厚冲积黏性土层基坑支护结构力学行为研究*

高 鑫 王文娟 李清菲 王渭明

(1. 中铁第六勘察设计院集团有限公司隧道设计分公司， 300308, 天津;2. 山东科技大学土木工程与建筑学院， 266590, 青岛//第一作者,工程师)

目前，国内诸多学者已对深基坑工程在施工过程中的变形特征和力学特性进行了研究，并取得了丰硕的成果。文献[1-3]通过深入剖析不同基坑事故，对现有深基坑支护结构的不足进行了论述；文献[5-7]总结了不同工程案例所采用的支护结构，并通过数值模拟对不同工况下由深基坑开挖引起的土体和结构的变形特征和力学特性进行了详细分析，合理预测了结构在施工过程中的变形，为现场施工提供了有利指导。文献[8-9]基于深基坑开挖引起的施工变形，研究了建筑物力学特性的变化特征，并提出了相关建筑物基础托换和加固理论，有效避免了深基坑开挖对建筑结构的影响；文献[10-11]进行了深基坑开挖风险分析，提出了相关风险管理体系，对施工过程中的变形进行了预测和变形控制，并结合相关工程进行了探讨和应用。

本文以济南市某大型深基坑工程为背景，分析了厚冲积地层大型深基坑建设过程中的支护结构的力学行为和变形特性，对比分析了数值模拟与现场测试结果，揭示了地表沉降、围护桩变形以及锚索轴力变化规律。其结论可为今后同类工程的设计、施工提供理论依据和技术支持。

1 工程概况

济南市某深基坑支护结构如图1所示。由图1可知，基坑上部采用1∶3放坡开挖，边坡采用3道土钉墙支护(重要等级为一级)；基坑下部采用桩锚支护结构，其中桩结构采用长23 m，φ800 mm@3 m的钻孔灌注桩，在标高为-7.5 m桩顶处设置800 mm×1 000 mm的冠梁，下部基坑分别在-12.0 m、-16.0 m处设置2[28a型槽钢做腰梁；3道锚索均采用4根7φ15.24 mm高强度低松弛钢绞线，自上而下分别设置在冠梁和两道腰梁上，其长度分别为25 m、30 m和25 m，其中锚固段长度分别为16 m、21 m和20 m，自由段长度分别为9 m、7 m和5 m，设计预应力值依次为150 kN、200 kN和180 kN，灌浆采用C20水泥砂浆；垫板采用20 mm×240 mm×240 mm的钢板，锁具采用M15-9圆塔形多孔翻锚及配套夹片；采用后张法施工。

相关文献资料规定：地表控制沉降要求为30 mm以内；最大桩身水平位移倾斜度为3‰；锚索最大可损失轴力应能确保锚索设计预应力值控制在设计水平以上。

2 多支撑支护桩力学行为分析

根据相关力学知识，通过理正深基坑软件将锚索支撑简化为内支撑力，即将围护桩结构与围岩之间的相互作用由地弹簧来代替，其中坑底以上为受压地弹簧，坑底以下为受拉、受压地弹簧。简化计算模型及其受力特征如图2所示。

计算中，采取等弯矩、等反力原则对深基坑支撑进行布置。在3道锚索支撑作用下，桩锚支护结构体系力学行为特征与地表沉降曲线如图3～4所示。

a) 围护桩简化模型b) 围护桩计算模型

注：σ1为围护桩桩顶所受主动土压力，σ2为围护桩桩底所受主动土压力，σp为围护桩桩底所受被动土压力，Ra为基坑3道锚索锚固力水平分力，h为基坑深度，ho为围护桩插入深度，γ为首层土的重度，Ka为地层的主动土压力系数，Kp为地层的被动土压力系数，H为基坑周边超载折算土柱厚度，地弹簧参数则根据地勘参数计算系数取值，A、B、D分别为围护桩桩顶、桩底及基坑底部位置

图2 深基坑桩锚支护体系力学计算模型

a) 水平位移

b) 弯矩c) 剪力

图3 围护桩力学行为特征图

图4 桩锚支护结构地表沉降曲线

3 数值模拟

3.1 计算模型建立

采用FLAC3D有限差分软件对基坑开挖过程中支护结构的力学响应进行动态模拟。该数值模拟中，围岩采用摩尔-库伦弹塑性本构模型。根据基坑开挖影响范围，选取计算模型尺寸为100.0 m(长)×50.0 m(宽)×79.5 m(高)(见图5)。模型中，左右边界距基坑外侧大于3H(H为开挖深度)，下边界距坑底距离大于3H。采用位移边界条件，上边界为自由约束，下边界为竖向约束，四周为水平约束。混凝土喷层采用shell结构单元，桩体采用pile结构单元，锚索和土钉支护采用cable结构单元。荷载主要包括水土压力、地面超载(取20 kN)。材料参数取值如表1～2所示。

图5 三维计算模型

材料弹性模量/MPa截面积/mm2预应力初值/kN锚索12.0×105516150锚索22.0×105516200锚索32.0×105516180

表2 模型材料力学参数表

3.2 基坑施工模拟顺序

根据基坑原设计方案，设计模拟步骤如下：

第一步：定义材料参数，待自重应力平衡后，对竖向位移和水平位移、竖向和水平向移动速度、初始状态塑性区进行清零。

第二步：首先进行放坡开挖模拟，并施作3道土钉墙支护，长度分别为6.0 m、9.0 m、6.0 m；然后对坡面进行混凝土喷层施工。

第三步：在设计指定位置进行钻孔灌注桩及冠梁结构的施工，并在冠梁位置处打设第一道锚索。锚索长25.0 m，其锚固段长16.0 m，自由段长9.0 m。

第四步：对直墙段进行第一步开挖；依照设计指定要求，继续开挖基坑至-12.0 m，并及时施作环向腰梁和第二道锚索，第二道锚索长30.0 m，其锚固段长21.0 m，自由段长9.0 m。

第五步：对直墙段进行第二步开挖；依照设计指定要求，继续开挖基坑至-16.0 m，并及时施作环向腰梁和第三道锚索。第三道锚索长25.0 m，其锚固段长20.0 m，自由段长5.0 m。

第六步：对直墙段进行第三步开挖，依照设计要求，继续开挖基坑至-19.5 m，并进行坑底相关施工作业。

将上述基坑施工步骤概括为：

(1) 第一阶段：放坡开挖并进行土钉墙支护，对钻孔灌注桩、冠梁以及第一道锚索进行施工；

(2) 第二阶段：开挖基坑至-12.0 m(桩锚第一层开挖)，及时进行第二道锚索施工；

(3) 第三阶段：开挖基坑至-16.0 m，并及时施作第三道锚索；

(4) 第四阶段：继续开挖基坑至-19.5 m，并进行基坑封底工作。

3.3 数值模拟结果分析

3.3.1 地表沉降特性分析

由桩锚支护体系深基坑开挖引起的地表沉降如图6所示，由图6可知：

(1) 地表沉降大致符合抛物线趋势，最大沉降并未处于基坑边缘，而是距离基坑边缘3.0m处范围。

(2) 不同开挖阶段，地表沉降量不断增加，由7.60 mm逐步增加至12.65 mm、27.25 mm、35.20 mm，最大沉降量位置差异性不明显。

(3) 不同开挖阶段对地表沉降贡献率不同，第一阶段至第四阶段由土体卸载引起的最大竖向变形贡献率分别为21.59%、14.34%、41.47%和22.58%。第三阶段开挖对竖向变形贡献率最大，该阶段施工易导致工程灾害的发生。因此在该阶段施工时，应对其变形进行动态监测，增加支护刚度和支护密度，当变形突变时，应立刻停止施工，确保施工安全。

图6 桩锚支护体系深基坑开挖地表沉降图

为清晰掌握基坑开挖过程中竖向变形特征变化规律，将开挖过程中不同施工阶段的地表沉降监测数据进行统计并汇总于表3中。

表3 基坑开挖不同阶段对地表沉降的贡献率

3.3.2 围护桩变形特征分析

基坑开挖过程中围护桩结构水平变形如图7所示，由图7可知：

(1) 桩基水平变形大致呈悬臂式加抛物线式组合形态；桩基整体向坑内突起，累计水平位移最大值发生在第二道至第三道锚索安装位置。

(2) 不同基坑开挖阶段，围护桩水平变形趋势以及最大水平变形位置差异性明显，这是由于不同开挖阶段，土体卸载作用模式不同，以及开挖对围护桩变形特征影响也不尽相同造成的。

(3) 不同开挖阶段，围护桩最大水平变形量由2.46 mm逐步增至12.45 mm、26.36 mm和36.58 mm；相应位置的绝对坐标也由-7.50 m逐步向下移动至-10.00 m、-15.0 m和-15.5 m。

(4) 不同开挖阶段，土体卸载对围护桩变形贡献率不同，第一至第四阶段对围护桩水平变形贡献率分别为6.72%、27.31%、38.03%和27.94%；在现场施工中，应对第三阶段施工过程中围护桩变形进行动态监测，以期准确掌握围护桩变形特征。

图7 桩基水平位移变化规律

将基坑不同开挖阶段引起的桩基水平位移监测数据进行统计并汇总于表4中。

表4 桩基水平位移变化规律

3.3.3 锚索轴力测试

为掌握岩土体蠕变变形对锚索预应力损失的贡献率，本文制定了锚索轴力监测专项方案，对张拉后试验锚索的锚固力进行了为期60 d的测试，以期准确掌握3道锚索预应力损失变化规律，如图8所示。研究发现：经典的广义Kelvin(开尔文)蠕变计算模型可较好地反映锚索预应力损失的变化趋势；依据工程经验，并结合理论分析可知，当3道锚索的超张拉率分别为33%、30%和31%时，锚索长期预应力可维持在设计值150 kN、200 kN和180kN，监测方案保证了锚固效果的安全可靠；当锚索张拉60 d后，锚固力基本保持在设计值附近不变，因为低拉应力作用下，蠕变变形在第20天时已完成80%，在历时60 d时，蠕变变形已基本完成，后期引起的蠕变损失可忽略不计。

图8 锚索预应力损失特征

由Origin拟合结果可知，3道锚索预应力变化规律均可由式(1)表示，将拟合数据进行汇总于表5中。

y=y0+ae-x/b

(1)

式中：

y—— 锚索预应力；

y0、a、b—— 与锚索回弹模量、黏性模数以及初始张拉应力相关的参数；

x—— 时间。

表5 锚索预应力数据拟合参数汇总表

4 结 语

以济南市某大型深基坑工程为案例，对其采用的桩锚支护结构体系中的围护桩、锚索预应力进行了静力分析，结论如下：

(1) 由理正深基坑软件计算得到围护桩水平位移、弯矩和剪力最大值分别为-42.44 mm、999.37 kN·m和508.56 kN，3道锚索轴力最大值分别为125.3 kN、185.3 kN和155.3 kN。

(2) 由FLAC3D软件模拟求得基坑地表沉降、围护桩水平位移和锚索轴力分别为35.4 mm、37.6 mm、148 kN(202 kN、186 kN)；地表最大沉降发生在距基坑边缘7 m位置，最小锚索轴力发生在距围护桩顶10 m位置，两者均出现在锚索张拉锁定20 d后。

(3) 对比FLAC3D数值模拟与结构计算结果可知：数值模拟可正确描述支护结构变形趋势，亦可大致描述结构真实受力情况，其最大误差可控制在20%以内。经分析，该误差主要是由于数值模型不能准确地反映场地历史活动、建设过程中环境变化(降雨、坑边超载及堆载等)以及施工误差等因素造成的。因此在施工过程中应加强基坑变形的监控量测，并通过实测数据指导施工，确保建设期间基坑的稳定性。