樁錨復合支護結構深基坑動態預警值研究

陳云鋼，葉舒，許立

（1.安徽工業大學建筑工程學院，安徽 馬鞍山 243000；2.五冶集團上海有限公司，上海 201100）

1 引言

樁錨復合支護結構深基坑在開挖時會導致樁體位移，建筑物產生沉降，錨桿拉應力會發生變化[1-2]。因此已有研究對樁錨復合支護結構深基坑做了很多工作，并獲得一些結論[3-7]。陳云鋼、張勝等[8]對樁錨復合支護結構深基坑進行了數值模擬，通過數據分析得到了樁體內力、樁頂位移、錨桿拉應力的變化規律。何智勇、王賢能等[9]對樁錨復合支護結構深基坑進行三維模擬得出模擬數據與監測數據基本吻合，表明三維模擬軟件在基坑模擬方面的可行性。閆康、曹芳等[10]根據基坑預警值設計出一套基坑安全監測系統來確保基坑在施工工程中的安全性。在目前的研究中，針對樁錨復合支護結構深基坑預警值的研究成果較少，因此本文擬對樁錨復合支護結構深基坑動態預警值進行分析研究。基于基坑監測值、模擬值來獲得基坑動態預警值，并將動態預警值與規范預警值進行對比分析，對今后類似樁錨復合支護結構深基坑的施工和監測具有一定的借鑒和參考意義。

2 工程概況

2.1 周邊環境條件

依托馬鋼股份公司煉焦總廠南區新建筒倉工程。基坑北側為受煤坑，東側為現有鐵路；東南側為1號轉運站，基坑南側為C5通廊，西南側為C3轉運站，C5通廊鏈接1號轉運站與C3轉運站。本基坑周長為140.9m，面積為633.69m2。本工程0.00=23.50m。

2.2 工程地質條件

該建設場地地勢相對平坦，勘察期間場地地面標高在24.42m～23.86m。基坑土層參數表1所示，地勢剖面如圖1所示。

土層參數 表1

圖1 典型地勢剖面圖(單位：m)

2.3 水文地質條件

勘察場地內地下水為上層滯水，基本賦存于人工填積層中，主要補給來源于大氣降水、生活及生產用水。

3 圍護及監測方案

3.1 圍護結構設計方案

選取基坑靠近鐵路一側B2轉運站支護結構為研究對象，最大開挖深度為14.9m，支護結構采取樁錨復合結構支護。基坑圍護結構相關參數如圖2所示。

圖2 基坑圍護結構剖面圖

3.2 監測點布置

樁體深層水平位移監測點為M1、M2、M3；周邊建筑物沉降監測點為C1、C2、C3、C4；錨索應力變化監測點為G1、G2、G3，如圖3所示。

圖3 監測點布置圖

3.3 監測頻率

樁錨復合支護結構深基坑現場監測頻率如表2所示。

監測頻率 表2

3.4 基坑開挖工況

見表3。

基坑開挖工況 表3

4 基坑數值模擬

4.1 地應力平衡

基坑工程數值模擬時，要對初始地應力進行平衡，如此才能確保模型的精準性。地應力平衡就是賦予天然狀態下的土體相應的應力，確保模擬結果更加接近真實情況，在ABAQUS操作時，地應力平衡常采用的方法有自動平衡閥和ODB導入法。

4.2 模型基本假定

①假定模型土體為均質分布，且為彈—塑性體。

②假定基坑樁錨復合支護結構為完全彈性體。

③基坑地下水位已經降至開挖面以下，且施工時做了降水與止水施工，因此不考慮地下水影響。

4.3 支護結構參數

支護結構參數如表4所示。

支護結構參數 表4

樁錨支護結構材料參數如表5、表6所示。

樁體參數 表5

錨索參數 表6

4.4 開挖模擬

利用ABAQUS數值模擬軟件單元“生死”功能對基坑進行數值模擬，本基坑模擬共分為9個工況，11個分析步，具體情況見表7所示。

基坑模擬分析步 表7

4.5 基坑模型

選取基坑最薄弱部分B2轉運站為建模對象，樁錨復合支護結構基坑模型共劃分為95896個單元，12385個結點，模型尺寸為60m×48m×50m，基坑邊緣距運煤軌道距離為2.89m～8.11m，基坑邊緣距建筑物距離為5.66m。

圖4 基坑模型詳圖

5 基坑監測數據與模擬數據對比分析

5.1 樁體深層水平位移

施工現場布置M1～M3對樁體深層水平位移進行監測，各監測點監測數據與模擬數據分析如圖5所示。

圖5 樁體深層水平位移監測-模擬數據對比

根據圖5可知，在不同的開挖工況下，距離開挖土層越遠樁體深層水平位移變化量越小。基坑中間位置樁體深層水平位移總體變化量要大于基坑陽角位置，且基坑L型樁體拐角位置樁體深層水平位移均值最小，表明樁錨復合支護結構L型樁體對于抑制樁體深層水平位移具有一定的效果。并且樁體深層水平位移模擬數據與監測數據總體變化趨于統一。樁體深層水平位移M1～M3監測數據極值分別為18.12mm、27.31mm、23.08mm，模擬數據極值分別為19.32mm、28.43mm、24.60mm。

5.2 錨索應力

選取G1～G3監測點位置監測數據與模擬數據進行分析，分析結果如圖6所示。

圖6 錨索應力監測-模擬數據對比

根據圖6可知，基坑錨索應力隨著基坑開挖深度的增加呈現波動性上升趨勢，第二、三排錨索應力總體大于第一、四排錨索應力值，并且基坑陽角位置錨索應力總體小于基坑非陽角處錨索應力值；基坑錨索應力監測數據與模擬數據變化趨勢大致相同且略大于監測值；基坑第一、二、三、四排錨索應力監測數據極值分別為121.3kN、201.6kN、220.6kN、181.3kN，模擬數據極值分別為 128.41kN、203.65kN、221.43kN、180.52kN。

5.3 建筑物沉降

基坑施工時布置監測點分別為C1、C2、C3、C4，各監測點位置監測數據與模擬數據對比分析如圖7所示。

圖7 C1～C4建筑物沉降監測-模擬數據對比

根據圖7分析可知，建筑物沉降監測數據與模擬數據變化趨于相同，且模擬數值均值稍大于監測數值；監測數據與模擬數據都可以看出越靠近基坑陽角位置建筑物沉降越大，且隨著建筑物距離基坑越遠時，建筑物沉降整體均值越小；C1～C4建筑物沉降監測數據極值分別為-10.32mm、-11.65mm、-12.93mm、-11.54mm，模擬數據極值分別為-10.77mm、-11.64mm、-13.61mm、-11.53mm。

6 基坑預警值分析

基坑不同監測項目規范預警值[11～12]如表8所示。

基坑監測項目規范預警值 表8

6.1 樁體深層水平位移預警值

根據圖8分析可知，樁體深層水平位移監測數據與模擬數據對比，可得樁體深層水平位移極值為28.43mm，樁體深層水平位移規范預警值為45mm，故在樁錨復合支護結構深基坑施工中，將樁體深層水平位移調整為規范預警值的64%后，仍能保證基坑的安全性與穩定性。

圖8 樁體深層水平位移監測值、模擬值、規范預警值對比（單位：mm）

6.2 錨索應力

根據圖9分析可知，錨索應力監測數據與模擬數據對比可得錨索應力極值為221.43kN，而現行錨索應力規范預警值相對較大，將錨索應力規范預警值做出合理的下調，仍可以保證基坑安全性與穩定性。

圖9 錨索應力監測值、模擬值、規范預警值對比（單位：kN）

6.3 建筑物沉降

根據圖10分析可知，建筑物沉降監測數據與模擬數據對比后，可得極值為13.61mm，建筑物沉降規范預警值為20mm，故將建筑物沉降預警值下調至現行規范預警值的69%后，仍可保證基坑的安全性與穩定性。

圖10 建筑物沉降監測值、模擬值、規范預警值對比（單位：mm）

7 結論

①樁錨復合支護結構深基坑樁體深層水平位移預警值可下調至現行規范預警值64%，建筑物沉降預警值可下調至現行規范預警值的69%，錨索應力也可根據工程實際，在現行規范預警值的基礎上進行相應調整。調整后的預警值仍可以保證基坑的安全性與穩定性。

②樁錨復合支護結構深基坑L型樁體對于抑制樁體深層水平位移具有良好的效果，在一定程度上，對于保證基坑穩定性與安全性起到了一定的作用。

③基坑不同監測項目動態預警值的調整幅度均不相同，所以基坑動態預警值的確定需根據基坑實際開挖工況、實地監測和數值模擬等實際情況綜合研判獲得。