周边地面塌陷对某桩锚支护基坑受力性能影响分析

【摘要】

涌水涌砂导致基坑周边地面开裂甚至塌陷的事故常有发生，结合某桩锚支护基坑周边地面塌陷案例，分析了不同程度的地面开裂塌陷情况下桩锚支护结构受力情况。通过对塌陷区域土体强度、弹性模量及坍塌土与原状土间界面强度折减的方法来模拟地面塌陷后的土体力学性能，分析周边地面塌陷后土压力的变化及对锚索、排桩受力性能的影响。结果表明： 地面塌陷会引起塌陷滑动体的下部土压力明显增大，锚索的内力增大幅度大于支护桩内力增大幅度，采用土体滑动后参数重新计算，并按照计算得出锚索内力对已有锚索重新张拉锁定，少量达不到要求的锚索在旁边补加锚索加固，该方法以较低成本达到了加固要求，可为类似基坑事故处理提供参考。

【关键词】涌水涌砂； 地面塌陷； 桩锚支护； 加固

【中图分类号】T

【中图分类号】U476+.9【文献标志码】A

［定稿日期］2022-07-12

［基金项目］中铁建设集团有限公司科技研发计划项目（项目编号：LX20-16b）

［作者简介］熊思远（1990—），女，本科，工程师，主要从事建筑施工、工程管理工作。

0 引言

在桩锚支护基坑中，降雨入渗、附近雨污水箱涵渗漏经常导致浅层土体坍塌；当深层止水帷幕失效时，深层区域流土、流砂现象也时有发生，这两种情况均可能导致基坑附近路面塌陷。文献［1］分析了土体表面渗流对生态边坡稳定性的影响，文献［2］分析了降雨强度及持续时间对边坡稳定性影响，文献［3］对深基坑工程事故的常见原因及二次加固进行了分析，文献［4-5］对地铁、隧道涌水涌砂成因及治理方法进行了研究。目前少有文献对砂土流失、地面塌陷滑动后基坑整体受力及安全性能进行定量评估分析，这将导致基坑事故抢险及加固方案的制定具有一定的盲目性。基坑支护结构局部破坏极可能引起土压力的重分布，使得剩余支护体系的荷载传递规律发生改变［6-7］，进而引发大范围连续破坏，所以相关研究很有必要。

参考边坡稳定分析时的有限元强度折减法，本文提出了一种对坍塌区域土体抗剪强度、弹性模量及坍塌区域土体与原状土体界面强度进行折减的方法来模拟地面塌陷后的土体力学性能，该方法能较好地定量分析基坑周边土体塌陷后土压力及整个支护体系的受力变化情况，可以避免常规有限元分析中因模拟土体塌陷等大变形行为而产生计算不收敛的问题，具有较强的工程实践参考意义。

1 工程概况

江西某基坑位于富水含砂地层，基坑地面绝对高程为20.30 m，设计基坑深度为16.85 m，根据勘察报告，场地土层分布为：杂填土、粉质黏土、细砂、砾砂、强风化砂砾岩及中风化砾岩，基坑开挖深度影响范围内相关土层参数见表1，表1中土层弹性模量与地勘报告提供的压缩模量及变形模量的换算参考了地区工程经验［8］，弹性模量主要用于有限元分析。

本案例设计时地下水位取值为地面下-5.3 m，而基坑长期监测得出的地下水位为地面下-9.0 m，为反映地面塌陷

后基坑真实的受力情况，后续计算分析过程中均采用-9.0 m地下水位。

基坑采用混凝土排桩加三道预应力锚索支护方案，为降低造价，支护桩桩顶处设置3 m高混凝土挡土墙，基坑支护结构剖面见图1。

支护排桩为1.0 m的钻孔灌注桩，桩间距1.2 m，桩总长21.85 m，嵌固深度为9 m，桩身采用强度为C30的混凝土，基坑顶部荷载设计取值30 kPa。3道预应力锚索编号从上至下依次为1#、2#、3#，入射角15°/20°交替布置，锚索水平间距与桩间距均为1.2 m，锚索锚固体150 mm。采用双重止水方案，坑外设置了一道三轴搅拌桩止水帷幕，另外在桩间还设置了一道高压旋喷桩进行止水，止水帷幕底嵌入强风化岩层0.5 m。

2018年8月，该项目基坑东侧中段由于场地外污水管道长期渗漏，引起基坑中部发生喷涌，砂土穿过止水帷幕涌入基坑内，使得周边地面开裂塌陷，塌陷现状如图2所示。

从图2（a）可以看出：基坑在深度6～12 m处发生喷涌，砂土涌入基坑内，导致周边道路局部塌陷，产生长约15 m、宽约10 m的塌陷面；从图2（b）可以看出，地面塌陷时基坑侧壁基本完整，塌陷处支挡结构水平变形并不是很明显。由于地面塌陷后整个支护体系受力变化及稳定性能不明确，根据现场坍塌情况，笔者建立了几种不同深度的土体滑动和流失工况，分析周边地面塌陷后桩锚支护体系受力变化规律。

2 滑裂破坏面的确定及有限元模型

根据JGJ120-2012《建筑基坑支护技术规程》［9］，支挡式结构理论直线滑动面倾角公式见式（1）。

α=45°-φm/2（1）

式中：α为滑动面与竖向支挡结构夹角;φm为滑裂区以内各土层按厚度加权的内摩擦角平均值。

塌陷区堿宽度约10 m， 根据地面开裂形状，将塌陷区分为3.36 m、3.10 m、3.54 m三个区域。由式（1）计算出滑动面倾角，可以得出开裂地面对应的滑动体深度分别为4 m、5 m、5 m，滑动体共分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个区域，其中Ⅲ区域又分为Ⅲ1、Ⅲ2，Ⅲ3三部分，滑裂区域划分如图3所示。

采用PLAXIS有限元软件进行分析，土体采用摩尔-库伦模型［10］，土层参数详见表1，支护桩及桩顶混凝土挡土墙均采用板单元模拟，锚索自由段采用点对点连接单元。

为了模拟土体滑动后土压力变化情况，共进行了6种工况下的土压力计算，各工况详见表2。由于土体塌陷后会产生松动，滑动土体强度折减50%，滑动土体与未滑动土体接触面面强度折减因子取0.1。

3 计算结果分析

3.1 土压力分析

在JGJ 120-2012《建筑基坑支护技术规程》中，土压力采用朗肯土压力；有限元分析时，分别计算了基坑开挖前土压力；基坑开挖到坑底，路面无塌陷（工况1）时的土压力；区域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ土体塌陷（工况4）时的土压力；区域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ土体塌陷且Ⅲ2、Ⅲ3区域土体部分流失（工况6）时的土压力，图4为上述各工况下土压力对比，需说明的是地下水位以下的土压力包含水压力。

从朗肯土压力计算公式σa=γzKa-2cKa可以看出影响土压力的主要因素是土体的黏聚力及摩擦角的变化，土压力不随基坑开挖深度而变化，这是朗肯土压力的缺点。有限元计算可以反映出土压力随基坑开挖深度的变化，比较符合实际情况，PLAXIS有限元计算土体自重作用下，初始土压力采用式（2）。

K0=1-sinφ（2）

式中：φ为内摩擦角。式（2）实质为静止土压力经验计算公式，静止土压力在计算时只考虑了土体内摩擦角的影响，没有考虑粘聚力的影响，这是有限元计算的不足之处。从图4还可以看出，规范推荐的朗肯土压力与开挖前有限元计算的土压力还是有一定的差别。由于粉质黏土粘聚力较大，故在该土层处这种差别更为明显。从总体上看，开挖前有限元计算土压力大于朗肯土压力。

对比基坑开挖前、开挖至坑底后（工况1）土压力可以看出，由于基坑开挖土体的变形，从基坑1/3深度开始，基坑下部土压力开始减少。对比工况1与工况4土压力可以看出，当上部区域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ土体塌陷后，在基坑7～13 m深度范围内，土压力出现较明显的增大现象。对比工况4与工况6土压力还可以看出，局部砂土流失，土体的弹性模量折减50%时，对土压力的影响并不是很明显，如果由于砂土流失局部产生土洞，土压力变化应另行考虑。

3.2 锚索拉力分析

各工况下的锚索拉力见表3，对比工况1和工况4状态下的锚索拉力可以看出：1#锚索内力增量41 kN，2#锚索内力增量69 kN，3#锚索内力的增量为83 kN，最大增幅比例为19.3%。

3.3 支护桩变形及内力分析

图5为各工况桩身水平位移分布，图6为各工况下桩身弯矩对比。

从图5可以看出，随着土体滑动范围增大，桩身位移值不断变大，但桩身的最大水平位移位置并无明显变化。地面未发生塌陷时（工况1）支护桩桩顶位移为23.95 mm，最大位移在基坑13 m深度附近，最大位移为30.97 mm；工况6时桩顶位移为30.6 mm，桩身最大位移为35.1" mm，工况6中桩顶位移增幅最大，最大位移增幅比例为27.8%。

从图6可以看出各工况下弯矩变化并不十分明显，工况1桩体的最大弯矩-1 088 kN·m，工况6时桩体的最大弯矩为-1 155 kN·m，弯矩增大比例仅为6.1%。从锚索内力与支护桩弯矩增大比例可以看出，锚索的内力增大比例明显大于支护桩，地面塌陷滑动对锚索的内力影响大于支护桩。

4 加固方法

本项目基坑土层从上至下分别为粉质黏土、细砂、砾砂、强风化砂砾岩及中风化砾岩，没有高灵敏度及高触变性的软土，且锚索的锚固段主要在细砂、砾砂层。本基坑土体滑裂面主要发生在锚索的自由段，对锚固段受力影响相对较小。

本案例由于设计时地下水位取值高于实际水位，故设计有较大的安全储备，根据JGJ120-2012《建筑基坑支护技术规程》，锚索的极限抗拔承载力按式（4）计算。

Rk=πd∑qsikli（4）

式中：d表示锚索的锚固体直径；li表示锚固段在第i层土中的长度；qsik为锚固体与第i层土的极限粘结强度标准值。本案例由式（4）计算得出的1#、2#、3#锚索极限抗拔承载力分别为640.32 kN、1 101.58 kN、1 253.51 kN，即使是在工况6状态下，抗拔承载力安全系数仍然达到2.03、2.56、2.44，存在着较大的安全储备。

本基坑事故发生后，立即在坑底进行填土反压，然后对滑动区土体参数进行折减后重新进行计算，得出新的锚索拉力，然后对滑裂区域及附近锚索按新的锚索拉力进行张拉锁定，达到抗拔承载力要求的锚索继续使用，达不到抗拔承载力检测值的锚索在旁边增加新锚索进行加固，实践证明该方法简单可行，现该工程地下室已施工完毕，基坑支护已完成预期功能。

5 结论

本文结合江西某基坑涌水涌砂引起地面塌陷的工程实例，通过对多种滑裂面情况、土体强度折减情况下的桩锚支护体系的土压力、锚索拉力及支护桩内力、位移进行对比分析，相关结论如下：

（1）基坑地面塌陷会引起土压力有较大的变化，在塌陷滑动体的下部土压力会有较大的增长。

（2）地面塌陷区域如果只发生在锚索自由段，对锚固段的影响不大，但如果地面塌陷区域贯穿了锚索锚固段，会降低锚索抗拔承载力，对基坑受力更为不利。

（3）桩锚支护体系中，地面塌陷并不一定会引起基坑完全倒塌，对滑动区土体强度、滑裂面强度等进行适当折减，对支护结构重新进行计算，然后按新的计算结果进行进行张拉锁定，达到抗拔承载力检测值的锚索继续使用，达不到抗拔承载力检测值的锚索在旁边增加新锚索是一种简单可靠的方法，费用较低具有较强的工程实践操作性。

参考文献

［1］ 王亮，杨俊杰，刘强，等.表面渗流对生态边坡中客土稳定性影响研究［J］.岩土力学，2008，29（6）：1440-1445.

［2］ 孔郁斐， 宋二祥， 杨军. 降雨入渗对非饱和土边坡稳定性的影响［J］. 土木建筑与环境工程，2013，35（6）：16-21.

［3］ 朱彦鹏， 朱胜祥， 叶帅华. 某工程深基坑事故分析与二次加固设计［J］. 岩土工程学报， 2014， 36（s1）：186-191.

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［9］ 中国建筑科学研究院. 建筑基坑支护技术规程JGJ120-2012［S］. 中国建筑工业出版社， 2012.

［10］ 张钦喜， 樊绍峰， 周予启. 深基坑桩锚支护侧土压力反分析及数值模拟［J］. 岩石力学与工程学报， 2009， 28 （S1）：3214-3220.