二元地层结构条件下锚桩支护深基坑变形特征分析——以成都市某深基坑开挖为例

二元地层结构条件下锚桩支护深基坑变形特征分析——以成都市某深基坑开挖为例

郭文玮

四川省第一地质大队  四川成都  610072

摘要：文中针对成都市某深基坑，研究在冲积盆地以第四系覆盖层、灌口组泥岩的二元地层结构下，桩锚支护深基坑的变形特征规律。在现场开挖及支护过程中，通过不同部位、不同支护工况下的监测数据结合有限元数字模拟进行对比分析，表明桩顶位移在二元结构地层具有较显著的时空效应特征和变化规律，同时也说明桩锚支护结合具体措施能够较好地控制此类基坑变形，分析结果对此类地层的深基坑结构设计及安全维护具有参考意义。

关键词：二元地层结构；桩锚支护；深基坑；时空效应；变形特性

1 前言

随着城镇建设中用地问题凸显，城市“向下寻找空间的需求”越发迫切，深基坑开挖已成普遍现象，其开挖导致的变形问题和潜在风险在国内外进行了大量研究。本文以成都市某大厦深基坑为例，该基坑地处成都市中心，上部场地地基土由上部的第四系全新统人工填土(Q4ml)、第四系全新统河流冲洪积（Q4al＋pl）和下伏白垩系灌口组(k2g)泥岩组成，冲洪积层厚度在16-20m左右，在基坑支护上体现为明显的二元地层结构特征，上部土层的流变和蠕变特性与下伏密实卵石、基岩相对稳定性在锚桩支护结构下其时空效应呈现较为明显的差异性和变化规律。依据工程地质条件、支护结构及监测数据，掌握基坑变形规律并进行时空特征分析，同时利用PLAXIS软件二维有限元分析软件与实际数据对比，研究在二元地层结构下，从时（开挖深度、支护措施）、空（深度、布局）两个维度研究基坑变形规律，总结桩锚支护基坑对控制变形的效益水平，为类似工程设计提供参考。

2 基坑概况

2.1 支护方案

本基坑位于成都市中心区域，主体建筑高度176m，4层地下室，开挖深度约20m，基坑周长355m，坑内面积约5440㎡，基坑安全等级为一级，基坑内地层由上部的第四系全新统人工填土(Q4ml)、第四系全新统河流冲洪积（Q4al＋pl）和下伏白垩系灌口组(k2g)泥岩组成，冲洪积层厚度在16-20m左右。

该基坑周边环境复杂，为满足基坑工程稳定性，减小对周边建构筑物影响，设计支护采用悬臂桩+预应力锚索（4层）+局部角撑支护体系，先进行支护桩、冠梁和角梁施工，待达到开挖条件后边开挖边支护，分多层开挖，每层不超过2.0m。

同时，为及时确保基坑施工及周边建构筑物的变化情况，在基坑开挖和有效期内，通过基坑桩顶以及周边建构筑物及道路设置的变形观测点进行监测，并根据现场开挖支护情况及规范要求进行观测和数据统计分析。

2.2二元地层结特征分析

该基坑二元结构的上层主要是填土、粉质黏土及中细砂构成，填土层由于固结时间短，结构松软，加之填土成分复杂以及空间分布的不均匀性导致整体土层的工程特性是结构松软，变异性大，开挖过程易产生卸荷。

二元结构的下部主要是卵石层、泥岩层，成都地区卵石含量高，空隙被砂砾充填，卵石呈交错排列，卵石间大部分接触嵌固咬合作用强，整体而言下层结构较为密实，变形模量高，泊松比小，摩擦角大，抗剪强度高。

3 变形时空效应分析

3.1 监测变形数据分析

选取分别位于基坑东、南、西、北侧的代表性监测点对桩顶水平位移进行分析，根开挖阶段、受力区域，变形从时间和空间明显分为几个特点。

各桩测点的变形量均顺着开挖深度的增加而增大，从单桩上分析，最大变形发生在基坑顶部，变形整体形态为“开口形”，与土岩二元结构有关，从基坑布局及周边环境角度分析，单点最大变形主要发生在外部荷载最大的东侧，西侧因紧挨地下室及有内支撑支护，整体变形相对较小，且曲线平滑。

3.2 二维模型建立与分析

本次模拟采用PLAXIS提供了多种本构模型，在基坑开挖过程中土体内部会形成一定范围的塑性区,基于此特点采用Mohr-Coulomb模型来模拟土的本构关系。

为了进行合理的模拟计算，沿基坑边线位置取一横剖面作为研究对象进行二维计算。模型采用平面应变，15-节点单元，几何尺寸水平方向-80至+80m，深度0至-50m，基坑范围为-50至+50m，开挖深度0至-20m，分四次开挖，开挖后设置四道预应力锚索，开挖深度分别为-4m、-9m、-15m、-20m。

按照设计报告设置岩土体参数、排桩参数、锚索参数并施加初始应力，因基坑开挖前已进行降水，所以土体未考虑饱和重度及地下水对其的影响。结构体参数取值为：支护桩EA=1.8×107kN/m，EI=5.4×105kN/m，W=1.2 KN/M2，μ=0.1，锚索自由端EA=1.67×105kN/m，锚索锚固段EA=1.5×104 kN/m，输入相关数据后生成网格。

3.3 基坑模拟变形计算

根据基坑开挖的设计步骤，进行开挖及锚杆支护的模拟施工。最终可以计算得到支护结构的变形和受力情况以及基坑内外土体的变形和应力分布情况，见图1。总体上，数字模拟结果与实际观测结果规律一致，表明现有数值模拟手段对二元地层结构锚桩支护基坑变形特征规律分析的合理性和可靠性，体现了变形特点和发展规律。

图1开挖后土体变形分布图

3.4二元结构时空效应特征

（1）结合数值模拟和实际监测结果，变形最大处集中在基坑顶部，其中模拟最大累计位移达到37mm，较同位置实际监测变形数据偏大约15mm，变化趋势基本保持一致，随着基坑开挖及施加锚索、内支撑的推进，水平变形也随之发展。

（2）开挖后土体的应力主要集中在坑底两侧，达到1.04×103kN/m2，且基坑底部岩土体有一定的隆起特征，符合开挖后的实际情况；

（3）在深基坑开挖过程中，坑内外土体的应力状态、围护墙体的受力状态及与土体性状有关的参数等随开挖进程不断发生变化。基坑的变形一是随着开挖的进行而不断变化，二是与基坑的暴露时间有紧密联系的，这两点正是基坑变形时空效应的体现。

4 结论

基于上述基坑监测资料及数字模拟方法，总结在二元结构地层中基坑开挖支护过程中的变形特征规律， 在二元结构基坑开挖中，以填土为代表的上部土层变形表现出明显的时空效益，主动土压力相对较大，变形速率荷载和外部应力较大处，下部岩层对围护结构侧向变形影响范围的约束作用明显； 数字模拟与监测梳理结果均表明，在土层支护中，采用桩锚支护能有限控制变形，工艺成熟，对周边建筑的安全和使用的影响都在安全合理的范围内，锚桩支护对类似工程具有参考价值。

参考文献

[1]王明年，曾正强，赵银亭．级配不良卵石深基坑地表及支护变形规律研究[J]．铁道科学与工程学报，2019，6（3）：646-653．

[2]沈细中．深基坑工程基本过程数值模拟及实时优化研究[D]．武汉：武汉大学，2004

[3]高文华，杨林德，沈蒲生．软土深基坑支护结构内力与变形时空效应的影响因素分析[J] ．土木工程学报，2001，10：90-95

[4]白晓宇，张明义，闫楠．土岩深基坑桩—撑—锚组合支护体系变形特性[J]．中南大学学报（自然科学版），2018，49（2）:454-463．

[5]高文华，杨林德，沈蒲生．软土深基坑支护结构内力与变形时空效应的影响因素分析[J] ．土木工程学报，2001, 34(5):90-96

作者简介：郭文玮，男，四川省攀枝花人，1984年7月生，学历：硕士研究生，地质工程专业，职位：四川省第一地质大队（四川省地质工程勘察院集团有限公司），高级工程师。

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