深基坑支护结构影响因素及其监测分析研究

宋斌

（中航勘察设计研究院有限公司，北京 100098）

1 引言

随着城市建设的快速发展，基坑工程数量大幅度增加。 基坑工程主要包括基坑支护结构、土方开挖、降水、监测等方面。其中，支护结构是基坑工程的关键部分，它不仅承受土体的侧压力，还保证基坑工程的稳定性。 因此，研究深基坑支护结构的影响因素和监测方法对提高基坑工程的可靠性和安全性具有重要意义[1-2]。

本文针对深基坑工程的变形状态及规律， 分析广东南部沿海城市某一基坑工程现状， 用Midas FEA 软件设计桩锚支护结构， 以增强其稳定性， 并对设计的桩锚支护结构进行监测。 旨在及时准确地把握深基坑工程的变形状态及规律，有效预防并及时处理可能出现的安全事故， 提高深基坑工程的施工质量和安全性能。

2 桩锚支护结构概述

桩锚支护是在岩石锚杆理论研究比较成熟的基础上，发展起来的一种挡土结构。 其主要是将受拉杆件的一端固定在开挖基坑的稳定地层中， 另一端与围护桩相连的基坑支护体系。 在实际应用中主要有以下优势。

1）桩锚支护具有安全经济的特点，因此，在边坡和深基坑支护工程中被广泛应用。

2）在基坑内部施工时，开挖土方与桩锚支护体系互不干扰，能有效地缩短工期，尤其适用于复杂施工场地及对工期要求严格的基坑工程。

3）桩锚结构适用于多种土体，如砂土、砾石、黏性土等，可以应用于各种建筑地基加固[3]。

4）其主要作为抗拉构件，在施工过程中可以根据实际需要加长或缩短，其极限抗拉强度较高，可以有效增强原有结构的稳定性和抗震能力。

5）桩锚结构制作简单，施工方便，可以大幅缩短工期，减少施工成本。 同时能够在较小的空间内进行钻孔、注浆和压锚等作业，可以大大减少对周围土方的破坏，从而节约土方。

3 深基坑桩锚支护结构的影响因素和监测分析

3.1 项目概况

项目基坑位于广东省南部某沿海城市，该地区雨量充足，每年4～9 月为雨季，年降雨量1 933.3 mm。 案例工程体量大，包含地上8 层和地下2 层。项目基坑开挖深度约为10 m，周长为1 776 m，基坑总面积约55 167 m2。 周边市政道路下埋设市政管线较多，主要用于集中铺设通信、电力、给排水、燃气等市政公共设施。 由于建筑载荷较大，基坑基础选择为承载能力高的筏板基础和桩基础。 项目场地地质复杂，岩土层一般为花岗岩层、砾质黏土和素填土，属于渗透性较差的弱透水性地层，含有新近填土，厚度最大约13.5 m。 勘察期间，场地内所有钻孔均见有地下水，地下水类型主要为潜水，受气候条件影响，地下水埋深在4.20～12.50 m。

由于基坑周边环境复杂，项目基坑支护设计采用桩撑、桩锚和分级放坡的组合支护。 根据场地岩土层的设置，将支撑支顶设置在冠梁下2.85 m 处，

3.2 桩锚支护结构影响因素

桩锚支护结构的主要影响因素有支护桩间距、 桩长和预应力锚索预加力。 当支护桩的桩间距过小时，需要的支护桩的使用数量增多，材料和施工成本增加。 在群桩基础受竖向荷载的条件下，由于承台、桩体和土壤之间的相互作用，桩间距过小会导致桩侧阻力、桩端阻力和沉降等性状发生变化，影响支护结构的整体稳定性。 桩间距过大时，群桩基础的总承载力会因为缺乏足够的相互支持而降低， 还会导致支护结构在不同部位的沉降差异增大，影响上部结构的稳定性和使用安全。 当支护桩的桩长过大时，工程造价也相对较高。 若桩长过小，可能会影响基坑安全性和稳定性。 因此，合理设置桩长既能控制成本，避免材料浪费，有效利用资源，同时在保证基坑稳定性的前提下，能获得更大的经济效益。

为了获得更大的工程价值， 在不改变支护桩的其他参数下， 分别设置5 种均相差0.10 m 的桩间距 （1.00～1.40 m）和100～300 kN 的锚索预加力， 对比分析不同桩间距和预应力情况下桩身的水平位移变化。 同时，分析不同桩长时，桩身的弯矩变化。 3 种主要影响因素对桩身的影响结果如图1 所示。

图1 桩锚支护结构的主要影响因素对桩身的影响

图1a 中， 桩身水平位移随着支护桩桩间距的增大而增加，当桩间距为1.00 m 时，桩身水平位移为24.97 mm；当桩间距增大到1.40 m 时， 桩身水平位移为29.99 mm。 桩间距为1.20 m 时，桩身弯矩为385.17 kN·m；当桩间距为1.40 m 时，桩身弯矩为427.95 kN·m，与1.00 m 的桩间距对比，桩身最大弯矩增加了26.36%。 当锚索预加力为100 kN、200 kN、300 kN时，桩身水平位移分别为32.70 mm、27.45 mm、23.98 mm。

图1b 中，随着桩长和锚索预加力的增加，桩身最大弯矩逐渐减小。 当预加力为200 kN、桩长为18.00 m 时，桩身最大弯矩为385.17 kN·m，桩身最大位移为27.45 mm。

由此可见，随着锚索预加力增大，基坑水平变形大幅度减小，幅度基本稳定，支护结构内力减小，减小幅度呈递减趋势。支护结构中，排桩桩间距为1.20 m、桩长为18.00 m、预应力锚索预加力为200 kN 较为合理。

3.3 排桩+锚杆支护结构设计

排桩+锚杆支护结构示意图如图2 所示。

图2 排桩+锚杆支护结构示意

图2 中，剖面开挖深度为12.75 m，共有支护桩21 根，桩径为800 mm，桩长为1 800 mm，桩间距为1 200 mm。 冠梁界面为800 mm×800 mm，冠梁和腰梁所在位置设置锚杆，锚杆均为植入式桁架， 施加预应力为200 kN， 桩间设置旋喷桩止水。 围护结构中混凝土灌注桩为C30 水下混凝土，冠梁、腰梁施工采用现浇混凝土，混凝土采用C30 商品混凝土。锚索和混凝土的弹性模量分别为235 GPa、30 GPa，泊松比为0.2。锚索、支撑道数为3，锚索长度分别为21.0 m、28.5 m、33.5 m。 按照桩锚支护结构，开挖1.70 m、5.70 m、9.70 m 深度时，需要分别进行冠梁+锚索、腰梁+锚索、腰梁+锚索加撑施工。预应力锚索作为构件比较隐蔽，主要为拉索作用。 锚索能够充分调用岩土能量、岩土强度和自承能力，降低结构自重，用锚索或土钉代替边坡、衬砌或重力挡土墙，可节省大量土方，进而节约成本，缩短工期。 用锚索代替钢横撑作为侧墙支撑，既能节约大量钢材，又能大大改善施工条件。 施工前需要了解岩土性质、地下管线、交通道路等对施工影响，并且需要校验相关设备性能质量，以保证施工过程安全。

3.4 基坑桩锚支护的监测分析

为了有效管理施工，确保工程的安全，对本项目设计的基坑桩锚支护进行监测。 监测过程中使用的监测仪器有Leica TS09 Plus 全站仪，规格为0.3 mm/km 的Sokkia SDL1X 水准仪和BIS20 水准仪钢尺、CX-3C 测斜仪和SSC-101 便携式频率读数仪。 针对支护结构桩顶水平位移、基坑周边地面沉降和锚索轴力，在基坑开挖到开挖完成后稳定前进行1 次/d 的监测，基坑开挖完成稳定后至结构底板完成前进行1 次/3 d 的监测， 结构底板完成后至回填土完成前进行1 次/15 d 的监测。考虑到当地降雨量，若暴雨情况下使基坑变形速率提高，则需要增加监测频率。 监测过程中，相关人员需要对监测数据进行采集与整理，以便后续分析数据。 支护结构桩顶水平位移监测控制值为30 mm，基坑周边地面沉降监控值为35 mm，而锚索轴力监测控制值应为设计值的70%。

对基坑桩锚支护的3 处锚索轴力、 地面沉降位移和桩顶水平位移进行数值模拟分析。

经分析可知，3 处锚索轴力监测控制值分别为155.4 kN、180.8 kN 和158.4 kN，3 处的监测结果与数值模拟的比值φ 分别为69.7%、68.5%、68.9%， 此时实际的锚索轴力性能接近预定的控制标准。 地面沉降监测控制值为11.12 mm，φ 为69.1%，实际沉降比预测值小，说明地面的实际承载性能较好。桩顶水平位移监测控制值为10.75 mm，φ 为60.8%，表示支护结构稳定性较好。 整体来看，基坑状态为安全可控，数值模拟分析具有一定的可靠性。

4 结语

研究结合某基坑工程现状， 通过Midas FEA 软件设计桩锚支护结构增强稳定性，并监测分析设计的桩锚支护结构。 结果表明，设计的支护结构参数较为合理，保证了深基坑工程的安全性和经济性。 在未来的研究中，可以进一步探讨深基坑工程中可能出现的复杂地质条件和非确定性因素的影响机制，以及相应的控制和管理策略。