許 健，楊少飛，吳海洋，張 磊

(1. 西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055；2. 中國電建集團 青海省電力設(shè)計院有限公司，青海 西寧 810008)

隨著城市的快速擴容，高層建筑的大量興建，其對地下空間的開發(fā)在規(guī)模與功能上都提出了更高的要求，出現(xiàn)了大量技術(shù)復(fù)雜、規(guī)模龐大的深基坑[1].這些基坑往往具有開挖深度大、體積大，工程地質(zhì)水文條件、周圍環(huán)境復(fù)雜等特點，對支護結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工質(zhì)量要求苛刻.對于開挖深度達20 m以上的深大基坑，目前，在軟弱土地區(qū)常用地下連續(xù)墻和內(nèi)支撐復(fù)合支護結(jié)構(gòu)[2]，而在黃土地區(qū)，由于土層含水量較低，土體強度高，且其施工快、造價低、便于基礎(chǔ)施作，故在周邊環(huán)境允許的情況下，深大基坑支護結(jié)構(gòu)形式以樁錨式支護結(jié)構(gòu)為主.

對于軟土地區(qū)以地下連續(xù)墻和內(nèi)支撐復(fù)合支護結(jié)構(gòu)為主的深大基坑，張尚根、楊敏、成峰、丁智等[3-6]通過對軟土地區(qū)的大量深基坑支護結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，分析總結(jié)了基坑開挖過程中支護結(jié)構(gòu)變形及建筑物沉降等特征，為軟土地區(qū)深基坑支護理論的發(fā)展做出重要貢獻.王林、楊駿、李彥東、張如林等[7-11]對軟土地區(qū)基坑開挖與支護過程中支護結(jié)構(gòu)變形、內(nèi)力，地表沉降，基底隆起，基坑土體的穩(wěn)定性等進行了數(shù)值模擬分析，并首次提出坑外土體位移臨界面、傳導(dǎo)路徑及傳導(dǎo)曲線斜率的概念.而對黃土地區(qū)樁錨支護結(jié)構(gòu)深大基坑，周勇、官少龍、劉科等[12-14]通過對深基坑支護結(jié)構(gòu)變形、錨索軸力、建筑物沉降等監(jiān)測數(shù)據(jù)進行深入分析，提出了一些有意義的結(jié)論，但黃土地區(qū)深大基坑樁錨支護結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展與軟土地區(qū)相比，還有一定的差距，需進一步完善與補充.

基于此，本文以西安醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院醫(yī)療科技綜合樓基坑支護工程為背景，對基坑支護結(jié)構(gòu)變形及錨索軸力等監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了分析，并運用有限元對部分監(jiān)測項目進行了數(shù)值模擬，將計算結(jié)果同監(jiān)測結(jié)果進行對比分析，驗證了計算方法和計算參數(shù)選取的可靠程度，探討了差異產(chǎn)生的原因，以期為復(fù)雜地質(zhì)條件下黃土深大基坑工程的設(shè)計與施工提供參考[15].

1 工程實例

1.1 工程概況

擬建基坑位于西安市西二環(huán)路西側(cè)，豐鎬西路南側(cè).基坑長約88 m，寬約37 m，平均開挖深度約20.3 m.基坑北側(cè)與既有六層門診樓相距約3～5 m，基坑?xùn)|、西及南側(cè)均與道路相鄰，道路下埋有地下管線，管頂標(biāo)高約為-2.0 m左右.

1.2 工程地質(zhì)水文條件

擬建場地地形平坦，地面相對高程介于99.38～99.52 m之間，地貌單元屬皂河一級階地.據(jù)鉆探揭露，所見土層自上而下依次為人工填土，第四系全新統(tǒng)沖洪積(Q4al+pl)、上更新統(tǒng)殘積(Q31el)古土壤，沖洪積(Q3al+pl)粉質(zhì)粘土和砂類土，中更新統(tǒng)沖洪積(Q2al+pl)粉質(zhì)粘土和砂類土，沖湖積(Q2AL+L)粉質(zhì)粘土和砂類土，設(shè)計過程中各土層參數(shù)選取見表3.

勘察期間，各勘探點均遇到地下水，場地穩(wěn)定水位深度介于12.90～13.04 m之間，相對高程在86.46～86.51 m之間，屬潛水.據(jù)水文資料記錄，地下水位年變化幅度大于2.0 m，勘察期間處于較高水位期.

1.3 支護結(jié)構(gòu)設(shè)計與監(jiān)測方案

1.3.1 支護結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

按JGJ120-2012，該基坑側(cè)壁安全等級為一級，重要性系數(shù)取1.1.綜合考慮場地工程及水文地質(zhì)條件、周邊環(huán)境及基坑開挖深度等因素，本基坑在坡頂-0.5～-4.0 m范圍內(nèi)采取放坡開挖，噴錨支護，-4.0 m以下采用錨拉式鋼筋混凝土護坡樁方案，各區(qū)域均采用鉆孔灌注樁配合錨索進行支護.根據(jù)工程實際情況，將該基坑分為五個不同的區(qū)域，以北側(cè)支護結(jié)構(gòu)為例，各排錨索部分設(shè)計參數(shù)及地層水文參數(shù)見圖1.

1.3.2 監(jiān)測方案及變形控制要求

基坑開挖及使用期間，建設(shè)單位委托具有相應(yīng)資質(zhì)的第三方實施監(jiān)測，監(jiān)測內(nèi)容包括：樁頂水平位移、樁頂沉降、樁身變形、臨近既有建筑物沉降、預(yù)應(yīng)力錨索軸力等，監(jiān)測點平面分布見圖2.

按《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》GB50497-2009，該基坑變形監(jiān)測部分控制值及報警值取值見表1.

圖1 基坑北側(cè)樁錨支護結(jié)構(gòu)及地層剖面圖(單位：mm)Fig.1 Section of pile-anchor supporting structure and stratum on the north side of foundation pit (Unit: mm)

圖2 基坑周邊環(huán)境及監(jiān)測點平面布置圖Fig.2 Layout of monitoring project of pit-retaining structure

地表沉降樁頂水平位移樁身深層水平位移周圍建(構(gòu))筑物傾斜控制值/mm報警值/mm控制值/mm報警值/mm控制值/mm報警值/mm控制值/mm報警值/mm0.15H%0.12H%403245362‰1.6‰

注：H為基坑開挖深度；報警值取控制值的80%.

1.4 基坑開挖工況

由于基坑深度較大，為確保基坑安全，基坑開挖期間采用分層開挖，基坑開挖各工況如表2所示.

表2 基坑開挖及支護進度

2 數(shù)值計算模型的建立

2.1 模型假定

在模擬過程中，考慮到該基坑實際情況，作如下假設(shè)：(1)土體為均質(zhì)彈塑性體且各向同性；(2)不考慮地下水的滲流；(3)假定錨索、樁身等支護結(jié)構(gòu)均處于彈性階段，不考慮樁身內(nèi)鋼筋的影響；(4)將樁身按等剛度的原則等效為地下連續(xù)墻，不考慮樁間土土拱作用的影響；(5)不考慮冠梁的影響，用等高度連續(xù)墻代替；(6)不考慮腰梁作用；(7)不考慮樁土表面噴射混凝土對支護效果的影響.

2.2 模型建立及參數(shù)選取

為了模擬基坑最不利位置支護結(jié)構(gòu)的受力及變形大小，取基坑北側(cè)Ⅰ區(qū)東西長度方向中間位置單個樁間距進行計算分析，模型長、寬、高分別為98.4 m、1.6 m、60 m.為便于計算，在模擬過程中，將護坡樁按照抗彎剛度相等的原則等效為厚度h=0.91 m的地下連續(xù)墻[16]，其換算關(guān)系如下式(1).該基坑北側(cè)門診樓荷載大小取單層15 kPa，六層共計90 kPa，作用范圍取門診樓寬度約16 m，作用位置取地表.固定沿模型長度方向的位移，模型底部約束其三個方向的位移.樁土之間采用面—面接觸的形式，其切向行為通過摩擦系數(shù)來確定，法向行為設(shè)置為硬接觸，樁底與土體之間采用綁定約束；錨索錨固段采用嵌入土體的方式進行約束，自由段與樁體之間采用綁定約束.模型裝配及網(wǎng)格劃分結(jié)果見圖3.

(1)

式中:D為支護樁直徑,m；d0為支護樁中心距,m.

該模型土體采用摩爾—庫倫模型，所用土體參數(shù)見表3.由于假設(shè)樁身、錨索等支護構(gòu)件均處于彈性階段，故在模擬過程中設(shè)它們均為彈性材料，所需參數(shù)見表4.

圖3 模型裝配及網(wǎng)格劃分示意圖Fig.3 Model assembly and meshing schematic diagram

表3 摩爾—庫倫模型中巖土體物理力學(xué)參數(shù)

表4 護坡樁材料參數(shù)

3 結(jié)果分析

以下分析中，水平位移以向基坑內(nèi)為負，反之為正；豎向位移以豎直向下為負.

3.1 樁頂水平位移分析

圖4為各開挖工況下監(jiān)測點J1-J4的樁頂水平位移變化曲線，圖5為選取的J3監(jiān)測點現(xiàn)場監(jiān)測值與計算值對比圖.圖4～5表明：

圖4 J1-J4樁頂水平位移監(jiān)測曲線Fig.4 Horizontal displacement monitoring curves of pile top from J1 to J4

圖5 樁頂水平位移對比圖Fig.5 Comparison diagram of horizontal displacement of pile top

(1)隨著基坑的開挖，樁頂水平位移發(fā)展趨勢呈先期慢，中期快，后期緩慢并總體趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律.至基坑支護開挖結(jié)束時，樁頂水平位移最大值位于J2、J3處，為-20 mm，最小值位于J4處，為-15 mm，基坑中部水平位移較邊角處大，表明基坑端部受約束較大，基坑開挖空間效應(yīng)顯著.

(2)基坑開挖后，工況六至工況九樁頂水平位移發(fā)展最快，變化曲線呈近似線性關(guān)系，位移變化速率約為0.16 mm/d，遠小于規(guī)范規(guī)定的報警值，表明整個基坑開挖支護過程中，未出現(xiàn)超挖、快挖等不良現(xiàn)象.

(3)監(jiān)測與計算結(jié)果顯示的樁頂水平位移總變化趨勢基本一致，但也有一定差異，基坑開挖后期監(jiān)測值呈收斂趨勢，而計算值未有收斂跡象，這表明施工現(xiàn)場實際工況更為復(fù)雜，應(yīng)將計算結(jié)果作為補充.

(4)計算結(jié)果中錨索對樁頂水平位移的約束作用更明顯，每施加一道錨索，樁頂變形隨之減小，尤其是前幾道錨索，其對樁頂水平位移的約束作用更為突出，這主要是因為在錨索的實際張拉過程中，預(yù)應(yīng)力損失過大，遠小于模擬時的錨索張拉鎖定值.

3.2 樁頂沉降分析

由圖6可知，樁頂沉降隨基坑開挖逐漸增大，各監(jiān)測點沉降量與時間呈三段不同斜率的近似線性關(guān)系：工況一至工況六，樁頂沉降量很小，僅有-2.4 mm；工況六至工況七期間，沉降速率最大，達到0.1 mm/d；之后，沉降速率變小，并趨于平穩(wěn)，平均速率約為0.04 mm/d.分析原因，樁頂沉降的這一變化特征可能與基坑降水有關(guān)，該基坑在開挖地下水位以上部分時(實際按-10 m控制)，降水井只開啟了設(shè)計數(shù)量的一半，之后才全部啟用，故自工況五開始基坑降水量突然加大，而由于沉降的滯后效應(yīng)，導(dǎo)致支護結(jié)構(gòu)附近地層沉降速率自工況六開始明顯加大，滯后時間約為10 d，所以在基坑降水的影響下樁頂沉降速率呈現(xiàn)“慢→快→慢”的這一特性.另外，受基坑開挖空間效應(yīng)的影響，可以明顯看出基坑開挖后期，靠近基坑中部的J2、J3監(jiān)測點樁頂沉降速率及沉降量總體上較靠近基坑邊角的J1、J4監(jiān)測點的大.

圖7為樁頂沉降計算值與J3點監(jiān)測值的對比，可看出：樁頂沉降計算值與監(jiān)測值隨著工況的變化趨勢基本一致，沉降均不斷增大，但開挖支護結(jié)束時計算結(jié)果趨于收斂，且計算結(jié)果較監(jiān)測結(jié)果曲線平緩，沉降速率未出現(xiàn)明顯的突變現(xiàn)象，開挖支護結(jié)束時計算的沉降量也較監(jiān)測值小，究其原因，這可能是由于計算分析過程中未考慮基坑降水的影響.

圖6 J1-J4樁頂沉降監(jiān)測曲線Fig.6 Settlement monitoring curves of pile top from J1 to J4

圖7 樁頂沉降對比圖Fig.7 Comparison diagram of pile top settlement

3.3 樁身水平位移分析

圖8為測斜孔CX03樁身水平位移監(jiān)測值，提取樁身水平位移計算數(shù)據(jù)得到圖9，對比圖8～圖9可知：

(1)樁身水平位移變形曲線形態(tài)介于直線和拋物線形之間，空間上呈近似懸臂支護的變形特征，這主要是由于樁身中部錨索相對密集且設(shè)計鎖定值較大，對樁身約束作用較好，提高了樁身的整體抗彎曲能力，說明在較密集的多層錨索作用下，支護結(jié)構(gòu)整體剛性有所加強.

(2)樁身底部向基坑內(nèi)的水平位移隨著基坑的開挖不斷增大，最大水平位移為-8.9 mm，說明在黃土地區(qū)深基坑設(shè)計時，若將嵌固段作為固定端，應(yīng)嚴格驗算基坑底部土體的抗隆起穩(wěn)定性.

(3)計算結(jié)果與實測結(jié)果顯示的樁身變形曲線形態(tài)大體一致，但計算的樁身中部彎矩總體上大于監(jiān)測結(jié)果，表明實際工況下的支護結(jié)構(gòu)剛性較計算環(huán)境下大.

圖8 CX03樁身水平位移監(jiān)測曲線Fig.8 Horizontal displacement monitoring curves of pile body CX03

圖9 樁身水平位移計算值Fig.9 Calculated value of horizontal displacement of pile body

(4)基坑開挖完成后，計算結(jié)果顯示，樁身最大位移位于樁頂處，為-23.2 mm，最小位移處于樁底，為-10.2 mm，而監(jiān)測結(jié)果顯示，開挖完成時，樁身最大變形為-21.6 mm，也位于樁頂，最小變形在樁底，為-8.9 mm，計算值較監(jiān)測值大，說明該基坑支護設(shè)計合理，樁身變形控制較好.

3.4 錨索軸向應(yīng)力分析

圖10為監(jiān)測點ms2軸力隨基坑開挖與支護的變化曲線，從中可以看出：(1)隨著基坑的開挖，錨索軸力越來越大，這是因為隨著基坑的開挖，樁身變形越來越大，錨索的約束作用越來越強，錨索軸力越來越大；(2)監(jiān)測結(jié)果顯示，下層錨索對上層錨索的影響較小，這是因為施工過程中，錨索存在較大的預(yù)應(yīng)力損失，使其對樁體的約束作用減弱；(3)由于開挖機械對錨索產(chǎn)生了干擾，錨索2-5軸力大量減小，同時，其余錨索軸力增加，體現(xiàn)了各層錨索相互協(xié)調(diào)共同工作的空間作用效應(yīng).

圖10 ms2軸力監(jiān)測曲線Fig.10 Axis force monitoring curves of ms2

圖11 錨索軸力計算值Fig.11 Axis force calculated value of anchor cable

圖12 各層錨索軸力對比直方圖Fig.12 Histogram of axial stress contrast in each layer of anchor cable

圖11為ms2監(jiān)測點錨索軸力計算值，基坑開挖支護結(jié)束后，為了便于錨索軸力監(jiān)測值與計算值的比較，作錨索軸力計算值與監(jiān)測值對比直方圖，如圖12所示.從圖中可知：開挖支護結(jié)束時，各層錨索軸向應(yīng)力監(jiān)測值占計算值比例分別為71.4%，50.2%，39.0%，40.6%，29.5%，41.1%，34.6%，地下水位以上部分比值較高，而地下水位以下的黏土層中比值則相對較低，平均比值不足計算值的一半，其表明：地下水位以下錨索的蠕變效應(yīng)較顯著；基坑開挖過程中，支護結(jié)構(gòu)背側(cè)土體向基坑內(nèi)的實際位移較計算值小，導(dǎo)致錨索約束作用較小，故錨索軸力較小；第六層錨索軸力監(jiān)測值較大，主要由于其錨固段大部分位于中砂層中，錨固體與地層之間摩阻力較大，錨索蠕變效應(yīng)較濕陷性黃土層及黏土層中小.

3.5 基坑臨近建筑物沉降分析

由于基坑北側(cè)門診樓距離基坑最近，現(xiàn)以其作為基坑臨近建筑物沉降分析對象，取具有代表性的D1、D4、D5及D9監(jiān)測點進行數(shù)據(jù)分析，繪制的門診樓沉降變化曲線如圖13所示，從中可以看出：

(1)隨著基坑的開挖，門診樓沉降逐漸增大，沉降速率整體上呈近似線性關(guān)系，平均沉降速率約為0.04 mm/d，而工況六至工況七期間沉降速率有明顯的增大現(xiàn)象，這同樣與3.2中所述的基坑降水有關(guān).

(2)基坑開挖與支護結(jié)束時，門診樓最大沉降量為D4的-8.7 mm，最小沉降量為D5的-7.2 mm，分別位于門診樓南北兩側(cè)，差異沉降量僅為1.5 mm，整體傾斜率0.09‰，遠小于規(guī)范規(guī)定的傾斜2‰的監(jiān)測報警值，表明門診樓整體穩(wěn)定性良好，受臨近基坑開挖影響不大.

(3)基坑開挖支護結(jié)束時，門診樓沉降未見收斂趨勢，仍以較緩慢穩(wěn)定的速度不斷增大，故基坑開挖結(jié)束后應(yīng)及時進行地下室的施工，以盡早完成±0以下的回填工作，以及早結(jié)束基坑降水工作.

圖13 基坑臨近建筑物沉降監(jiān)測曲線Fig.13 Building settlement monitoring curves near the foundation pit

4 結(jié) 論

通過建立有限元模型，對基坑北側(cè)中部支護結(jié)構(gòu)變形、位移，錨索軸力，臨近建筑物沉降等監(jiān)測對象進行計算結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比分析，得出以下結(jié)論.

(1)該基坑支護結(jié)構(gòu)樁頂水平位移、樁頂沉降、樁身水平位移，臨近建筑物沉降等監(jiān)測值均遠小于規(guī)范規(guī)定的預(yù)警值，表明該基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計合理.

(2)基坑降水，尤其降水速率的變化，對地表及臨近建筑物沉降有顯著影響，基坑開挖過程中應(yīng)嚴格控制降水速率.

(3)樁身底部向基坑內(nèi)的最大水平位移為8.9 mm，說明在黃土地區(qū)樁錨支結(jié)構(gòu)的深大基坑設(shè)計時，若將嵌固段作為固定端，應(yīng)嚴格驗算基坑底部土體的抗隆起穩(wěn)定性.

(4)整個基坑開挖過程中支護結(jié)構(gòu)的變形特征，計算結(jié)果與監(jiān)測值總體上能夠較好的吻合，但錨索應(yīng)力的計算結(jié)果與實際監(jiān)測值偏差較大，錨索應(yīng)力分析時應(yīng)以監(jiān)測值作為參考.