位于基坑南侧的CX6、CX7孔口往下7m内位移为负值，抑制了测斜孔的各深度累计位移，因而CX6、CX7两个测斜孔沿深度曲线图中“凸肚”处监测数值较小。截至2020年7月23日最大位移监测孔位为CX2（48.58mm），各深层水平位移孔的监测值在开挖过程中都未报警。

图5 坑顶水平位移监测值Fig.5 The monitoring value of the displacement of the pit roof

图6 深层水平位移累计值监测值Fig.6 Deep horizontal displacement horizontalcumulative value monitoring value

2019年11月30日至2019年12月30日期间，北侧监测点S2、S3、S4位移增速较快，北侧CX1、CX2、CX3测斜孔累计位移值同样增速较快，与图1中该时间段1-ZL8、1-ZL13、1-ZL15轴力增速较为吻合。截至2019年12月30日，1-ZL8监测值已达到监测周期的最大值71.53%，S2监测值已达到最大值92.62%，S3监测值已达到最大值100%，CX1累计监测值已达到最大值63.55%，CX2累计监测值已达到最大值63.44%；1-ZL15监测值已达到监测周期最大值53.08%，S4监测值已达到最大值94.38%，CX3监测值已达到最大值48.32%。

2020年4月30日至2020年6月30日期间，基坑南侧水平位移点S10、S11、S12监测值增速较快，南侧测斜孔CX5、CX6累计位移值同样增速较快，与图2该时间段2-ZL6、2-ZL10、2-ZL13轴力增速较为吻合。截至2020年6月30日，2-ZL6监测值已达到监测周期最大值83.98%，S12监测值已达到最大值100%，S13监测值已达到最大值100%，CX7累计监测值已达到最大值94.39%；2-ZL10监测值已达到监测周期最大值99.99%，S11监测值已达到最大值99.96%，CX6累计监测值已达到最大值94.39%，CX7累计监测值已达到最大值94.39%；2-ZL13监测值已达到监测周期最大值96.16%，S10监测值已达到最大值，CX5累计监测值已达到最大值，CX6累计监测值已达到最大值94.36%。

图2 监测点位平面布置图Fig.2 Layout plan of monitoring points

综上所述：通过对轴力监测点、水平位移监测点、深层水平位移监测点进行数据分析，发现这三个监测项目的耦合性较好，有很强的联动性，反映了当时基坑的施工工况和整体变形情况。

图7 基坑开挖到底Fig.7 Excavation of foundation pit

图8 基坑底板浇筑Fig.8 Floor pouring

图9 点1-ZL13附近支撑梁巡视情况Fig.9 Inspection of support beams near point 1-ZL13

图10 点2-ZL6附近支撑梁巡视情况Fig.10 Inspection of support beams near point 2-ZL6

4 基坑安全性综合分析

4.1 基坑安全性判断

项目坑顶水平位移累计值预警值30mm，深层水平位移累计值预警值50mm，支撑轴力预警值最大值为60%f2，符合GB 50497-2019《建筑基坑工程监测技术标准》表8.0.4规定要求[11]。根据监测结果可知：坑顶水平位移和深层水平位移累计值均未报警，处于安全阈值之内。

在日常现场巡查中该项目情况良好，混凝土支撑梁结构完整无裂缝，桩顶放坡坡面无开裂，支护体系完整。

综上所述，结合现场的日常巡查情况和坑顶水平位移、深层水平位移预警状态综合分析认为轴力数据过大是其他因素造成，该项目基坑处于安全状态。

4.2 轴力数据过大的原因

本项目因位于沿海区域且前期有停工，分析轴力监测数据过大有以下两个主要原因：

（1）温度。季节性温度的变化对混凝土支撑轴力监测值影响较大，同时温差对第二道支撑轴力的影响比第一道支撑大很多[12]。因此，基坑支护规范中规定应考虑温度变化对基坑支护体系的影响[13]。

（2）收缩徐变。混凝土徐变与收缩在前期发展较快，产生较大次内力[14]。混凝土收缩徐变引起的轴力值在实测值中占比最高可达65%[15]。

5 结论与建议

（1）基坑支护是体系结构，监测指标种类繁多，应根据多项指标监测数据进行综合分析，避免用单一指标孤立评价。轴力、坑顶水平位移、深层水平位移这三个围护体系监测指标耦合性较好，耦合监测点的增速和收敛的时间阶段都较为吻合。

（2）软土地区轴力监测发现数据过大，甚至会在开挖前期就发生预警。同其他指标的监测数据耦合分析，结合实际现场巡查情况，轴力监测数据不宜作为判断基坑整体安全状态的唯一依据，轴力监测数据的过大可能是混凝土徐变、温度等因素造成的。

（3）为消除温差对轴力监测数据的影响，轴力监测数据采集时间宜在每日同一时间段。

（4）砼应变计的初值采集时间建议在混凝土养护完毕至基坑开挖之前的时间段，既考虑了混凝土的充分散热，同时有利于将混凝土和钢筋作为受力整体来考虑轴力的发展。