卵石土地区基坑开挖变形特征研究

宋 波

（中铁十八局集团第三工程有限公司，河北 涿州 072750）

大中型城市建设的飞速发展引发了大量工程问题，而现阶段可供建设使用的土地日益紧张，深大密基坑施工必然会对其周围环境产生诸多不利影响。对于在城市中建设的基坑工程，变形控制是其重点。基坑变形主要有三方面：围护结构变形、坑底隆起变形和坑外土体变形[1]。一些学者利用理论分析、现场实测、数值计算等方法研究了基坑尤其是深基坑施工对道路、建（构）筑物等变形的影响[2]，重点分析了基坑开挖深度、开挖顺序、施工工艺、支护措施等对环境的影响[3]。研究表明，基坑施工易导致土体初始平衡状态失稳，引发基坑及其周边建构物变形，随之引发一系列环境安全问题。这类问题在砂卵石地区超深基坑施工中最为常见，卵石土地层具散粒性、强透水性、高磨耗性等显著特征[4]，在该特殊地层中进行深基坑开挖具有较大的安全隐患。

本文以某建筑深基坑工程为例，通过原位监测获得桩体钢筋应力、桩体水平变形等实测数据，综合分析基坑开挖变形特征，并在此基础上采用有限差分法探讨砂卵石地区深基坑开挖锚拉桩支护与基坑土压力相互作用关系，以给类似深基坑工程的设计和施工提供借鉴与参考。

1 工程条件

1.1 工程概况

某基坑周长约240 m，开挖深度约15 m。基坑周边环境复杂，开挖深度1.5 h（h 为基坑开挖深度单位）范围内均有建筑物分布，地下室结构几乎布满了建筑红线包括的用地范围。拟建物共设3层地下室，B1～B3 层板顶相对标高分别为-5.00 m、-10.00 m、-15.00 m，塔楼筏板厚2.80 m，其余区域筏板厚1.20 m。

场地地层为第四系全新统人工填土层（Q4ml）、第四系中下更新统冰水沉积层（Q1-2fgl）和白垩系灌口组泥岩层（K2g）。地下室底板位于中风化泥岩层，但大面积穿越卵石土地层。该地区卵石磨圆度较好，以亚圆形为主，少量圆形，分选性差，卵石含量55%～85%，粒径以2～8 cm 为主，部分大于12 cm，并含有少量漂石（粒径大于20 cm），充填物为中细砂及少量粘性土，局部地段有中细砂层的透镜体（见图1）。岩土体物理力学参数见表1。

表1 岩土体物理力学参数

图1 砂卵石地层

1.2 基坑支护方案

该工程基坑安全等级为一级，基坑东、西、南、北四侧支护方式分布为：悬壁桩、单排预应力锚索和预应力锚索联合双排桩。设计的锚拉支护桩桩径1 200 mm，桩间距2.20 m，有效桩长22.00 m，嵌固深7.00 m，冠梁尺寸为1 200×800 mm，桩顶标高为±0.00 m ；在-6.0 m 和-9.0 m 处设置2 道φ150 内灌浆预应力锚索，锚索长度分别为18 m、15 m，锚固长度为10 m、8 m，因该基坑未设计腰梁故锚索固定在支护桩上，具体方案见图2。

图2 基坑支护形式

2 监测方案及结果分析

2.1 原位测试方案

选取具有代表性的14#和32#桩进行长期监测试验（两测试桩位置见图3）。监测频率按施工不同阶段确定为：1 次/（1～2 天）（开挖施工期）、1～2 次/周（底板施工期）、2 次/月（肥槽回填期）。但当基坑处于临界或危险状态时加大监测频率。

图3 监测点布设

支护桩垂直基坑方向分别布设2 组钢筋应力计，起始布设点位于桩顶下2 m，其下每间隔2 m布设另一个。同时在桩身中部布置测斜管，测试元件布置示意见图4。

图4 桩身监测元件布设示意

2.2 桩身位移

图5 为桩身位移监测结果，图中指向基坑内侧的变形为正值，反之为负。由图可知，桩身位移最大值在桩顶处，至桩端逐渐减小；桩身位移变化量与基坑开挖施工周期呈正比，这一增大趋势在基坑开挖完工后一段时间才趋于稳定。开挖完成后，14#、32#桩最大位移约为17.0 mm 和6.5 mm；肥槽回填后，位移分别为21.0 mm 和8.3 mm。

图5 桩身位移监测曲线

2.3 桩身内力

桩身内力监测结果如图6 所示。由图可见，整个施工周期内桩身应力随基坑开挖卸荷和开挖深度的增加而不断增大；施工初期，开挖面上下桩基拉压状态不同，开挖面以上为外拉内压，以下则相反；施工锚索后，开挖面以上则为外压内拉，以下为外拉内压，完全符合设计计算状态。

图6 桩身内力监测曲线

3 锚拉桩支护与基坑土压力相互作用关系

3.1 模拟方案

从支护结构本身讨论桩径、桩间距、锚索长度等有关参数的变化对邻近建筑物的影响规律。具体方案如下：①桩径分别为0.8 m、1.0 m、1.2 m、1.4 m；②锚索长度分别为16 m、18 m、20 m、22 m、24 m、26 m；③锚索排数分别为5、6、7。

根据场地情况建立计算模型（见图7）。模型边界条件为顶部自由，底面固定，侧面位移约束。所分析的建筑物平行布置基坑侧，建筑物长25 m，宽10 m，相关计算参数见表2。

图7 计算模型示意

表2 结构计算参数

计算中管片采用弹性本构模型，土体采用摩尔库伦本构模型。岩土体采用摩尔-库伦本构模型，结构采用弹性模型。由反演分析结果对比（见图8）可知采用本文参数模拟结果较好。

图8 反演分析结果对比

3.2 桩径的影响

图9 为计算结果。可知，土压力随深度增大而呈非线性增加，其支护结构后土压力呈近似三角形分布。在同一深度下，土压力随支护桩径增大而增大，在深度0～12 m 桩径对土压力影响不大，各土压力曲线基本重合；而在12～24 m 土压力曲线开始分散，土压力随深度增大而呈非线性增大；在4～12 m 随深度增加变化不大，维持在35 kPa 左右，土压力分布曲线在4 m 和8 m 有明显的转折点。

图9 桩径的影响

3.3 锚索长度的影响

图10 为计算结果。可知，在不同锚索长度下土压力均呈非线性分布。在0～5 m 土压力分布曲线基本重合；在7～18 m 土压力曲线分散，相同深度土压力随锚索长度增长而增大；在4～8 m 土压力随深度增加而变平缓，基本保持在40 kPa 左右；在5 m处有明显拐点，基坑长边中锚索长度为16 m、18 m、20 m 土压力成负增长，随后曲线缓和。

图10 锚索长度的影响

3.4 锚索排数的影响

图11为计算结果。可知，对于不同排数的锚索，土压力均为非线性分布。土压力在0～4 m 总体呈线性增加；在16 m 后，土压力随不同锚索排数变化的影响不大，但随基坑深度增加而增大，整体呈三角形分布；在7～16 m 土压力曲线分开，土压力随锚索排数的增加反而减小。8 m 和16 m 处土压力曲线有明显拐点。

图11 锚索排数影响

4 结语

本研究以某砂卵石深基坑工程为例，采用现场原位监测和有限差法数值模拟分析基坑施工全过程变形特征，研究结果表明：①桩身水平位移随开挖深度增加而增大，且桩顶位置的水平位移最大，开挖结束时变形并未停止，需经一段时间才能逐步趋于稳定。②基坑内外侧的桩身钢筋应力值随开挖不断增长，其变化值随开挖深度增加呈逐步增大趋势，且开挖至坑底时增长并未停止，至基坑回填结束时仍在缓慢增加。③数值模拟结果表明，土压力随深度增大而呈非线性增加，其支护结构后土压力呈近似三角形分布。土压力随支护桩径、锚索长度的增大而增大、随锚索排数的变化不明显。