土石组合超深基坑开挖下桩锚支护对邻近建筑物影响分析*

王洪涛，傅鹤林，刘运思，马 婷

(1.中南大学土木工程学院，湖南 长沙 410075;2.中石油湖南省销售分公司，湖南 长沙 410007)

基坑问题一直是岩土领域研究的热点与难点之一。桩锚支护结构是20世纪80年代开始应用及发展起来的一种新型抗滑结构，在深基坑治理、滑坡整治中己获得了广泛应用。在城市里，基坑开挖如在已有的建筑物旁进行，对邻近的建筑物的影响很大。国内外学者对邻近基坑建筑物及基坑支护结构做了相应研究［1－4］，建筑物主要受到垂直与水平位移的影响。目前，采用数值模拟的方法，并结合实际监测结果［5－6］进行分析，能够预测基坑变位，为大型复杂环境下的基坑施工提供指导。为此，本文依托重庆南坪站明挖基坑展开土石组合下桩锚支护对邻近建筑物影响分析，提出合理的建议，为基坑施工提供参考。

1 工程实例

1.1 工程概况

依托基坑位于重庆市南坪交通枢纽中心。基坑沿线周边建筑物密集，且有数栋高层建筑距离开挖线较近，基坑距建筑物最近距离只有5.5 m，且基坑开挖最大深度直立达到23 m。采用明挖法施工，特别强调在保证邻近建筑物安全的前提下，进行开挖和支护。根据基坑周边环境条件和区间结构物重要性程度，将基坑安全等级列为一级。基坑示意图如图1所示。

图1 基坑示意图Fig.1 Excavation schemes

基坑主要由表层积土，下层砂质泥岩、砂岩互层组成。岩层走向280°，倾角9～11°，岩石强～中风化，岩性较软弱。裂隙不太发育，呈“X”型切割岩体，对边坡产生不利影响，本段基坑围岩定级为三类围岩。根据勘查报告结果，土层至上而下分布情况及物理力学参数如表1所示。基坑支护形式采取锚拉桩，坑内土体采取从上至下分层开挖，每层开挖深度为3 m左右。桩的计算参数如表2所示。

表1 各土层分布情况及物理力学参数Table 1 Each soil distribution and physical and mechanical parameters

表2 桩计算参数Table 2 Pile calculations parameter

1.2 计算模型的确定

计算模型选在重庆南坪站基坑里程K0+590处右侧断面。在进行数值模拟时，将岩土体简化成理想弹塑性体，同一层岩土体是均质、各向同性的，其强度准则采用摩尔库伦强度准则，其参数见表1。由于本工程地基蓄水性较差且水位线较低，故模型不考虑静水压力的作用。临近建筑物折算成荷载，按每180KN/m2进行施加。鉴于基坑的对称性，选取1/2或1/4等结构进行分析，采用四边形网格划分，边界条件选取采用约束模型底部位移，两侧约束水平位移。建立二维平面模型，如图2所示。

图2 基坑模型图Fig.2 Excavation model

基坑采取锚拉桩支护体系。锚杆采用线单元，参数如下:弹性模量为2.55×104MPa，泊松比为0.2，锚杆与土之间的摩擦角为30°，法向刚度为1×1010N·m－1，切向刚度为1×106N·m－1。桩参数中弹性模量为20 GPa，泊松比为0.2，剪切模量为10.4 GPa，体积模量为13.9 GPa，桩背与土之间的摩擦角为30°，法向刚度为1.9 ×1010N·m－1，切向刚度1.13×1010N·m－1。基坑开挖全过程采取动态模拟，模拟步骤按照施工过程模拟，每层开挖3 m，共开挖8层，共定义13个施工阶段。开挖过程步骤如表3所示。

表3 施工模拟步骤表Table 3 Construction simulation steps table

1.3 数值计算结果分析

1.3.1 位移分析

(1)水平位移分析。因施工步逐较多，仅列出部分计算结果。从图3可以看出:随着基坑开挖深度的增加，桩和土体向坑内位移越来越大;基坑的开挖导致桩体内侧土压力消失，打破了原有的平衡，而桩体外侧的土压力转变为主动土压力，使得桩体产生水平位移。从开挖至23 m基坑水平位移云图可以看出，在此种土石组合地质条件下，土体和桩的水平位移主要发生在土层部分，岩层自身具有较高的强度，不易发生变形。同时发现，考虑建筑物荷载下，基坑支护桩最大变形达到13 mm，而未考虑建筑物荷载下，基坑支护桩最大变形仅仅为4 mm左右。由此可见:基坑临近建筑物的存在导致支护结构产生较大的水平位移。

图3 不同工况下桩变形曲线图Fig.3 Different condition pile deformation curves

(2)竖直位移分析。图4可知:地表沉降主要集中在临近基坑出，远离基坑地表沉降越来越小，影响范围基本上在开挖深度30°以内，在土层开挖深度的45°影响范围内。因基坑临近建筑存在，建筑物荷载导致地表沉降增大。

图4 不同工况下地表沉降曲线图Fig.4 Surface settlement curve diagram in different condition

1.3.2 土压力变化分析

分析图5分析可知:基坑桩后土压力基本呈现出由上至下逐渐增大的趋势，符合经典土压力分布趋势“”;随着开挖深度增加，土压力向左侧移动，这是由于基坑内土体被挖走，打破了原有基坑应力场平衡。

图5 各级开挖土压力变化曲线图Fig.5 Pressure diagram under levels of excavation

图6 未考虑建筑物影响开挖至23 m基坑水平应力云图Fig.6 Foundation pit horizontal stress contour without considering the influence of building excavation to 23 m

2 监测实施与分析

2.1 监测点的布设

为确保基坑开挖过程中支护桩及周边建筑物的安全，针对基坑桩体变形、桩顶水平位移、建筑物沉降、桩后土压力进行了较长时间监测，监测点布设情况如下:

(1)桩体测斜:桩体浇筑混凝土之前，将测斜管固定在钢筋笼内，定期用测斜仪测量桩体变形，工布设5个点，即cx1～cx5(见图1)。

(2)桩顶水平位移监测:位移监测点共9个，编号为cs1～cs9，安置基坑支护桩顶部，定期利用全站仪监测桩顶水平方向的位移(见图1)。

(3)建筑物沉降:因建筑物层高超过50m，且距基坑较近，固在建筑物周围布设点时，适当加密，一共布设9个点，即J1～J9。

(4)土压力:支护桩土压力监测选择在T－1，T－2和T－3监测断面上(见图1)，且只埋设在土层部分。T－1处埋设土压力盒具体位置如表4所示。

表4 土压力盒埋设位置Table 4 Earth pressure cells burial place

2.2 监测与模拟对比分析

对基坑长时间的监测，并将监测数据与模拟计算进行对比分析，对基坑的安全施工起到预警作用。

对cx1监测点部分实测数据与模拟数据绘制曲线图如图7所示。由监测结果可知:随着开挖深度的增加，桩变形逐渐增大，变形最大出在桩顶，其值为15mm左右，且与模拟计算得到的曲线接近。

对1－1剖面的建筑物沉降点(J1～J4)进行长期监测，结果见图8。从图8可见:在1－1剖面上，最大沉降值在邻近基坑处J1，其值为4.3 mm。远离基坑逐渐减小，最远处J4不到1 mm。模拟得到的曲线在邻近建筑物附近沉降最大，远离建筑沉降小，与实测结果相符合。

图7 桩变形实测与模拟对比图Fig.7 Comparison diagram of measurement and simulation of pile deformation

图8 建筑物沉降监测值Fig.8 Monitoring results of building settlement

对桩体水平位移监测点cs1进行长期观测，发现桩体水平变形主要集中在前期。因在对土层开挖时，土体受扰动影响大，且土体强度低，则桩的水平位移大。而后期开挖至岩层部分，岩层自身稳定高，对桩体侧向变形影响小，则变形小。

对T－1监测点土压力监测，可以看出土压力整体呈现“”。通过对比模拟和实际值，结果相接近。

图9 桩水平位移曲线图Fig.9 Horizontal displacement curve of pile diagram

图10 土压力曲线图Fig.10 Earth pressure curve

3 各种因素对邻近建筑物影响

3.1 支护桩刚度的影响

桩体刚度主要受弹性模量E和截面惯性距I的影响，通过采用不同截面尺寸来对不同刚度下的支护桩对邻近建筑物的影响做研究。根据施工组织设计中，桩体采用C30混凝土浇筑，则考虑弹性模量E不变。试算不同截面尺寸b×h，截面尺寸取 b×h=1 m ×1 m、1 m ×1.5 m、1.5 m ×2.4 m 3种尺寸。计算绘制桩变形曲线图如图7所示，地表沉降曲线图如图8所示。

3.1.1 桩体变形

由图11可以得到，截面尺寸越大，刚度则越大，则桩体的变形越小。随着开挖深度的增加，刚度越大的桩抵抗弯矩的能力强，受到侧面土压力影响小。图11截面取b×h=1.5×2.4 m随开挖深度的增加影响不大。而截面取b×h=1×1(m)受开挖影响大，最终变形达到24 mm。

3.1.2 地表沉降

根据图12所示地表沉降曲线图可知，刚度越大的桩周边地表沉降越小;在开挖深度增加下，刚度大对基坑周围具有较强的保护作用。截面取b×h=1.5 m×2.4 m地表沉降控制在2 mm 内，而截面取b×h=1 m×1 m在7 mm以内。

图11 不同刚度下桩变形曲线图Fig.11 Pile deformation curve diagram under different stiffness

图12 不同刚度下地表沉降曲线图Fig.12 Surface subsidence curve diagram under different stiffness

图13 不同间距下桩变形图Fig.13 Pile deformation diagram under different spacing

图14 不同间距下地表沉降图Fig.14 Surface settlement diagram under different spacings

3.2 支护桩间距的影响

考虑支护桩不同间距下，对周边建筑的影响以及自身的变形。分别考虑桩间距3.0 m，3.6 m和4.2 m，得到桩变形曲线图如图13所示，地表沉降曲线图如图14所示。

3.2.1 桩体变形

由图13可以看出:支护桩受间距有一定的影响，间距越小，则桩体变形越小。桩间间距考虑实际现场情况和经济效益下取值，在这3种取值下，支护桩变形差别不大，但变形受到桩间距的影响。

3.2.2 地表沉降

由图14可以看出:在考虑三种桩间间距下，其沉降值的差别不大，但仍可看出桩间间距小，沉降也小。这是因为桩的水平位移小，导致靠近桩的土体水平位移和竖向位移小。因此，桩间间距小对周边地表沉降影响小，能更好地保护周边建筑物安全。

通过以上考虑不同因素的影响下，刚度越大，间距越小，桩的变形越小，对基坑周边影响越小。在考虑经济效益和安全的情况下，在重庆南坪基坑处，桩体采用截面为b×h=1.5 m ×2.4 m，间距为3.6 m最适宜。

4 结论

(1)在考虑临近建筑物因素下，因上部覆土层较厚，桩体变形主要在上部，且桩后土压力呈“”分布。随着开挖深度的增加，桩体变形和土压力增大。对比考虑与未考虑支护临近建筑物变位的影响，未考虑临近建筑物对桩变形及地表沉降影响小。

(2)通过采用不同截面尺寸来考虑桩不同刚度，可以知道截面尺寸越大，刚度越大，抵抗变形的能力越大，则桩的变形越小，地表沉降越小。但在设计与施工中桩的截面尺寸需考虑经济与安全2种因素，因此，优化选取了合理截面尺寸。

(3)在不同桩间距下，间距越小，桩的变形越小，地表沉降越小。本文研究三种间距下，其桩体变形和地表沉降值差别不大。研究结论可以较好地指导基坑施工，确保基坑和周边建筑物的安全。

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