喀斯特地質深基坑支護結構水平位移監測數據分析及模擬

李罡燁 季永新 楊 成

中國建筑第四工程局有限公司

1 引言

喀斯特巖溶區深基坑支護體系普遍采用錨拉樁支護體系，從已有研究資料顯示，喀斯特巖溶區深基坑支護體系的監測理論研究較少，本文依托深度超50米的貴陽市星云家電城深基坑進行研究，制定適合于喀斯特巖溶區深基坑錨拉樁支護體系設計方法。深基坑變形主要包括支護結構的變形及基坑周邊巖土體的變形等幾個方面，在進行基坑開挖時，由于坑內土體被挖除，基坑支護結構兩測出現壓力差，坑外土體發生向坑內方向的變形，同時使得支護結構向坑內發生變形移動。目前對深基坑水平位移變形主要通過實際監測進行研究，分析監測數據，但是，影響基坑變形的因素較多，各工程的實際變形情況也不盡相同，不能以精確的經驗公式得到結論。到了21世紀后，大量地下工程、高層以及超高層建筑的出現，人們對基坑工程的研究越來越重視，并為此投入了大量的精力，同時得到大量新的理論和經驗，為深基坑工程的設計和施工提供了寶貴的工程依據。

2 工程概況

貴陽恒豐中心深基坑工程位于貴陽市一環路內河濱公園附近，西向臨近城市道路花溪大道北段、南向臨近瑞花巷及瑞花廣場、東向臨近城市道路瑞金南路、北向臨近貴州省總工會及擬建道路。該項目所在場地擬建7棟單體建筑，最高一棟共80層，該項目所在場地按建設需要劃分為三個地塊，基坑支護體系設計針對地塊一G（13）74 地塊擬西北角基坑邊坡，該位置西鄰花溪大道北段，基坑開挖后將形成24m的基坑邊坡，地塊二G（13）75地塊基坑開挖后北側將形成高度為34.3m~38.3m的深基坑邊坡，基坑南側將形成高度為27.5m~30.4m 的基坑邊坡。貴陽恒豐中心深基坑工程場地位于貴陽市向斜北部、五里關背斜東側、圖云關斷層西側，下伏地層為中風化白云巖地層，呈單斜緩傾構造，地層巖性為厚層白云巖夾溶塌角礫巖，場區巖體節理較發育，巖體較破碎。場地巖土構成自上而下依次為第四系人工雜填土、殘積紅黏土，下伏基巖為三疊系下統安順組中厚層狀白云巖。

3 抗滑樁頂位移及深層水平位移分析

3.1 抗滑樁頂位移分析

抗滑樁樁頂及冠梁的水平位移將列舉水平位移監測點1#~3#進行時間-位移曲線圖分析。其時間位移曲線圖數據分別如圖2、圖3和圖4所示。

實際監測顯示，在基坑開挖階段抗滑樁樁頂的水平位移出現向基坑內側移動的趨勢，且位移變形趨勢較明顯，其中圖2所示的樁頂水平位移變形較小，1#水平位移監測點最大累計位移約為15.7mm，基坑開挖階段結束后，抗滑樁側移趨于平緩；圖3所示2#水平位移監測點最大累計側移量約為28.5mm，同樣在基坑開挖階段結束后，抗滑樁側移量不再增加；圖4所示3#水平位移監測點最大累計側移量約為25.7mm。綜上所示，在基坑開挖階段，抗滑樁向基坑方向有側移的趨勢，當基坑開挖階段結束后，抗滑樁水平變形趨勢逐漸趨于平穩，基坑施工結束后，水平變形基本穩定。

圖2 抗滑樁樁頂1#監測點時間—位移及速率—時間曲線圖

圖3 抗滑樁樁頂2#監測點時間—位移及速率—時間曲線圖

表1所示為深基坑開挖下支護結構抗滑樁樁頂及冠梁的水平位移與警戒值、控制值的對比。從現場監測情況及監測數據進行分析，隨著基坑開挖深度的增加，在土壓力作用下，抗滑樁樁頂向基坑臨空側的水平變形量也持續增加，但是并未超出警戒值與控制值。從上述數據分析中可以看出，深基坑邊坡采取抗滑樁、冠梁及錨桿等支護結構可以控制基坑邊坡的水平變形量，對基坑水平位移起到了較好的控制作用，保證了邊坡及周圍環境的安全和穩定。

表1 不同開挖深度下抗滑樁樁頂水平位移與警戒值、控制值對比

3.2 深層水平位移分析

項目選取較典型的測斜孔2#和3#對基坑支護結構的深層水平位移進行分析。貴陽恒豐中心深基坑的開挖方式采取分層開挖的施工開挖方式，在開挖施工前先進行降水，待地下水位降到設計要求即開挖面下1.5m以下時再進行土方開挖，開挖順序為先挖中槽再挖兩邊。

圖5、圖6分別為2#和3#在深基坑施工過程中監測抗滑樁迎土面巖土體在不同深度的深層水平的位移變化情況。從以下圖可以看出，在基坑施工開挖初期，深層巖土體水平變形量較小，基坑邊坡巖土體開始呈現出中間位移量大兩頭位移量小的“鼓肚”現象，但是由于總位移量較小，“鼓肚”現象并不明顯，位移最大處為2.5mm；繼續開挖至坑底，隨著基坑開挖深度的增大，支護結構受到的側向土壓力也將增大，將支護結構向基坑內側變形，深層巖土體水平位移曲線呈現出明顯的“鼓肚”現象，測量儀器顯示，2#監測點最大位移約為20mm，3#監測點最大位移約為21mm，均出現在中間位置。

圖5 2#監測點的深度—位移曲線圖

圖6 3#監測點的深度—位移曲線圖

表2所示為2#監測點和3#監測點深層土體測斜孔數據隨開挖深度增加其最大水平位移量的控制值和警戒值的對比。上述曲線圖反映了基坑在開挖施工時其最大深層水平位移變化值均小于警戒值，且最大水平位移均小于控制值0.25%H。深層水平位移監測數據反映出貴陽恒豐中心深基坑支護結構形式對深層水平位移的控制起到了良好的效果，有效地控制了深層水平位移的增長，提高了基坑施工的穩定性及安全性。因此，可以考慮通過監測數據，采取更經濟的支護形式和施工方案保證基坑施工安全。

表2 不同開挖深度下2#、3#監測點的最大深層水平位移與警戒值、控制值對比

4 深基坑開挖引起的土體水平位移模擬分析

4.1 無支護結構深基坑開挖引起的水平變形分析

在對基坑進行開挖時，由于坑內土體被挖除，在水平方向上，由于開挖卸荷作用，支護結構坑內方向失去土壓力，基坑支護結構兩測出現壓力差，在坑外土壓力作用下，支護結構向坑內凌空側水平移動；在豎直方向上，坑底巖土體就會產生向上的位移，開挖底面土體向上隆起，并進一步導致基坑周圍巖土體發生向坑內方向移動，同時導致基坑周圍地面一定范圍內也產生沉降。

隨著基坑施工開挖深度的增加，基坑邊坡的水平位移逐漸增大，當基坑開挖到一定深度時，基坑臨空側邊坡的水平位移逐漸呈現出兩端水平位移較小，中間水平位移較大的趨勢，即沿深度方向的“鼓肚”現象，無支護結構的基坑頂部水平位移均不滿足設計要求的30mm限值。為了控制基坑的變形，對基坑邊坡進行了加固處理，采用排樁+預應力錨索支護結構，數值模擬分析結果顯示，當支護結構及基坑周圍巖土體發生變形，支護結構和邊坡巖土體的內力同時也將發生變化，直至達到新的平衡時，變形即停止，從而達到減小位移的目的。

圖7 基坑邊坡沿深度方向“鼓肚”現象

從圖7可以看出，基坑開挖地產生了“空間效應”，基坑工程的空間效應是指一個三維的空間結構，基坑支護結構及邊坡土體受力、變形情況與基坑的平面形狀、尺寸、支護結構形式以及地層條件等有著緊密聯系。同時，基坑角部的巖土體與其相鄰部位的土體的變形有著明顯的差別。分析表明，基坑中的陰角的土體，因受到垂直方向土體的約束，陰角的土體變形明顯變小。陰角對基坑變形的約束與基坑陰角度的大小有著直接關系，當基坑陰角角度較小時，對基坑變形的約束作用明顯；當角度很大且趨近于180°時，其約束作用越小，當達到180°時，垂直方向的土體就不再對基坑土體起到約束作用。此外，對于基坑中的陽角則需特別注意，在陽角部位土體的穩定性相較于基坑其他部位則明顯變差，土體變形也會產生較大變化，必須引起高度重視并注意對這些部位加強監測。

4.2 進行支護的深基坑開挖引起的水平變形分析

基坑開挖完其支護結構的最終水平位移云圖如圖8-圖9所示。隨著基坑開挖深度的增加，支護結構的水平變形也隨之增大，直至開挖施工結束時，支護結構的水平位移沿深度方向呈現出中間水平位移較大，兩端位移較小的趨勢，基坑邊坡表現出“鼓肚”現象，中間土體最大水平位移為28.8mm左右。

圖8 基坑開挖后冠梁X方向水平位移云圖

圖9 基坑開挖后冠梁Y方向水平位移云圖

對支護后的基坑工程進行三維數值模擬，分析結果表明，開挖后的基坑水平方向變形存在明顯的“空間效應”，基坑陰角受到垂直方向土體及支護結構的約束，變形較小，在基坑不同部位的變形有著明顯的差異，影響基坑變形的重要因素主要為基坑工程的地質條件、基坑平面形狀的不規則、施工的方法等因素。

綜合上訴分析，基坑的變形模式是受多種因素制約的，其中場地地質條件對其有重要影響，依托工程場地地質為喀斯特地質，巖土體物理力學參數較好，對基坑變形控制起到一定的作用，整體上來說是處于穩定的狀態，且變形符合相應的規律。

5 結束語

通過對貴陽恒豐中心喀斯特地質深基坑監測數據與數值模擬計算結果進行對比分析，對基坑一些關鍵部位進行重點控制，如高邊坡、邊坡陽角等采取加固措施控制其變形，保證基坑施工的安全及穩定。將現場監測數據和數值模擬計算結果進行對比分析得出，兩者變形的趨勢及規律是相一致的，證明喀斯特地質條件下的基坑開挖后的巖土體及支護結構等的水平變形情況能夠通過監測數據和數值模擬計算真實反映，具有一定指導和理論研究意義。