深基坑工程桩锚支护结构监测及分析

2012-12-09耿亚杰

黄河水利职业技术学院学报 2012年4期

王斌，耿亚杰

（黄河水利职业技术学院，河南开封 475004）

0 引言

深基坑桩锚支护工程监测就是要通过构筑护坡桩、埋设预应力锚索、安装相应的传感器，随时掌握桩锚支护结构的变形、受力情况，以便及时发现问题、更改设计和施工中的不足，为下一步的安全施工作准备，确保基坑安全开挖。本文主要根据对河南省某深基坑工程的支护桩顶水平位移、支护桩的深层水平位移、支护桩内钢筋应力、支护桩后土体分层沉降和周围建筑物沉降进行的现场监测及通过监测提供的动态信息来指导施工全过程，为降低工程成本、提高基坑安全性提供设计依据借鉴。

1 工程概况及工程地质条件

1.1 工程概况

某工程设计为地下3 层、地上35 层，总建筑面积59 969 m2，总高度186 m。其基坑深度约16 m，基坑面积约88 m×39 m。基坑北侧临9 层调度楼；南侧分别临4 层砖混结构综合楼、5 层混结构住宅楼；东侧紧邻一条电缆隧道和两个大水箱，水箱重达100 t。工程区地下水位在地面以下21.8～24 m。

1.2 工程地质条件

该工程的工程地质条件如表1 所示。

表1 土的物理力学指标Table 1 Soil physical mechanical indexes

2 深基坑支护工程监测

2.1 监测点的布置

监测点总布置示意图如图1 和图2 所示。

2.2 监测结果

2.2.1 支护桩桩顶水平位移

水平位移是最能直接反映基坑安全状态的指标之一。本研究布置了12 个测点（各测点位置如图1所示），用以监测支护桩顶部的水平位移。支护桩顶各测点水平位移随时间变化曲线如图3 所示。

从图3 可以看出：基坑南侧的3 个测点S9、S10和S11 的桩顶水平位移较大，最大值分别为17.81mm、18.75 mm 和17.55 mm；S1 和S12 两个测点的桩顶水平位移较小，最大值分别为7.76mm 和7.65mm。其余测点的桩顶水平位移最大值集中在10～13 mm 范围内。

图1 支护桩顶水平位移和周围建（构）筑物沉降观测点平面布置图Fig.1 Supporting pile top horizontal displacement and its surrounding building sedimentation observation point layout

图2 支护桩深层水平位移、钢筋应力、分层土沉降及锚索应力观测点平面布置图Fig.2 Supporting pile deep horizontal displacement,reinforcement stresses, layered soil sedimentation and anchor rope stress observation point layout

图3 支护桩桩顶水平位移Fig.3 Supporting pile top horizontal displacement

S9 测点水平位移比较大的原因是：（1）这个测点位于基坑南侧的中间部位。由于基坑工程具有空间效应，深基坑中部的支护结构受两侧基坑侧壁的约束比较小，甚至可以认为不受相邻基坑壁的约束，所以变形通常比较大。（2）该测点位于四层综合楼和五层住宅楼的交接处，所以其变形比较大。（3）该测点在基坑的最深处（16.1m）。S10 测点水平位移较大的原因是，该测点南邻4 层综合楼，而且也位于基坑中间部位，空间效应的影响较大，所以该测点位移较大。 S11 测点位于基坑西侧和南侧交接处，受到西侧和南侧的共同影响，其位移也比较大。

S1 和S12 测点位移较小的原因是：（1）两个测点都位于基坑西侧，其开挖深度较浅，仅14.8m；（2）西侧无建筑物，外界因素影响较小。

从图3 还可以看出：在基坑土方开挖期间，各测点的水平位移整体呈上升趋势，在后期基础施工阶段，各测点水平位移值趋于稳定，且每条位移曲线呈明显的阶梯状上升趋势。这与桩锚支护施工时的工况有紧密联系。开挖期间，桩顶水平位移增大，锚索张拉锁定后，水平位移保持相对稳定；随着土方继续开挖，位移再次增大，锚索张拉锁定后，位移再次保持相对稳定，直至开挖和支护施工结束，位移才保持稳定。

本次实测的桩顶位移最大值为18.75 mm，根据《建筑地基基础工程施工质量验收规范》[1]，基坑支护桩顶位移监控值为30 mm。因此，本工程的基坑变形处于正常范围内，工程实践和实测数据表明，该基坑是安全的。

2.2.2 支护桩深层水平位移测试

深层水平位移也是最能直接反映基坑安全状态的指标之一，尤其是对于地下连续墙和排桩支护的基坑工程。为了了解基坑开挖时桩与土体的水平位移动态，确保基坑稳定和周围环境的安全，本工程在永久支护部位支护桩的桩身上共布置8 个监测点（如图示2 所示），测试支护桩与桩侧土体的深层水平位移。基坑东侧测点C4 不同深度处的桩身水平位移随时间变化的状况如图4 所示。

图4 深层水平位移实测曲线Fig.4 Deep horizontal displacement measured curves

从图4 中可以看出，基坑开挖初期，挡土桩水平位移变化量较小，最大位移变化量近1.35 mm（主要是桩顶）。随着基坑土方的开挖继续，在第一道锚杆未张拉之前，位移变化量一直趋于增大。开挖至3m 时，第一道锚杆张拉锁定，在预加荷载的作用下，桩身上部位移明显减小。在第二道锚杆张拉锁定前，挡土桩水平位移变化量最大，最大位移为7.2 mm，变化量为2 mm，第二排锚杆(标高-7 m)张拉锁定，在预加荷载作用下，桩身位移变化量再次减小，桩顶位移基本保持在8 mm 左右。此后，随着土方继续开挖，桩身位移继续发展，在第三道锚杆张拉之前，挡土桩水平位移也较大，最大位移为10.61 mm，变化量为1.55 mm。第三道锚杆张拉锁定后，在预加荷载作用下，桩身位移变化量再次减小。土方继续开挖，桩身位移继续增大，土方开挖到第四道锚杆处，位移为13.33 mm。第四道锚杆张拉锁定后，在预加荷载作用下，桩身位移变化量有所减小，但由于这排锚杆距离基坑底部较近，施加的预加荷载对桩身位移影响不大，而由于上部锚杆预应力的损失，桩身变形继续发展。经过20 多天后，桩顶位移才稳定至15.2 mm。在整个试验期间，各开挖阶段桩身变形均向坑内发展。挡土桩水平位移变化的规律为：（1）在土方开挖前期，桩顶位移大，深部位移小，最小点在桩底，桩身位移沿深度方向呈近似线性变化。当锚杆锁定后，桩身最大位移开始逐渐下移，说明锚杆的设立对减小结构的侧向位移起了积极的作用。（2）在悬臂受力阶段，桩顶位移变化大，在支护桩和锚索共同受力阶段，桩顶位移变化相对比较小，整个过程桩底位移变化较小。该测试结果及其表现出的规律很好地反映了施工过程基坑开挖和锚杆张拉对支护桩深层水平位移的影响。

2.2.3 支护桩内钢筋应力

桩身内力是反映基坑支护结构受力状况和安全状态的重要指标。对于桩锚支护结构，监测支护桩在不同工况下的钢筋应力，可了解桩身内力的分布状况。因此，对该实测成果进行分析，对验证设计理论和计算方法的可靠性、研究支护结构的受力特性和变化规律、保证工程顺利实施都有着重要意义。本工程在深基坑有永久支护要求的支护桩上共布置7 个测点，监测桩身内力。不同工况下，各挡土桩不同深度处应力变化曲线如图5～图7 所示。

图5 G1 测点不同工况下不同深度处内力变化曲线Fig.5 Internal force change curves of G1 observation point under different working conditions and different depths

图6 G3 测点不同工况下不同深度处内力变化曲线Fig.6 Internal force change curves of G3 observation point under different working conditions and different depths

图7 G5 测点不同工况下不同深度处内力变化曲线Fig.7 Internal force change curves of G5 observation point under different working conditions and different depths

从以上测点的内力变化曲线可知，随着基坑土方开挖，挡土桩外侧(主动侧)的钢筋应力主要受压应力。随着基坑土方开挖，桩上部钢筋应力逐渐减小，中部钢筋应力逐渐增大，桩底部分钢筋应力基本保持不变。在锚杆锁定后，挡土桩各部分钢筋应力逐渐减小。在基坑开挖的前期，被动侧的钢筋应力主要是拉应力、拉应力随着基坑土方的开挖逐渐减小，直至第一道锚杆张拉，出现压应力，随后压应力逐渐减小，开始出现拉应力。当第四道锚杆锁定后，桩内侧拉应力逐渐减小。当开挖到基坑底部时，钢筋应力主要是压应力。

从整体上来说，挡土桩主动侧和被动侧钢筋应力主要是压应力，部分出现拉应力。在基坑土方开挖初期，挡土桩外侧钢筋应力逐渐减小，内侧钢筋应力逐渐增大。当锚杆锁定后，挡土桩外侧钢筋应力开始增大，内侧钢筋应力呈减小趋势。由此可见，及时锁定锚杆，可以有效地改变桩身内力分布，起到较好的效果。

根据实测钢筋应力，可以近似计算出桩身弯矩。假定钢筋和混凝土之间没有相对滑移，且应变在截面上服从线性分布[2]，东侧G4 测点桩身弯矩随桩深度的变化曲线如图8 所示。图8 中，每条曲线代表不同的日期。

图8 桩身弯矩随深度变化曲线Fig.8 Pile body bending moment curves of different depths

从图8 可以看出，在开挖初期，桩身上部没有支撑，上部的土压力依靠开挖面以下的土抗滑力来平衡，在土压力作用下，桩身弯矩曲线呈桩端小、中间大的形状。随着开挖深度的增加，被动区的土抗力也随之增大，开挖面以下桩身正弯矩也增大。桩身上部有了锚索的预加荷载作用相当于增加了弹性支撑，在基坑外侧主动土压力、基坑内侧开挖面以下的土体抗力和锚索支撑共同作用下，桩身弯矩曲线呈“S”状。在锚索标高与开挖面标高范围内，在主动区土压力作用下，开挖面以上桩身弯矩由原来的正值变为负值，并且负弯矩也随着土方开挖的加深而增大。在被动区，桩身弯矩由负值变为正值，正弯矩也随着土方开挖和加深而增大。在后续施工阶段，桩身弯矩值基本稳定，弯曲曲线基本为“S”形。

2.2.4 支护桩后土体分层沉降

支护桩后土体分层沉降也是反映基坑安全状态的指标，用以掌握基坑底土体的回弹情况。本文在基坑周围工布置了8 个测点，用来了解支护后土体分层沉降情况。支护桩后土体分层沉降随时间而变化的曲线如图9 所示。

图9 支护桩后土体分层沉降曲线图Fig.9 Soil layer sedimentation curves behind supporting pile

从图9 可以看出，大部分测点的最大沉降值为16～19mm。在基坑土方开挖期间，支护桩后土体分层沉降呈逐渐上升趋势，锚索张拉锁定后，使得沉降趋于暂时的相对稳定。随着土方继续开挖，沉降才继续增加，锚索再次张拉锁定后，沉降再次保持相对稳定，直至土方开挖结束，沉降基本趋于稳定。原因是，在土方开挖期间，基坑土体荷载的释放，使得桩前和桩后土体失去平衡，桩后土体沉降；锚索张拉锁定后，使得土体向平衡靠拢，所以沉降趋于相对稳定。

2.2.5 周围建筑物沉降

为了研究基坑的开挖对周围建筑物的影响，在基坑周围布置了37 个观测点。各测点的沉降随时间变化的曲线如图10 所示。

图10 周围建筑物随时间沉降变化曲线图Fig.10 Surrounding buildings sedimentation curves of different times

从图10 可以看出，J32 测点的沉降量最大（12.39 mm），其次为J34 测点（10.65 mm），（其余测点的沉降量为2～4 mm。其原因是，J32 和J34 测点位于基坑南侧、四层综合楼边沿靠近基坑处，基坑的开挖对两个测点的影响较大。

从图10 还可以看出，在基坑开挖期，建筑物沉降呈阶梯增长趋势，随着第一道锚杆的张拉锁定，趋于稳定。基坑继续开挖，沉降有所增长，伴随着第二道锚杆的张拉锁定，又趋于相对稳定。在第三道锚杆张拉之前，增长趋势有所增加。在第四道锚杆张拉之前，沉降变化量最大，增长趋势最明显。在第四道锚杆张拉锁定后，沉降基本趋于稳定。