冻胀环境下哈尔滨市某桩锚支护深基坑工程监测研究*

崔高航　刘守花　王兆亮　张荣江

冻胀环境下哈尔滨市某桩锚支护深基坑工程监测研究*

崔高航①刘守花①王兆亮②张荣江③

( ①东北林业大学土木工程学院哈尔滨150040)

( ②云南建工基础工程有限责任公司昆明650500)

( ③中国建筑一局( 集团) 有限公司北京100161)

摘要哈尔滨等寒区深基坑的监测以及理论研究十分不足，对历经冬季的深基坑的研究更是少之又少。对哈尔滨市香坊区安埠商圈核心区改造深基坑工程在基坑开挖过程中的监测数据进行统计、分析，并对施工过程中基坑护壁桩东侧区域的破损进行分析。结果表明：该桩锚支护的深基坑，围护结构沿深度方向的变形属于复合式变形，基坑的空间效应不明显。以1/2基坑的开挖深度为分界线，同一深度处分界线以上的阳角处的水平位移大于阴角处的水平位移，分界线以下则相反； 采用钢板桩和护壁桩的组合形式没有直接采用护壁桩的效果好； 基坑的稳定性受地基土冻胀的影响不可忽略。支护方案总体可行，但是有部分区域护壁桩破损情况，安全储备有待提高，类似工程进行支护设计时应提高安全储备。研究结果为哈尔滨地区的深基坑工程的设计和施工提供了重要的依据。

关键词深基坑桩锚支护监测冻胀

( ①Northeast Forestry University School of Civil Engineering，Harbin 150040)

( ②Yunnan Construction Engineering Foundation Engineering Co．，Ltd．，Kunming 650500)

( ③China Construction First Building( Group) Corporation Limited，Beijing 100161)

0引言

深基坑(开挖深度H≥7m)工程是一项综合性强的系统工程，也是复杂的岩土工程问题(龚晓南， 2005)，既涉及有土力学中强度和稳定性的问题，又包括扰动和变形的问题，同时还应考虑施工过程以及土体与支护结构的相互作用(Ouetal.， 1996)。随着城市建设的不断发展，出现了大量形状复杂的超大型深基坑，由于建设用地的局限性以及严峻的周边环境和复杂的地质条件，基坑工程在施工过程中常有安全事故发生。例如2005年7月21日，广州某基坑发生坍塌事故，事故造成5人受伤， 3人不幸遇难，且事故造成地铁停运将近24h，基坑附近的海洋宾馆部分坍塌，邻近宿舍楼590名居民紧急搬迁，本次事故造成的总损失超过两亿元。唐业清等(1999)对国内414项基坑工程事故进行了调查、统计和分析，因施工因素引发的基坑事故占总事故的44%，因设计不当造成的基坑事故占总事故的41%。这与设计中依据的理论不完善以及施工过程中不注重对基坑变形的实时监测有着重大关系。基坑施工过程的实时监测和安全性分析是施工过程中的一项重要工作，通过现场监测数据的分析对基坑以及周边建筑物和地下管线的安全性进行评价，同时也可以通过对监测数据的分析对基坑实施动态优化设计。

目前，袁宝远等(2005)、 高华东(2006)、 王源等(2009)、 王连俊等(2012)和黄钟晖等(2013)通过对基坑施工过程中现场监测数据的分析，来研究基坑的变形特性和评价基坑的安全性，并根据分析结果对基坑实施动态的优化设计。张俊等(2010)通过对沈阳某深基坑进行现场监测，对该基坑的支护设计进行了研究，结果表明基坑受地基土体的冻胀作用是不可忽视的，为后续沈阳地区基坑的施工和设计提供了参考依据。张智浩等(2012)总结描述了基坑和边坡的冻胀机理及冻胀力的计算方法，对北京某桩锚支护深基坑工程冬季施工过程中实施现场监测，并对基坑采取了工程降水，通过对监测数据的分析表明：对季节性冻土地区，采取降低地下水位的方式减少冻胀很有效果，且在冬季施工时对支护体系进行现场监测是十分有必要的。

深基坑支护工程监测的研究多集中在对上海(徐中华等， 2004)、广州(安关峰等， 2006)、北京(李淑， 2013)等地区的深基坑，对哈尔滨地区深基坑开挖过程中围护结构及周围地表的变形特性尚未有详细报告，特别是对深基坑在冬季施工过程中以及冬季过后冻胀土体解冻过程中的变形特性研究更是没有。深基坑的施工工期一般在一年以上，施工过程中基坑不可避免的需要经历冬季。冬季土体的冻胀是不可避免的复杂物理过程，冻胀力对深基坑围护结构的作用是不容忽视的； 冬季过后，外界气温升高时，冻结区域中的冰晶体融化使得土体处于饱和或者过饱和状态，冻结土体发生土体的融沉，此时土体的承载能力降低，冻结土体的融沉对基坑围护结构的影响也是少有前人研究。本文的研究意义不仅在于确保工程的安全，更重要的是通过对实测数据的分析、研究，在历经严寒的冬季和冬季过后天气逐渐变暖的过程中，对哈尔滨地区深基坑支护结构的受力以及变形的规律进行总结，为哈尔滨地区深基坑的理论分析和设计计算提供重要的依据。本文以哈尔滨市香坊区安埠商圈核心区改造基坑工程为背景，通过对支护体系的变形、受力以及桩后土体的沉降数据进行分析，分析冬季土体冻胀和温度升高土体融沉时对基坑围护结构的影响，为目前的理论计算方法以及相关规范的修订提供一定的参考价值。

1工程概况

1.1工程简介

本工程位于哈尔滨市香坊区安埠商圈，东侧紧邻红旗大街，南侧紧邻通站街，北侧紧邻香坊大街，西侧紧邻7层砖混结构的居民楼住宅。施工场地狭小，场地外的车流量较大。基坑周围30m内无高层、超高层建筑，北侧、东侧紧邻香坊大街和红旗大街位置有地下商城结构，基坑北侧沿香坊大街方向有地下高压输电线贯穿基坑，埋深约1.5m。施工场地内基坑长186m，宽120m，基坑开挖深度为20.6～23.2m。

1.2工程地质特点

根据地质资料显示：施工场地所处地貌单元为松花江南岸岗阜状平原，其成因为第四纪冲积作用下形成，场地原始地貌已被破坏，地形、地势平坦。施工场地内地基土以堆积物为主，基坑范围地层主要由第四系全新世地层组成，由上至下划分为8个主层， 3个亚层，各层土的基本物理力学参数(表1)。

表1　地层分布参数

图1　监测点的布置图Fig. 1　Layout of monitoring points

1.3地下水情况

施工场地地下水类型属于松散层系潜水，初见水位埋深在地面下25.70～27.50m，稳定水位埋深在地面下24.80～27.00m，其主要含水层为第4层粗砂，其涌水量及水位埋深幅度范围受松花江水位变化的影响，年变化幅度在2～3m左右。地下水动态变化规律为： 7～9月份为丰水期， 12月份至翌年3月份为枯水期，年变化幅度大于3m。

1.4基坑的支护设计与开挖的方案

基坑的支护形式为支护桩+冠梁+锚杆+桩间挂网喷射混凝土。支护桩分为4种形式： ①Q235(I40a)钢板桩+800mmC25单排护壁桩：基坑东侧、南侧，靠近红旗大街、通站街一侧； ②800mmC25单排护壁桩：基坑西侧、东北角部； ③800mmC25单排护壁桩：基坑西侧紧邻居民楼； ④600mmC25单排护壁桩+放坡Q235(I40a)钢板桩：基坑北侧，邻近香坊大街一侧。冠梁采用C25混凝土，截面尺寸为550mm×800mm，主筋配置为5φ18+4φ14。

本工程基坑的开挖采用的是分层分区开挖，共分为A、B、C、D、E5个区域(图1)。

2监测设计

基坑工程施工的顺利进行，不仅要保证基坑自身的安全(围护结构变形控制在一定的范围内、坑底土体的隆起不宜超过限值)，而且需要确保周围建筑物、构筑物、管线等的变形在允许的范围内，不影响正常使用。

2.1监测项目、测点布置及监测频率

本次基坑监测项目包括以下内容：利用测斜仪DGK-601获得深层水平位移； 全站仪R-422测量钢板桩、围护桩顶、冠梁的水平位移； 振弦式传感器609A测得锚索的拉力值； 精密水准仪蔡司DINI-3测量周边建筑物、道路路面的沉降。按照上述的监测项目，确定实地监测点的布置(图1)。从工程施工开始到地下工程施工结束为止，每天对监测点监测一次。

2.2监测的预警指标

一般情况，基坑安全监测内容分为基坑支护体本身的安全监测和基坑周围环境的监测(贺炜等， 2013)。对于基坑监测预警值的控制指标讲，必须由控制累计变化量和控制单位时间变化量的指标共同组成。

本工程东面紧邻红旗大街、南侧紧邻通站街、北侧紧邻香坊大街、西侧紧邻7层砖混结构居民住宅楼，住宅楼距基坑最近处约为4m，施工场地狭小，紧邻道路的车流量大并且是哈尔滨市重要的交通线路。综合考虑，该基坑侧壁的安全等级为一级。按照建筑基坑支护技术规程(JGJ120-2012)规范规定，设定基坑的监测预警值。

3监测成果及分析

3.1基坑深层水平位移及路面沉降分析

图2(a)　KB1、KB2、KB4号点位随深度变化的水平位移Fig. 2(a)　Horizontal displacement of KB1，KB2，KB4 point with the depth change

图2(b)　KB5、KB6、KB7号点位随深度变化的水平位移Fig. 2(b)　Horizontal displacement of KB5，KB6，KB7 point with the depth change

图2(c)　KB8、KB9号点位随深度变化的水平位移Fig. 2(c)　Horizontal displacement of KB8，KB9 point with the depth change

由图2a和图2b看出：基坑中间部位深层水平位移并没有明显的大于基坑两边深层水平位移，两个位置处沿基坑深度方向的水平位移大小相近，部分深度处基坑边两侧的水平位移还会大于中间部位的水平位移。由图2c看出，阳角处测点KB9沿深度方向的水平位移并没有大于阴角处测点KB8的水平位移，以H/2为分界处，以上KB9测点的水平位移大于KB8的水平位移，以下位移变化则是相反的。由图2 看出：该基坑的水平位移最大值位于KB8号点位的地下1m处，最大位移为13.73mm， 0.05%H，最大位移远小于警戒值45mm，且位于0.04%H～0.218%H范围内(李淑等， 2012)，该基坑围护结构的变形根据归纳(郑刚等， 2012)应该属于复合式的变形，并且由图(2)中可以看出，沿基坑深度方向在锚杆附近区域的水平位移相对较小，而在锚杆与锚杆中间位置处水平位移相对较大，沿深度方向水平位移的数值比较稳定，没有明显的最高点。

由图2b、图2c看出，KB5 5个测点的水平位移大致相同，由图1 中看出，KB8、KB9测点位于基坑西侧，紧邻7层砖混结构的居民楼住宅，增加了桩后土体对支护桩的主动土压力； 其他点位于基坑南侧，紧邻通站街周围没有建筑物，相对西侧围护结构支护桩受到较小的主动土压力。南、西侧壁支护结构唯一区别为南侧壁采用的支护桩为钢板桩+护壁桩，工期较短、造价低、工艺简单，而西侧壁采用护壁桩。

在2014年3月21日基坑全部见底。自2013年12月1日至2014年3月21日，即基坑全部见底之前，不同深度的观测点处的水平位移随时间呈线性增长趋势，以后的水平位移增长速度逐渐变慢，最终位移增长速度总体趋于收敛。

图3(a)　5m深度围护桩测点随时间变化的水平位移Fig. 3(a)　At the depth of 5 meters the horizontal displacement of retaining pile point with the time change

图3(b)　15m深度围护桩测点随时间变化水平位移Fig. 3(b)　At the depth of 15 meters the horizontal displacement of retaining pile point with the time change

图3(c)　20m深度围护桩测点随时间变化水平位移Fig. 3(c)　At the depth of 20 meters the horizontal displacement of retaining pile point with the time change

3.2锚杆的受力分析

图4显示除M1号测点处的第一层锚杆外，其余锚杆的受力随着基坑开挖深度不断增加，锚杆的受力趋于收敛状态。M1号测点处的第一层锚杆的受力不断的减小，最后受力收敛于84kN，主要因该部位靠近基坑的北侧，施工空间较充足，采用放坡开挖，第1层锚杆正好处于放坡段，桩后土体的主动土压力较小，使得锚杆所承担的主动土压力小于锚杆的预应力，致使锚杆有一定的收缩趋势达到受力平衡； 并且伴随着下层锚杆的参与工作分担上部的主动土压力，从而使得该处的锚杆的受力呈现不断减小，直至收敛于84kN。

图4(a)　M1号点位处不同深度锚杆随时间变化的受力Fig. 4(a)　At the M1 point the force of different bolt depth as the time change

图4(b)　M3号点位处不同深度锚杆随时间变化的受力Fig. 4(b)　At the M3 point the force of different bolt depth as the time change

图4(c)　M5号点位处不同深度锚杆随时间变化的受力Fig. 4(c)　At the M5 point the force of different bolt depth as the time change

图5　基坑东侧护壁桩破损图Fig. 5　Pit east side retaining piles damaged map

4基坑土体冻胀及失稳的应对措施

4.1基坑局部失稳及应对措施

在基坑的开挖及开挖后临空过冬时期，基坑在整体上是保持稳定的。但是自2014年3月末以后，哈尔滨地区冻结的土体逐渐开始融化，基坑坑壁多处有渗水现象，基坑东侧较为严重 (图5)。从图4b中可以看出，M3测点处的第三排锚杆受力在2014年4月23日发生突变，由106.973kN突变到127.942kN。反应在基坑稳定性上，表现为基坑东侧护壁桩出现2m×2m破损洞，破损部位内部的水土流失严重。在破损部位的下方还存在有3处较严重的水土流失问题。

导致基坑东侧护壁桩破损及桩间土水土流失的原因有很多，主要的原因归结为以下几点：该侧支护桩为钢板桩+护壁桩，钢板桩的防水性能比较差，抗侧压的能力比较低，且与护壁桩衔接不好，该支护方式的整体性差； 施工过程中进出场车辆(材料的进场与基坑开挖土体的运出)均经过基坑东侧，车辆荷载使得基坑护壁桩的受力增加； 2014年4月下旬持续间断的降雨，使得护壁桩桩后的土体含水量增大，桩后土体承载力下降并且对桩的作用力增加； 基坑周边的排水不好，导致雨水长时间滞留在基坑周边，水渗入土体内部； 3、4月份的哈尔滨，昼夜温差很大，使得桩后土体及桩间土体反复冻融，导致土的密实度降低，反复冻融使得钢筋混凝土护壁桩的耐久性和抗压强度等降低。

发现基坑东侧小部分护壁桩破损后，立刻组织相关专家进行现场勘察，依据相关规范，通过验算快速制定合理的处理措施如下：对发生水土流失的4个部位从上往下依次进行处理，采用C20细石早强混凝土灌注填充； 施工进出场车辆改为由基坑北侧进出场； 基坑周边加设多条排水沟，保证大气降水不再基坑周边囤积； 每天进行天气预报监控，在大雨来临之前，做好坑内集水坑工作及安装好排水设备。在以上措施采取后，基坑坑壁小范围的失稳现象消失，由图4b中也可以看出，M3测点处的第3根锚杆的受力逐渐收敛。

4.2土体冻胀对基坑稳定的影响

该基坑自2013年10月24日开始进行土方开挖施工，截止2014年3月21日基坑全部见底，共历时146d。在该段时间内基坑长时间处在临空的状态，并且基坑将面临-15℃到-30℃的恶劣天气，护壁桩后的地基土的冻胀将会对护壁桩产生巨大的冻胀力，对基坑安全性是一个巨大的挑战。为了保证基坑在入冬后的安全性，采取以下措施对基坑进行保护。保温材料的厚度h可根据热工计算式(1)求得。

(1)

式中，H为冻土深度(哈尔滨地区取1900mm)； β为材料对土壤冻结影响系数。

得出本工程宜采用600mm厚的保温材料。即对基底土方及基坑坑壁均采用厚度为600mm的膨胀珍珠岩进行保温处理。

由图(2)基坑坑壁深层水平位移随时间变化和图(4)锚杆受力随时间变化可以看出，自2014年1月份至3月末，无论是基坑坑壁的深层水平位移还是锚杆的受力均处于缓慢增长的状态，基坑坑壁深层水平位移的最大值10.425mm远小于警戒值45mm，锚杆受力的最大值也是远小于设计拉力标准值。由此看出，该工程采取的保温措施是有效的。冬季基坑坑壁深层水平位移和锚杆受力并不是不变的，而是缓慢的增加，原因主要有：所采取的措施只是对基地土方和基坑坑壁进行了保温处理，并没有对护壁桩后的土体进行相应的保温处理，温度的下降使得桩后土体冻结，由于表层是杂填土含水量较高，土体冻结后体积增大，此时由于空间有限，护壁桩对土体体积增大有一定的约束作用，护壁桩与桩后土体就会产生相互作用力——冻胀力。冻胀力作用在护壁桩上使得坑壁深层水平位移以及锚杆受力有所增加； 该工程四面紧邻交通要到，场地外的车流量比较大，车辆的动荷载对基坑也有一定影响作用。自2014年3月末至5月末，图(3)、图(4)曲线较之冬季时期的增加较为迅速， 3、4月份哈尔滨的昼夜很大，护壁桩后及桩间的土体、护壁桩反复冻融； 5月份桩后土体融化，含水量增加使得土体处于饱和或者过饱和状态，桩后土体的承载能力降低，作用在桩上的主动土压力增加，使得基坑坑壁深层水平位移和锚杆的受力增加的比较迅速。

自2014年5月末以后，基坑的围护结构以及桩后土体达到一个相对稳定的状态，基坑深层水平位移和锚杆受力逐渐的收敛。

5结论

(1)本案例桩锚支护深基坑，围护结构的最大水平位移13.73mm，且位于0.04%H～0.218%H范围内，最大水平位移远小于警戒值45mm； 桩锚支护的深基坑空间效应不明显，在H/2以上阳角处深层的水平位移大于阴角处的水平位移，以下则相反。

(2)采用护壁桩的围护结构比采用钢板桩+护壁桩的围护结构的效果好，建议以后本地基坑工程采用护壁桩。

(3)该基坑总体稳定性良好，但是基坑东侧部分区域出现失稳，坑壁多处出现渗水现象，由于及时采取了补救措施，保证了工程的安全。后续再有类似工程，应该注意基坑周边的排水工作。

(4)土体冻胀对基坑的影响不容忽视，特别是应该注意冻融过后对基坑稳定的影响。

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ONEXCAVATIONMONITORINGOFAPILEANCHORSUPPORTDEEPPITUNDERFROSTHEAVINGCONDITIONINHARBINAREA

CUIGaohang①LIUShouhua①WANGZhaoliang②ZHANGRongjiang③

AbstractMonitoring and theoretical research on cold deep pits were very inadequate in Harbin area， fewer on the foundation pit through the winter season. The statistics and analytical process were conducted on monitoring data of Anbu trade area renovation deep excavation pit in Xiangfang district， Harbin. The results show that： The deformation of support structure in the depth direction was composite， and the space effect was not obvious. Take the 1/2 height of pit depth as dividing line， the horizontal displacement of sun angle was greater than negative angle at the same depth above dividing line; the results was opposite below the dividing line. The Supporting effect of the combination of steel sheet pile and PILES wasn’t directly better than only PILES， and the stability of the of soil frost heave effect should be taken into account during excavation process. Generally， this support program was feasible， but there were some damages of PILES，the safety factor should be improved. Some similar projects should improve the safety factor during the support system design. The results provided an important basis for the design and construction of deep foundation in Harbin area．

Key wordsDeep foundation， Pile-anchor support， Monitoring， Frost heave

DOI:10.13544/j.cnki.jeg.2016.02.021

* 收稿日期：2015-03-26; 收到修改稿日期： 2015-08-31.

基金项目：中央高校基本科研业务费资金(DL12CB03)， 黑龙江省自然科学基金(E201149)， 黑龙江省教育厅(12513013)资助.

第一作者简介：崔高航(1973-)，男，博士，副教授，主要从事岩土工程、城轨交通引起的环境振动问题研究. Email: cghiem@163.com

中图分类号：TU473

文献标识码：A