桩锚-土钉墙支护基坑变形特性分析

——以昆明某基坑支护工程为例王国洪，刘华宁

(1.江苏兴水建设工程有限公司，江苏南京 210001；2.江苏省水利建设工程有限公司，江苏扬州 225003)

桩锚-土钉墙支护基坑变形特性分析

——以昆明某基坑支护工程为例王国洪1，刘华宁2

(1.江苏兴水建设工程有限公司，江苏南京 210001；2.江苏省水利建设工程有限公司，江苏扬州 225003)

在昆明某基坑支护工程中采用桩锚-土钉墙联合支护体系的基坑支护方案，并对基坑开挖过程中周边土体水平位移、沉降及周边建筑物处土体沉降进行了监测分析。结果表明，基坑开挖过程中周边土体最大水平位移接近15 mm，最大沉降接近22 mm，周边建筑物处土体最大沉降接近20 mm，均小于变形预警值，达到基坑支护要求。

岩土力学；土钉墙；桩锚；变形；沉降；基坑监测

土钉墙由于其造价经济、施工快捷简单等优点，近年来在基坑支护工程中得到了较为广泛的应用[1-8]。随着土钉墙在基坑支护中的大量应用，人们对其在基坑支护过程中的受力机理也进行了较多的研究[9-12]。赵德刚等[9]结合实际工程，采用平面有限元程序分析了复合土钉墙和搅拌桩重力坝的变形特性，基于硬化模型模拟了土在卸荷条件下的变形特性，并在数值分析中利用强度折减法分析基坑开挖后的稳定性。秦四清等[10]基于自主开发的SnEpFem土钉有限元分析系统，分析了预应力施加位置及水平、坡面水平位移、坡顶沉降及其范围、坑底隆起、张拉和塑性区的作用机制，并对一工程实例进行了位移对比分析，验证了SnEpFem 系统的可靠性。宋二祥[11]对复合土钉支护中卸载条件下土体变形模式、模型参数的选用以及开挖过程的模拟等问题进行了探讨，并通过计算分析了水泥搅拌桩与土钉联合形式的复合土钉支护的工作性能，加深了人们对复合土钉支护机理的理解。

目前对土钉支护的研究主要集中在其受力特点及破坏模式上[13-16]，对于采用土钉墙支护的基坑的周边土体变形特征却较少报道。采用护坡预应力排桩加土钉墙的基坑支护形式能充分发挥护坡排桩的挡土作用，使基坑周边土体保持稳定，控制周边土体变形，最终达到经济、安全、高效的基坑支护目的。

本文针对中国移动云南有限公司呈贡通信生产楼基坑支护工程(其采用土钉墙加护坡预应力排桩的基坑支护形式)，对基坑开挖过程中土体的变形进行了监测。通过对基坑周边土体变形数据的分析，总结土体变形规律，并判断基坑支护方案是否满足设计要求，对其他类似工程有一定参考作用。

1 工程概况

由中国移动通信集团云南有限公司兴建的呈贡通信生产楼及区域服务中心建设工程位于昆明市呈贡区东部新城区，彩云北路西侧。整个建筑根据使用要求在地上划分为通信生产综合楼、附属楼和营业厅3个主体, 场地面积约20 713.82 m2。该工程基坑开挖边线距离周边市政主干道及区行政中心较近，周边场地环境复杂，基坑边线填土较厚(局部达10 m厚)，基坑平均开挖深度接近10 m，基坑开挖深度较大。为了减小基坑周边位移，确保周边道路、建筑物安全，从安全、经济和施工工期等因素考虑，基坑总体支护方案为土钉墙+护坡预应力锚桩，即基坑东侧和南侧采用土钉墙支护，坑周壁根据地层及地面荷载情况分段采用土钉挂网喷砼支护，北侧和西侧采用护坡排桩+土钉墙联合支护以保护城市道路，基坑东北角局部夹有泥炭质土，采用护坡桩+土钉墙支护。

2 工程地质概况

根据岩土勘察报告，勘察钻孔揭露深度范围内土层，按成因类型，结合岩性与物理力学特征划分为6个单元，6个亚层，1个透镜体，其中对基坑支护影响较大的地层现自上而下分述如下。

2.1 第四系人工填土(Qml)

1)素填土：棕红、灰黄色，由黏土组成，自由膨胀率为26%～38%。厚度为3.50～12.20 m，平均为4.65 m，整个场区均有分布。

2)耕植土：褐灰色，由黏土组成，含有少量植物根茎及炭屑，结构疏松，欠固结，厚度为0.20～1.70 m，平均为0.75 m，整个场区均有分布。

2.2 第四系冲洪积层(Qal+pl)

黏土：棕红、灰黄色，硬～坚硬状，刀切面光滑，韧性及干强度高，该层土具有黏土特征，平均含水率为62%，硬塑状态。顶板埋深为4.20～9.30 m，厚度为0.50～13.40 m，平均为5.41 m，整个场区均有分布。

2.3 第四系冲湖积层(Qal+l)

黏土：浅灰色，硬塑～坚硬状，刀切面光滑，韧性及干强度高，顶板埋深为6.70～23.30 m，厚度为0.40～12.20 m，平均3.66 m，分布于场区东侧。

泥炭质土：黑色，可塑～硬塑状，有机质含量为27.5%，具高孔隙比(e=2.176)，高含水量(W=104.2%)，具中压缩性(a1-2=0.45 MPa-1),局部为高压缩性(Es1-2=7.92 MPa),顶板埋深为9.80～20.10 m，厚度为0.60～3.70 m，平均2.34 m，呈透镜体分布于本层黏土中。

2.4 第四系残坡积层(Qel+dl)

粉质黏土：紫红、棕黄色，硬～坚硬状，刀切面光滑，韧性及干强度高，顶板埋深为5.60～31.00 m，厚度为3.50～28.70 m，平均为19.89 m，整个场地均有分布。

根据现场调查，场地内无地表水体。场地地下水类型为第四系松散层孔隙水，主要含水层有填土、黏土、粉质黏土、泥炭质土，无统一地下水水位，基坑开挖深度为6.6～11.2 m，各土层主要物理力学性质参数如表1所示。

表1 各土层主要物理力学性质参数表

注：表中带*号的为经验数据。

3 基坑支护方案

本基坑安全等级为一级，平均开挖深度接近10 m，考虑施工工期、工程安全及经济性要求，基坑支护方案采用土钉墙+护坡排桩支护形式。上部边坡采用1∶1放坡开挖，设置两排土钉，双排土钉深度方向间隔为1.5 m，水平方向间隔为1.5 m。其中上排土钉长度为6 m，下排土钉长度为9 m，双排土钉倾斜角为15°。上部边坡土钉施工结束之后对坡面喷射混凝土，喷射混凝土面层采用C20混凝土，面层厚度为100 mm，配置双向Φ8 mm钢筋网，钢筋间距为200 mm。

由于场地限制及基坑稳定性要求，基坑下部采用护坡排桩+锚索支护形式。护坡排桩为现浇灌注桩，桩径为600 mm，桩顶部设置两排预应力锚索，锚索深度方向间隔为3.4 m，水平方向间距为3 m。其中上排锚索自由段长度为6 m，锚固段长度为12 m，下排锚索自由段长度为6 m，锚固段长度为10 m，两排预应力锚索倾斜角为25°。具体基坑支护结构剖面图如图1所示。

图1 基坑支护结构剖面图

4 基坑监测及结果分析

4.1 基坑监测控制标准

基坑监测是基坑信息化施工的重要保障，通过基坑监测可以实时了解基坑稳定状态，并依据监测数据实时调整基坑施工手段，确保周边建构筑物、道路及施工人员的安全。

依据规范及设计要求，在基坑周边15～20 m布置沉降观测点，并在周边建构筑物、道路上布置沉降观测点，以监测在基坑施工过程中周边环境的变化，保证基坑自身及临近建构筑物的安全稳定性，另外在基坑边缘2.5，4 m处打设2个测斜孔以观测基坑开挖过程中土体深度方向水平位移变化情况。基坑监测频率为2天，若遇暴雨及异常情况，加密监测频率。

本基坑工程安全等级为一级，依据工程规范[17]，墙顶竖向位移报警值为45 mm，水平位移报警值为35 mm，基坑周边沉降预警值为25 mm。基坑监测资料及时报施工、设计、监理单位，当变形值过大或变形速率过快时，应立即分析处理，并采取相应的应急预案措施，基坑变形控制要求见表2。

表2 基坑监测要求

本基坑监测在基坑北侧区域布置了5个沉降观测点，编号分别为N-1—N-5，在基坑南侧区域布置了5个沉降观测点，分别为S-1—S-5，此外，在基坑北边界及南边界布置了2个测斜孔，分别为C-1，C-2，其中C-1距离基坑边界为2 m，C-2观测点距基坑边界为4.5 m。为了分析基坑开挖对周边建筑物的影响，在基坑西侧两栋建筑物周边，分别布置了5个沉降观测点，观测点编号分别为NJ-1—NJ-5，SJ-1—SJ-5。具体沉降监测点及测斜孔布置图见图2。

图2 基坑监测点布置平面图

4.2 基坑监测结果

4.2.1 基坑周边土体水平位移

为了分析在基坑开挖过程中周边土体深度方向水平位移的大小，在基坑北边界及南边界设置2个测斜孔，测斜孔距离基坑开挖边缘分别为2.5，4 m。两侧斜孔水平位移图如图3和图4所示，需要说明的是，图中所指的水平位移为测斜孔绝对位移，实际土体水平位移为不同日期绝对位移差值。

图3 C-1测点水平位移图

图4 C-2测点水平位移图

从图3和图4可以看出，随着基坑开挖深度的不断增大，基坑周边土体水平位移不断增加，且距基坑边缘4.5 m处的观测点其水平位移大小要小于距基坑边缘2.5 m处水平位移观测点。对于C-1测斜孔，在监测范围内土体最大水平位移接近15 mm，而C-2孔在监测期间内最大水平位移仅有5 mm左右，两孔最大水平位移均位于地表面。

施工开挖步骤对水平位移变化速率有着重要影响，在基坑开挖初期，由于是采用放坡开挖加土钉支护的形式进行基坑支护，基坑周边上部土体水平位移速率变化较快。到2012-02-05之后，土钉墙支护已经施工完成，基坑开始进行排桩下方土方开挖。由于排桩加锚索的支护形式其支护刚度大，周边土体水平位移变化较小，土体水平位移主要集中在基坑土钉支护深度范围内，主要是由周边道路车辆荷载及场地内一些零星堆载所引起，排桩支护深度范围内土体水平位移变化很小。

对于C-2测斜孔而言，其水平位移变化规律与C-1孔基本一致，但由于其距基坑开挖边缘较远，其土体水平位移值较小。此外需要说明的是，由于施工操作的影响，C-2测斜孔在后期遭到破坏，无法获得排桩下土方开挖过程中土体的水平位移观测数据。

根据对基坑开挖中土体水平位移的分析，土体在开挖过程中最大水平位移均未超过监测预警值20 mm，表明采用土钉+护坡排桩的基坑支护形式，达到了基坑支护要求。

4.2.2 基坑周边土体竖向沉降

基坑开挖引起周边土体沉降如图5—图6所示，由于基坑面积较大，在基坑北侧区域布置沉降观测点5个，在基坑南侧布置沉降观测点5个，沉降观测点位置分布见图2。

图5 基坑北侧土体沉降曲线

图6 基坑南侧土体沉降曲线

从图中可以看出，基坑开挖引起的土体沉降主要集中在土钉墙施工阶段，在这一阶段土体沉降速率较大，对于北侧基坑周边土体而言，其最大沉降值为19 mm，位于N-5观测点附近，南侧基坑周边土体最大沉降值为22 mm，位于S-5观测点附近。

在土钉墙支护阶段，由于采用开挖放坡的形式，土钉墙刚度相对较小，土体沉降速率较大，在排桩下方土体开挖阶段，由于排桩+预应力锚索支护刚度较大，土体沉降区域稳定，土体变形较小。为了监测基坑开挖对基坑北侧主干道的影响，在主干道外侧布置沉降观测点N-1，从该点土体沉降曲线来看，由于该观测点距基坑开挖距离较远，该处土体最大沉降为5 mm，说明基坑开挖对主干道的正常运营影响较小，满足变形要求。

基坑南北两侧土体最大沉降点分别位于观测点S-5，N-5，这可能是因为在该部位基坑形状变化差异较大，拐角较多，且土钉墙支护深度较深，支护刚度较小，综合以上因素考虑，在该部位基坑周边土体沉降较大。

根据对基坑开挖过程中周边土体沉降的分析，土体在开挖过程中最大水平位移均未超过监测预警值25 mm，表明本工程所采用的基坑支护形式，达到了基坑变形控制要求。

4.2.3 周边建筑物土体竖向沉降

为了分析基坑开挖对周边建筑物的影响，在基坑西侧两栋建筑物周边分别布置了5个沉降观测点，以监测周边建筑物处土体沉降变化情况，建筑物沉降观测点布置见图2。两栋建筑物处土体沉降变化曲线如图7和图8所示。

图7 北侧建筑物周边土体沉降图

图8 南侧建筑物周边土体沉降图

从图7和图8可以看出，由于2栋建筑物距离基坑开挖边缘较近，其周边土体变形值也较大，最大变形值接近20 mm，但均小于沉降预警值。与基坑周边土体沉降变形规律一致，土体沉降变化较大阶段主要集中在土钉墙支护阶段，在护坡排桩下部土体开挖阶段，土体沉降基本保持稳定。从图中还可以看出，虽然建筑物周边各监测点土体沉降规律基本一致，但不同观测点处土体沉降值差别较大，总体表现为距离基坑开挖边缘越近，土体沉降值越大，因此在基坑开挖过程中不仅需要对周边建筑物周边土体绝对沉降进行监测，还需对建筑物周边土体差异沉降进行分析，从而确保在基坑开挖过程中周边建筑物的稳定性。

5 结 语

1)采用土钉墙+护坡排桩基坑支护形式，基坑周边土体变形主要集中在土钉墙施工阶段内，排桩下部土体开挖阶段基坑变形较小，因此在基坑施工过程中需重点关注初期土钉墙施工阶段基坑周边土体变形状况，确保工程施工的顺利进行。

2)在本基坑开挖过程中，基坑周边土体水平位移、沉降值及周边建筑物土体沉降值均小于预警变形值，表明采用土钉墙+护坡排桩的支护形式周边土体变形可控，满足支护要求。

3)在地下水位较低的场地中，土钉墙+护坡排桩基坑支护方式施工速度较快，支护效果较好，工程造价经济，适用于开挖深度在10 m以内的基坑。

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Deformation analysis of foundation pit supported by soil nailing wall-anchored pile system:

Taking a foundation pit excavation project in Kunming as exampleWANG Guohong1, LIU Huaning2

(1.Jiangsu Xingshui Jianshe Gongcheng LTD, Nanjing, Jiangsu 210001, China; 2. Jiangsu Hydraulic Engineering Construction Company LTD, Yangzhou, Jiangsu 225003, China)

The supporting scheme of soil nailing wall combined with anchored pile was applied in a foundation pit excavation project in Kunming. The soil horizontal displacement and soil settlement around the foundation pit, and the soil settlement near the adjacent buildings were monitored and analyzed. The result shows that the maximum horizontal displacement is about 20 mm, the maximum soil settlement is 22 mm, and the soil settlement near the adjacent buildings is about 20 mm. All the soil deformation values are smaller than the prewarning value, showing that the scheme meets the foundation excavation requirement.

rock and soil mechanics; soil nailing wall; anchored pile; deformation; settlement; foundation pit monitoring

1008-1534(2015)06-0503-06

2015-06-15;

2015-09-10；责任编辑：冯 民

王国洪(1967—)，男，江苏丹阳人，高级工程师，主要从事工程施工方面的研究。

E-mail:497171320@qq.com

TU413

A

10.7535/hbgykj.2015yx06007

王国洪，刘华宁.桩锚-土钉墙支护基坑变形特性分析[J].河北工业科技,2015,32(6):503-508. WANG Guohong, LIU Huaning.Deformation analysis of foundation pit supported by soil nailing wall-anchored pile system [J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2015,32(6):503-508.