超期服役深基坑的变形特性分析及稳定性评估

张 兆 龙

(南方电网调峰调频发电有限公司， 广东 广州 510630)

随着城市规模的不断发展，基坑的开挖深度愈来愈深，复杂性也显得尤为突出[1-2]。由于深基坑周边环境复杂性，导致深基坑开挖与支护的难度愈来愈大，其危险性也大幅提高[3]。深基坑支护体系是为保证地下室施工及基坑周边环境的安全，对基坑侧壁及周边环境采用的支挡、加固与保护措施[4]。深基坑支护结构作为临时性结构，当地下室结构施工完毕并回填后，其使命即完成。因此在工程实践中，基坑支护结构的设计使用年限往往只有一年[5]。而在工程建设过程中，经常会出现由于设计调整、建设方资金不足、合同纠纷等原因导致深基坑长时间搁置，其支护结构长期处于超期限使用状态，这成为城市建设的一颗定时炸弹[6]。因此，了解支护结构在基坑超期服役期间的变形规律，全面有序地评估超期服役深基坑的安全稳定性能，合理延长其设计使用期限，降低基坑超期使用的风险隐患，成为工程建设者们必须要面对和思考的实际问题。

本文以某超期服役的深基坑为例，结合现场长期大量的监测数据，探讨了支护桩在基坑搁置前后的变形规律；同时，基于抽样检测确定的基坑现状，借助于深基坑支护结构设计分析软件，通过对比分析支护桩的桩体位移、锚索安全系数等重要指标，对两阶段下的基坑稳定性进行安全稳定性评估，为今后类似工程建设积累一定的实践经验。

1 工程概况

1.1 工程简介

某项目为高层建筑群，3层地下室，基坑底开挖面积约15 000 m2，支护总周长约567 m，基坑开挖深度14.0 m～15.2 m。基坑周边环境较复杂，东、南两侧均为基坑开挖后的新建建筑，西侧紧邻城市道路，其下埋设有市政电缆、电信及排水管道等设施，北侧是项目建设空置地，基坑平面见图1。

图1基坑平面布置图

该深基坑安全等级为一级，东、南、西三侧采用排桩+预应力锚索并结合放坡、北侧全部放坡的支护形式，支护结构设计使用年限为一年。典型的基坑支护结构剖面见图2。其中，排桩为钢筋混凝土灌注桩，桩径800 mm，桩水平间距1 300 m，桩长16 m，入土深度5 m，桩身混凝土强度C30。放坡面、桩间面层均采用挂钢筋网并喷射100 mm 厚C20混凝土护壁。沿桩长共布置三道预应力锚索，间距均为4 m，与水平方向夹角均为30°。预应力锚索成孔直径150 mm，水平间距1 300 m，材料为1 860 MPaφs15.2钢绞线。第一、三道锚索为3束钢绞线，第二道锚索为4束钢绞线，各道锚索锚固长度、自由长度、拉力设计值及锁定值等参数见图2。

1.2 基坑现状

2013年8月开始土方开挖，2014年1月开挖至坑底设计标高后，因建设方原因，工程暂停建设。2015年1月，基坑支护结构达到设计使用年限后，工程仍未复工建设。直到2017年底，项目具备复工建设条件。为全面排查深基坑存在的安全隐患，建设方委托评估单位对基坑进行稳定性评估。

图2基坑支护结构剖面(单位：mm)

2 基坑监测结果分析

2.1 监测方案

基坑维护需要以数据为依托，由于该基坑已经超期，对其监测尤为重要[7]。通过获取实时检测数据，并对结果进行处理、分析，确保基坑及周边环境的安全[8]。考虑工程重要性、周边环境复杂程度等因素，确定基坑监测项目包括为桩顶水平位移及桩体侧斜、坑顶沉降、周边建筑物沉降、地下水位和锚索轴力等。其中，位移监测报警值均为30 mm，速率报警值为5 mm/d；锚索轴力报警值为其设计值。监测频率为5天一次。主要监测点布置见图1。

2.2 桩体侧斜监测

支护桩的水平位移(侧斜)监测是深基坑监测的重要内容，通过侧斜监测可了解基坑不同阶段下的支护桩沿深度方向的水平位移情况，确保基坑支护结构和周边环境的安全[9]。选取CX1-CX4侧斜孔的监测数据，绘制不同时段下的桩体侧斜曲线见图3。

从图3可以看出，基坑在不同时间点下的桩体侧斜曲线均大致呈线性变化，侧斜位移随桩体深度的增加而逐渐减小，近似于“悬臂梁”变形模式，即桩体侧斜位移峰值始终发生在桩顶，而桩根位移接近于0，说明桩顶以下的预应力锚杆对支护桩的变形约束作用明显。整体上说，随着基坑搁置时间的增长，不同深度处的桩体侧斜位移均不断增大，支护桩不断向坑内倾斜。截止复工前(2018年1月)，各侧斜孔的桩体侧斜位移最大值为24.4 mm，未超报警值30 mm，即支护桩变形安全、稳定。

图3桩体侧斜曲线

2.3 桩顶水平位移监测

为进一步研究基坑在不同时间点下的支护桩位移变形趋势及规律，选取CX1-CX5侧斜孔处的桩顶水平位移监测数据绘制位移时程曲线，见图4。

图4桩顶水平位移时程曲线

由图4可以看出，在土方开挖期(2013年7月至2014年1月)，位移时程曲线的曲率较大，而在正常设计使用期(2014年1月至2015年1月)和超期服役期(2015年1月之后)，位移时程曲线的曲率均较小，进一步说明土方开挖是快速释放荷载过程，土体和支护桩的相互作用导致支护桩水平位移短期快速增加；而土方开挖完毕后，随着土体内应力释放完毕，支护桩变形也趋于稳定。从整个位移时程曲线发展来看，随着基坑搁置时间的增长，桩顶水平位移缓慢增长，并在后期趋于稳定。

基坑搁置前(2013年7月至2014年1月)、搁置后(2014年1月至2018年1月)的桩顶水平位移增量统计见表1。

表1 桩顶水平位移增量

由表1可知，在基坑短边方向，即CX1、CX5监测点，基坑搁置后的桩顶水平位移增量远大于搁置前，搁置前位移增量分别为3.6 mm、5.4 mm，而搁置后为20.8 mm、19.8 mm，分别约为搁置前位移增量的5.8倍、3.7倍；而在基坑长边方向，即CX2—CX4监测点，基坑搁置前后的桩顶水平位移增量大致相当，说明基坑长期搁置对短边方向的桩体变形影响更大。

同时，综合图4、表1可知，虽然基坑搁置后的桩顶水平位移增长相对较缓慢，但累计位移增量却不容忽视，故应重视基坑长期搁置而产生的时空效应，加强此期间的桩体变形监测。

3 基坑稳定性评估

基坑稳定性评估按两阶段进行。阶段一是基坑现阶段(即超期服役期)的稳定性评估，其目的是判断基坑在现阶段的稳定性，评估基坑继续超期限服役的期限，明确应急措施的制定原则；阶段二为后续主体施工阶段的稳定性评估，其目的是判断基坑在此阶段的稳定性，确定是否应采取加固措施。

3.1 评估模型的建立

研究发现，当基坑长宽比L/B>2.0时，随着L/B增大，基坑空间效应不再明显，若再按考虑空间效应的方法进行基坑的设计与施工，则不能取得较好的经济效益，此时按二维平面问题进行计算分析则更为简单、安全[10-11]。因本基坑的平面尺寸L/B=3.9(基坑长L=216 m，宽B=56 m)，为简化计算、提高效率，在基坑分析建模时，按二维平面问题考虑。根据抽样检测确定的基坑现状，利用深基坑支护结构设计分析软件，建立1～5基坑支护结构剖面的二维模型，分别进行两阶段下的基坑稳定性评估分析，各剖面位置见图1。模型主要参数的选取原则如下：

(1) 支护结构参数。支护桩桩身完整性及混凝土强度、喷锚混凝土厚度等参数根据检测报告确定。锚索抗拔试验表明，部分锚索极限承载力已降低，综合考虑试验数据、现场条件等因素，基坑稳定性评估时，锚索抗拔极限承载力取0.8倍原极限承载力。

(2) 工程地质条件。基于工程地质详细勘察报告，根据本次基坑周边地质补充勘察结果，确定基坑现阶段下周边土层的平均厚度h、重度r、压缩模量Es、黏聚力c、内摩擦角φ等物理力学参数，见表2。

表2 土层物理力学参数

(3) 荷载工况。阶段一：计算工况为基坑已开挖完毕，且根据现场实际，基坑顶部荷载取5 kPa；阶段二：计算工况为基坑顶部荷载20 kPa，用于模拟后续主体施工初期基坑顶部材料堆载、重载设备经过等施工荷载对支护结构的变形、受力等的影响[12]。

3.2 评估结果分析

限于篇幅，本文仅对支护结构剖面处的桩体水平位移、预应力锚索轴力等重要参数的数值模拟结果进行评估分析。

3.2.1 桩体位移评估分析

提取1～4支护结构剖面处的桩体水平位移数值模拟结果绘制其侧斜曲线，并与其阶段一的监测结果(CX1—CX4监测点)进行对比分析，见图5。

由图5可以看出，阶段一的模拟结果与监测结果在数值上有些出入，且桩体水平位移最大值的位置下移约0.2H～0.3H(H为桩长)，这是由于在数值模拟时没有考虑地下水、天气及周边环境变化等的影响，使得模拟结果与监测结果存在一定的偏差[13]。同时，影响支护结构位移与内力因素的复杂性，假定的计算条件与实际条件存在的差异性、岩土参数的变异性等原因，使得模拟值与监测值存在一定的差别[14]。但总体上说，两者的变化趋势大体一致，模拟值基本可包络监测值，表明建立的计算模型较合理，参数选取恰当，可用于基坑的稳定性评估分析。

图5桩体位移模拟结果

通过评估分析发现，各阶段下的桩体水平位移均小于预警值30 mm，说明基坑在各阶段下的支护桩变形在可控范围内。以3-3剖面为例，桩体水平位移在阶段一的最大值为25.8 mm，而在阶段二增大至28.7 mm，较前者增加约11.2%，且已接近位移预警值。整体上来看，阶段二的桩体水平位移较前阶段有所增加，说明后续主体施工会影响到支护桩变形。

3.2.2 锚索轴力评估分析

预应力锚索主要起到限制支护桩变形的作用，并与支护桩组合形成桩锚支护体系。其失效后，将无法保证被加固体的稳定性和安全性[15-16]。阶段一锚索轴力模拟结果见图6、图7。

由图6、图7可以看出，阶段一锚索轴力模拟值和监测值吻合较好，进一步验证了分析模型建立的合理性。同时，各剖面锚索的轴力模拟值均未超报警值，说明锚索轴力值变化在可控范围内。

图6 第一道锚索轴力模拟结果

图7第二道锚索轴力模拟结果

《建筑基坑支护技术规程》[4](JGJ 120—2012)规定，对于基坑安全等级为一级的桩锚支护结构，锚杆抗拔安全系数Kt(锚索轴力值Nk与抗拔承载力Rk之比)不应小于1.8。根据数值模拟结果提取各锚索的轴力值，计算其在不同阶段下的抗拔安全系数见表3。表中，Rk、Nk值的单位为kN。

表3 不同阶段下的锚索安全系数

由表3可以看出，在阶段一，除3-3和5-5剖面外，其他剖面的锚索安全系数均大于或等于1.8，可基本满足规范对一级基坑安全系数的要求，且尚具有一定的安全裕度，说明基坑在此阶段基本处在较稳定状态；而在阶段二，各剖面锚索的安全系数均在1.5～2.1之间，只有个别锚索的安全系数大于1.8。以2-2剖面处的第二、三道锚索为例，阶段一的锚索安全系数均为1.8，而在阶段二的安全系数均已下降至为1.7，较前阶段下降了约5.6%，且安全系数小于1.8，此时已不能满足规范对一级基坑安全系数的要求。

整体上说，阶段二的锚索安全系数较阶段一均有所降低，且近半数锚索的安全系数已不能满足设计规范要求，说明基坑整体稳定性能已有所下降，基坑在此阶段的安全隐患增加，应严格控制此阶段的基坑周边施工荷载，加强基坑监测，并做好应急预案，必要时应采取加固措施。

4 结 论

通过对某超期服役深基坑的监测数据分析以及安全稳定性评估，可得以下结论：

(1) 基坑在不同时段下的桩体侧斜近似于“悬臂梁”变形模式，即桩体位移随着桩体深度的增加而逐渐减小。同时，在基坑土方开挖期，桩体位移增长较快，但随着基坑搁置时间的推移，桩体位移增长较缓慢，并在基坑超期服役后期趋于稳定。

(2) 在基坑长边方向，基坑搁置前后的桩顶水平位移增量大致相当；而在基坑短边方向，基坑搁置后的桩顶水平位移增量远大于搁置前的位移增量，说明基坑长期搁置对短边方向的桩体变形影响更大。

(3) 通过对基坑的稳定性评估发现，在安全维护阶段，基坑基本处于稳定状态。但在后续主体施工阶段，不仅桩顶水平位移已接近报警值，而且近半数锚索的安全系数已不能满足设计规范要求，基坑在此阶段的整体稳定性能下降明显，基坑存在一定的安全隐患，应引起重视。