富水砂卵石层地区桩锚支护深基坑变形特性

吕松梅, 夏 敏, 任光明, 范荣全, 梁永闪

(1．地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学)，成都 610059；2．国网四川省电力公司，成都 610041；3．四川省地质工程勘察院集团有限公司，成都 610072)

富水砂卵石地层广泛分布于成都地区[1]，其渗透性高、结构松散、黏聚力低、整体稳定性差等工程地质特性使得深基坑在开挖过程中容易产生较大的变形，严重威胁基坑自身及周边建(构)筑物的稳定性[2]。因此，基坑开挖、后期主体工程施工及运行期对基坑自身变形、支护结构变形、周边地表沉降及建(构)筑物实施变形监测与变形特性研究尤为重要。

近年来，桩锚支护结构以其适应性强、对施工空间要求不大及控制基坑变形能力强等优点在深基坑支护中得到了广泛的运用[3-7]。对于深基坑桩锚支护体系的变形特性，国内外学者做了大量的研究。徐江等[8]运用ABAQUS软件对软土地区深基坑中桩锚支护结构变形及周边土体位移特性进行了研究；周勇等[9]通过典型的工程实例和基坑设计软件研究了黄土地区桩锚支护结构在考虑附加应力作用对桩锚基坑支护体系的影响下结构的稳定性和位移关系；郑刚等[10]采用有限差分法研究了砂性土地区局部锚杆失效对桩锚基坑支护体系的影响；Cheng X.S.等[11-12]针对基坑坍塌事故，系统性地分析了黏土地区局部支护桩破坏时荷载传递的机理；Shu J.C.等[13]、Zhao W.等[14]关于桩锚支护基坑的模型试验和数值研究也取得了大量的成果。已有成果主要针对黏土、砂土层地区桩锚支护深基坑变形特性研究，而对于结构松散、均匀性差的富水砂卵石层区桩锚支护深基坑变形研究甚少；因此，有必要对富水砂卵石层地区桩锚支护深基坑变形特性开展研究。

本文以成都某地下变电站深基坑工程为背景，基于施工过程中大量的监测数据并结合数值模拟手段，对富水砂卵石层桩锚支护深基坑变形特性展开研究，以期为类似地层中深基坑工程桩锚支护设计提供参考。

1 工程概况及场地地质条件

1.1 工程概况

该深基坑工程的场地地势总体较平坦，仅局部堆有弃土，孔口海拔高度为504.0～504.9 m，最大高差为0.9 m。基坑东侧的道路距离基坑8.0 m，道路上及道路两旁的人行道下有管线；基坑西北侧为体育场；基坑南侧有一座4层建筑，距离基坑约32.0 m。基坑长约67.5 m，宽约42.5 m，开挖总面积为3 654.7 m2，周长为287.0 m，开挖深度约为24.6 m。

1.2 场地地质条件

场地位于岷江Ⅰ级阶地，地层由上而下依次为：①填土、②粉土、③细砂、④中密卵石层、⑤密实卵石层、⑥强风化泥岩、⑦中等风化泥岩。其中场地上覆人工填土厚度大，结构松散；其下的粉质黏土、粉土、砂土及卵石地层亦为松散结构。

地下水类型主要为砂卵石层中的孔隙潜水，静止水位埋深4.9～5.2 m，施工期间采用井点降水措施辅以基坑内明排降水。基于勘探钻孔揭露的地层分层特征及室内直剪试验获取的岩土体物理力学参数值见表1。

2 基坑开挖与支护设计方案

采用分层方式进行基坑开挖，开挖分为9个阶段(表2)。该基坑工程的支护设计方案为支护桩+锚索+角撑。各支护分项工程参数如下：支护桩的长度为35 m，直径为1.5 m，桩间距为2.5 m，混凝土强度等级C30；冠梁大小为287 m×1.6m×1.0 m，混凝土强度等级C30；混凝土腰梁2道，大小为230 m×0.7 m×0.55 m，混凝土强度等级C30；钢腰梁6道，每道长230 m，采用2×45C工字钢。锚索8道，采用1860级钢绞线，直径15.2 mm；注浆材料采用P042.5R硅酸盐水泥，浆液水灰比0.5∶1，打入角为15°，锚索的各项参数见表3；桩间护壁采用A12@200×200钢筋网，外喷厚度为100 mm的C20混凝土。施工时，钢绞线需除油、除锈，锚杆主筋上应先均匀涂抹黄油，然后穿入PVC管保护，使其尽量自由。基坑支护体系剖面如图1所示。

表1 场地地层分层及岩土体物理力学参数取值Table 1 Site stratifications and physical and mechanical parameters of rock and soil

表2 深基坑开挖阶段划分Table 2 Excavation stages of deep foundation pit

表3 锚索主要参数Table 3 Main parameters of anchor rod

hm、α、Lf、Lm、Ls分别表示锚索标高、锚索角度、锚索自由段长度、锚索锚固段长度、锚索横向间距；fk和fy分别为锚索拉力标准值和锚杆预拉力值。

3 基坑变形监测方案

为确保基坑工程在施工期的自身稳定及对相邻建(构)筑物的稳定性不构成威胁，在基坑开挖过程中及后期变电站工程运行期对基坑工程及周边土体沉降实施监测工作。根据相关基坑工程监测技术规范[15-19]，该基坑工程的监测内容包括：①支护桩顶部的水平及竖向位移；②深层土体位移；③地表沉降。监测点共布置了82个(图2)，其中沿基坑边支护桩水平及竖向位移监测点21个，包括基坑角点、中部等部位；周边建(构)筑物及地表沉降监测点56个；深层土体侧向位移监测点5个。

根据规范[17]，支护桩水平累计位移预警值为≥25 mm，相对基坑深度控制值为基坑深度的0.3%，变化速率≥2 mm/d时预警；竖向累计位移预警值为≥10 mm，相对基坑深度控制值为0.2%，变化率≥3 mm/d时预警；基坑地表沉降预警值为10 mm。

根据《建筑基坑工程监测技术规范》[15]确定出该基坑的监测预警值(表4)。

图1 基坑支护体系剖面图Fig.1 Section of foundation pit supporting system

图2 监测点平面布置图Fig.2 Layout of monitoring points

4 深基坑变形监测分析

4.1 桩顶水平位移

选取分别位于基坑东、南、西、北侧的代表性监测点JC8、JC11、JC14及JC21对桩顶水平位移特征进行分析，其监测结果如图3所示。

由图3可知，JC8、JC11、JC14、JC21测点的桩顶水平位移值变化趋势基本一致，主要分为3个阶段：①基坑开挖初期，因开挖卸荷、距离基坑壁一定深度范围土体应力调整，导致基坑壁处产生h为基坑开挖深度；累计值应取绝对值和相对基坑深度(h)控制值两者中的小值；当监测项目的变化速率连续3天超过表中规定的70%或直接超过规定值，应及时报警。

表4 深基坑各监测项目预警值Table 4 Early warning value of each monitoring item of deep foundation pit

图3 桩顶水平位移特征Fig.3 Horizontal displacement characteristics of pile top

较大土压力，使得支护桩向坑内产生了较大的侧向位移。②基坑开挖中期，锚索有效地分担了坑外土体作用在支护桩上的压力，有效地减小了支护桩的侧向位移。其中基坑从深度22.5 m开挖至25.0 m时，未增加支护措施，桩顶水平位移具有小幅度增加的特征。③基坑开挖至底板到后期支护完工，土体卸荷基本完成，应力调整达到相对稳定状态，桩顶水平位移曲线逐渐趋于稳定，最大累计水平位移值约11.3 mm，小于监测预警值。

4.2 桩顶竖向位移

图4 桩顶竖向位移特征Fig.4 Vertical displacement characteristics of pile top

图4为JC8、JC11、JC14、JC21测点的桩顶竖向位移监测结果，可知桩顶竖向位移量值总体随基坑开挖深度增加呈逐渐增大的趋势，其变形具有以下特征：①基坑开挖初期，桩顶竖向位移增长缓慢，表现为沉降位移，且具有波动特征，这可能是施工过程中机械振动或者降雨所致。②随着基坑开挖深度增加，支护桩沉降值逐渐增大，表明基坑施工对支护桩顶部地表变形影响较大，应加强地表裂缝的监测。③基坑开挖至底板到后期锚索施工完成，支护桩沉降位移曲线逐渐趋于收敛，最大累计沉降位移量值约6.5 mm，小于监测预警值。

4.3 深层土体水平位移

图5 深层土体水平位移特征Fig.5 Variation of horizontal displacement of deep soil

图5为监测点SC2深层土体水平位移监测曲线，其变形具有以下特征：①深层土体水平位移值随深度的增加而逐级减小，深度30.0 m处位移量值减小至0.0 mm，整体具有呈近似悬臂支护结构的变形特征。②基坑开挖至深度2.0 m，因开挖深度较小，深层土体水平位移曲线沿深度方向近似呈线性变化，且位移值较小，小于2.0 mm。③随着基坑开挖深度不断增加，深层土体水平位移值逐渐增大，最大累计位移值约10.5 mm，小于监测预警值。

4.4 周边地表沉降

周边地表沉降的主要原因为：①基坑开挖卸荷，应力场发生变化，使得周边地表发生沉降。②基坑地下水位下降，土中的有效应力增加，地表发生沉降。结合工程实际，选取位于基坑东侧的代表性监测点FD11、FD12、FD9及FD10对周边地表沉降特征进行分析，4个测点距基坑壁的水平距离分别为：5.0 m、10.0 m、15.0 m、20.0 m，其沉降监测结果如图6所示。

图6 周边地表沉降特征Fig.6 Characteristics of surrounding surface subsidence

由图6可知，周边地表沉降具有以下特征：

a.时效性。表现为基坑开挖初期沉降位移增长相对缓慢，开挖中期沉降位移增长速率明显增加，开挖后期支护措施施工完成，沉降位移趋于稳定。这是因为基坑开挖初期还未立刻影响到周边土体，土体的滑移蠕变和剪切破坏有滞后期；中期，基坑大面积开挖，土体出现临空状态，土体中的应力释放，裂隙逐渐扩张，然后发生滑动剪切破坏，这些变化需要一定的时间才能完成。因此，地表沉降表现出一定的时效性[20-21]。

b.空间性。沉降位移随距基坑壁水平距离增大而逐级减小，4个监测点的沉降量值表现为FD11>FD12>FD9>FD10。FD11距离基坑壁最近，沉降量最大；距离基坑壁水平距离最大的测点FD10，基坑开挖土体受到的扰动最小，其沉降量最小。再者，距离基坑越近，降水作用对其沉降影响也越大。

另外，基坑周围机械振动、车辆等不确定荷载均会导致地表发生不同程度的沉降，尤其是基坑周边不合理堆载会引起基坑周围地表严重沉降。为了确保基坑施工的安全，要严格控制基坑周边的荷载，严格按照基坑设计进行。

5 砂卵石层区桩锚支护深基坑变形特性与规律

5.1 数值模型建立及参数选取

图7 基坑数值计算模型Fig.7 Numerical model of foundation pit(A)数值模型地层及基坑开挖范围; (B)基坑支护结构

数值计算采用Flac3D软件来模拟，根据场地地层分布特征概化模型，将各岩性分层界面简化为水平面，将土体视为均匀、各向同性的弹塑性材料。在进行基坑开挖的数值模拟时，模型的边界范围与基坑开挖深度、地层性质及基坑形状有关[22-23]。考虑到模型的边界效应和既有建筑物对基坑开挖的影响，模型水平边界取基坑开挖深度的3～5倍[17]，模型高度取1～2倍的基坑开挖深度[24]，建立的基坑数值计算模型如图7-A所示，模型大小为126.0 m×184.0 m×50.0 m(x×y×z)，共计46 967个单元，50 353个节点；边界条件：模型底部固定约束，两侧法向约束，顶部为自由面。

地层视为理想弹塑性体，本构模型采用莫尔-库伦模型。以软件内置的线弹性结构单元模拟支护结构(图7-B)。采用“pile”单元模拟支护桩，以设计参数为依据，桩直径取1.5 m，间距2.5 m，弹性模量(E)取30.0 GPa，泊松比取0.3。“beam”单元模拟冠梁和腰梁，冠梁横截面大小为1.6 m×1.0 m，弹性模量为28.0 GPa，泊松比为0.3。腰梁弹性模量取210.0 GPa，泊松比取0.3。锚索采用结构单元“cable”模拟，共设8排锚索，倾角均为15°，弹性模量取195.0 GPa。由于基坑开挖前已采取井点降低水位，将地下水位降至坑底设计高度之下0.5 m，因此，数值模拟时不考虑地下水的作用。

5.2 数值模拟计算值与实测值对比

选取监测点JC12，对基坑开挖过程中该测点的桩顶水平位移监测结果与数值模拟结果进行对比(图8)。

图8 监测点JC12桩顶水平位移模拟值与实测值Fig.8 Simulation and measured values of horizontal displacement of pile top at monitoring point JC12

由图8可知，JC12测点在基坑开挖过程中，桩顶水平位移模拟曲线与实测曲线变化趋势基本一致，呈现先增大后减小再增大最后趋于稳定的特征。模拟值与实测值的最大桩顶水平位移分别为10.5 mm、10.7 mm，误差为2.0%，位移曲线总体变化规律一致，表明数值模拟结果具有合理性，用数值模拟结果来分析卵石层区桩锚支护深基坑变形特性规律是可行的。

5.3 支护桩侧向变形规律

支护桩侧向位移的大小不仅反映其本身的强度及稳定性，还反映其对基坑自身稳定性及周边土体变形的控制作用。因此，为保证基坑的安全施工及周边环境的稳定性，应对支护桩侧向位移进行实时监测并将位移值控制在规范限定的范围内。图9为基于数值计算模拟在基坑开挖过程中支护桩的侧向位移特征。

图9 支护桩侧向位移特征Fig.9 Lateral displacement of supporting pile

由图9可知，支护桩侧向位移总体上呈现近似悬臂支护的变形特点，这主要是因为支护桩中部的锚索布置相对密集，对桩身的约束较好，提高了支护桩的整体抗弯性能。支护桩侧向位移随深度增加而逐渐减小，桩顶处位移最大；在基坑底板以下，由于支护桩嵌入土体一定深度，同时，基坑底板以下土体受开挖扰动影响较小，稳定性较好，支护桩侧向位移值较小，至35.0 m深度处支护桩水平位移减小至0.0 mm。另外，支护桩侧向位移值具有随基坑开挖深度的增加而逐渐增大的特征，当基坑施工完成，最大支护桩累计侧向位移值约为15.2 mm，属于规范[15]允许值。

5.4 深层土体侧向变形规律

基坑开挖过程中，基坑周边土体质点向开挖自由面附近移动。为研究深层土体侧向变形规律，取深层土体位移最大处进行分析。图10为基坑施工完成后的侧向位移云图。同时，在该剖面位置选取距离基坑侧壁5.0 m、10.0 m处布置深层土体侧向位移监测点，其数值计算的深层土体侧向变形特征如图11所示。

由图10和图11可知，基坑东、西侧深层土体侧向位移基本呈对称分布，基坑开挖深度较浅时，深层土体侧向位移值随深度呈线性分布，且深层土体侧向位移量随距基坑侧壁距离的增加而逐渐减小，至基坑侧壁约40.0 m处，侧向位移不明显。模拟计算的最大深层土体位移值约为15.0 mm，属于规范[15]允许值。

图10 深层土体侧向位移云图Fig.10 Cloud image of lateral displacement of deep soil

图11 深层土体侧向变形规律Fig.11 Lateral deformation law of deep soil(A)距基坑侧壁5.0 m; (B)距基坑侧壁10.0 m

5.5 周边地表沉降规律

采用数值模拟计算得到的基坑周边地表沉降分布曲线如图12所示。其中d为数值模型中的监测点距基坑侧壁的水平距离，s为测点的地表沉降量。

图12 周边地表沉降特征Fig.12 Characteristics of surrounding surface subsidence

由图12可知，基坑开挖深度较小时，地表沉降不明显，最大沉降位移<2.5 mm；随着基坑开挖深度增加，沉降位移量急剧增加，至基坑施工结束时，沉降量达到最大值，约4.9 mm，该沉降量属于规范允许值。从沉降曲线特征上分析，周边地表沉降随d增大近似呈“凹槽”状分布，其中在距离坑壁6.0 m处地表沉降最大，距基坑水平距离>6.0 m的周边土体地表沉降量随距坑壁水平距离的增加而逐渐减小，在距坑壁30.0 m水平距离处地表沉降曲线趋于稳定。并且，基坑开挖对周边地表沉降的主要影响范围为2h(h为基坑深度)，这与王彩蒙等[25]、刘红军等[26]、白晓宇等[27]的研究结论一致。

5.6 坑底隆起规律

深基坑大面积开挖，导致基坑底板发生垂向卸荷，坑底变形表现为向上隆起的特征。图13为数值计算模拟的基坑施工完成后坑底隆起变形云图，图14为数值计算监测的坑底之下不同深度处在开挖过程中坑底隆起变形曲线图。

由图13和图14可知，基坑底板的隆起变形量随开挖深度的增加而逐渐增大，底板以下土体变形随距离坑底的距离增大而减小，隆起变形的范围约为坑底之下2h深度范围土体。从水平方向上看，基坑底板隆起变形在基坑侧壁边墙处相对较小(靠近支护桩附近)，靠近坑底中部逐渐增大，因此最大隆起位移分布于坑底中部处，位移量约为12.0 mm，为基坑开挖深度的0.49%，属于规范[15]允许值。

图13 坑底隆起变形云图Fig.13 Deformation cloud image of pit bottom uplift(A) 切面图; (B)三维图

图14 坑底隆起位移特征Fig.14 Characteristics of uplift displacement at the bottom of foundation pit

6 结 论

本文以成都某变电站为研究对象，基于监测资料及数值模拟手段对基坑在开挖、桩锚支护全过程中的变形特性规律进行研究，得出以下主要结论：

a.支护桩顶部水平位移与竖向位移最大监测值分别约为11.3 mm、6.5 mm，在监测预警值以内。

b.深层土体与桩身侧向位移曲线呈现近似悬臂支护的变形特征，变形量随开挖深度的增加而增大，最大变形位于地表，分别约为15.0 mm、15.2 mm，在规范允许值内。深层土体侧向位移量随距基坑侧壁距离的增加而逐渐减小，至基坑侧壁约40.0 m水平距离处，侧向位移不显著。基坑底板以下土体受开挖扰动影响较小，支护桩侧向位移值较小，至35.0 m深度处支护桩水平位移减小至0.0 mm。

c.基坑周边地表沉降具有良好的时效性与空间性，地表沉降曲线近似呈“凹槽”状分布，最大沉降量位于距坑壁水平距离6.0 m处，主要影响范围为2倍基坑深度。

d.基坑开挖卸荷引起坑底隆起，最大隆起变形量约为基坑深度的0.49%，位于坑底中部。

e.总体上，数值模拟结果与实测变形结果基本一致，表明基于数值模拟方法结合监测手段对深基坑变形特性规律进行研究，其方法可行、结果合理，研究成果为富水砂卵石地层深基坑的开挖与支护结构设计、保证深基坑稳定性控制关键技术等方面具有理论和工程实际意义。