深基坑支護結構影響因素及其監測分析研究

宋斌

（中航勘察設計研究院有限公司，北京 100098）

1 引言

隨著城市建設的快速發展，基坑工程數量大幅度增加。 基坑工程主要包括基坑支護結構、土方開挖、降水、監測等方面。其中，支護結構是基坑工程的關鍵部分，它不僅承受土體的側壓力，還保證基坑工程的穩定性。 因此，研究深基坑支護結構的影響因素和監測方法對提高基坑工程的可靠性和安全性具有重要意義[1-2]。

本文針對深基坑工程的變形狀態及規律， 分析廣東南部沿海城市某一基坑工程現狀， 用Midas FEA 軟件設計樁錨支護結構， 以增強其穩定性， 并對設計的樁錨支護結構進行監測。 旨在及時準確地把握深基坑工程的變形狀態及規律，有效預防并及時處理可能出現的安全事故， 提高深基坑工程的施工質量和安全性能。

2 樁錨支護結構概述

樁錨支護是在巖石錨桿理論研究比較成熟的基礎上，發展起來的一種擋土結構。 其主要是將受拉桿件的一端固定在開挖基坑的穩定地層中， 另一端與圍護樁相連的基坑支護體系。 在實際應用中主要有以下優勢。

1）樁錨支護具有安全經濟的特點，因此，在邊坡和深基坑支護工程中被廣泛應用。

2）在基坑內部施工時，開挖土方與樁錨支護體系互不干擾，能有效地縮短工期，尤其適用于復雜施工場地及對工期要求嚴格的基坑工程。

3）樁錨結構適用于多種土體，如砂土、礫石、黏性土等，可以應用于各種建筑地基加固[3]。

4）其主要作為抗拉構件，在施工過程中可以根據實際需要加長或縮短，其極限抗拉強度較高，可以有效增強原有結構的穩定性和抗震能力。

5）樁錨結構制作簡單，施工方便，可以大幅縮短工期，減少施工成本。 同時能夠在較小的空間內進行鉆孔、注漿和壓錨等作業，可以大大減少對周圍土方的破壞，從而節約土方。

3 深基坑樁錨支護結構的影響因素和監測分析

3.1 項目概況

項目基坑位于廣東省南部某沿海城市，該地區雨量充足，每年4～9 月為雨季，年降雨量1 933.3 mm。 案例工程體量大，包含地上8 層和地下2 層。項目基坑開挖深度約為10 m，周長為1 776 m，基坑總面積約55 167 m2。 周邊市政道路下埋設市政管線較多，主要用于集中鋪設通信、電力、給排水、燃氣等市政公共設施。 由于建筑載荷較大，基坑基礎選擇為承載能力高的筏板基礎和樁基礎。 項目場地地質復雜，巖土層一般為花崗巖層、礫質黏土和素填土，屬于滲透性較差的弱透水性地層，含有新近填土，厚度最大約13.5 m。 勘察期間，場地內所有鉆孔均見有地下水，地下水類型主要為潛水，受氣候條件影響，地下水埋深在4.20～12.50 m。

由于基坑周邊環境復雜，項目基坑支護設計采用樁撐、樁錨和分級放坡的組合支護。 根據場地巖土層的設置，將支撐支頂設置在冠梁下2.85 m 處，

3.2 樁錨支護結構影響因素

樁錨支護結構的主要影響因素有支護樁間距、 樁長和預應力錨索預加力。 當支護樁的樁間距過小時，需要的支護樁的使用數量增多，材料和施工成本增加。 在群樁基礎受豎向荷載的條件下，由于承臺、樁體和土壤之間的相互作用，樁間距過小會導致樁側阻力、樁端阻力和沉降等性狀發生變化，影響支護結構的整體穩定性。 樁間距過大時，群樁基礎的總承載力會因為缺乏足夠的相互支持而降低， 還會導致支護結構在不同部位的沉降差異增大，影響上部結構的穩定性和使用安全。 當支護樁的樁長過大時，工程造價也相對較高。 若樁長過小，可能會影響基坑安全性和穩定性。 因此，合理設置樁長既能控制成本，避免材料浪費，有效利用資源，同時在保證基坑穩定性的前提下，能獲得更大的經濟效益。

為了獲得更大的工程價值， 在不改變支護樁的其他參數下， 分別設置5 種均相差0.10 m 的樁間距 （1.00～1.40 m）和100～300 kN 的錨索預加力， 對比分析不同樁間距和預應力情況下樁身的水平位移變化。 同時，分析不同樁長時，樁身的彎矩變化。 3 種主要影響因素對樁身的影響結果如圖1 所示。

圖1 樁錨支護結構的主要影響因素對樁身的影響

圖1a 中， 樁身水平位移隨著支護樁樁間距的增大而增加，當樁間距為1.00 m 時，樁身水平位移為24.97 mm；當樁間距增大到1.40 m 時， 樁身水平位移為29.99 mm。 樁間距為1.20 m 時，樁身彎矩為385.17 kN·m；當樁間距為1.40 m 時，樁身彎矩為427.95 kN·m，與1.00 m 的樁間距對比，樁身最大彎矩增加了26.36%。 當錨索預加力為100 kN、200 kN、300 kN時，樁身水平位移分別為32.70 mm、27.45 mm、23.98 mm。

圖1b 中，隨著樁長和錨索預加力的增加，樁身最大彎矩逐漸減小。 當預加力為200 kN、樁長為18.00 m 時，樁身最大彎矩為385.17 kN·m，樁身最大位移為27.45 mm。

由此可見，隨著錨索預加力增大，基坑水平變形大幅度減小，幅度基本穩定，支護結構內力減小，減小幅度呈遞減趨勢。支護結構中，排樁樁間距為1.20 m、樁長為18.00 m、預應力錨索預加力為200 kN 較為合理。

3.3 排樁+錨桿支護結構設計

排樁+錨桿支護結構示意圖如圖2 所示。

圖2 排樁+錨桿支護結構示意

圖2 中，剖面開挖深度為12.75 m，共有支護樁21 根，樁徑為800 mm，樁長為1 800 mm，樁間距為1 200 mm。 冠梁界面為800 mm×800 mm，冠梁和腰梁所在位置設置錨桿，錨桿均為植入式桁架， 施加預應力為200 kN， 樁間設置旋噴樁止水。 圍護結構中混凝土灌注樁為C30 水下混凝土，冠梁、腰梁施工采用現澆混凝土，混凝土采用C30 商品混凝土。錨索和混凝土的彈性模量分別為235 GPa、30 GPa，泊松比為0.2。錨索、支撐道數為3，錨索長度分別為21.0 m、28.5 m、33.5 m。 按照樁錨支護結構，開挖1.70 m、5.70 m、9.70 m 深度時，需要分別進行冠梁+錨索、腰梁+錨索、腰梁+錨索加撐施工。預應力錨索作為構件比較隱蔽，主要為拉索作用。 錨索能夠充分調用巖土能量、巖土強度和自承能力，降低結構自重，用錨索或土釘代替邊坡、襯砌或重力擋土墻，可節省大量土方，進而節約成本，縮短工期。 用錨索代替鋼橫撐作為側墻支撐，既能節約大量鋼材，又能大大改善施工條件。 施工前需要了解巖土性質、地下管線、交通道路等對施工影響，并且需要校驗相關設備性能質量，以保證施工過程安全。

3.4 基坑樁錨支護的監測分析

為了有效管理施工，確保工程的安全，對本項目設計的基坑樁錨支護進行監測。 監測過程中使用的監測儀器有Leica TS09 Plus 全站儀，規格為0.3 mm/km 的Sokkia SDL1X 水準儀和BIS20 水準儀鋼尺、CX-3C 測斜儀和SSC-101 便攜式頻率讀數儀。 針對支護結構樁頂水平位移、基坑周邊地面沉降和錨索軸力，在基坑開挖到開挖完成后穩定前進行1 次/d 的監測，基坑開挖完成穩定后至結構底板完成前進行1 次/3 d 的監測， 結構底板完成后至回填土完成前進行1 次/15 d 的監測。考慮到當地降雨量，若暴雨情況下使基坑變形速率提高，則需要增加監測頻率。 監測過程中，相關人員需要對監測數據進行采集與整理，以便后續分析數據。 支護結構樁頂水平位移監測控制值為30 mm，基坑周邊地面沉降監控值為35 mm，而錨索軸力監測控制值應為設計值的70%。

對基坑樁錨支護的3 處錨索軸力、 地面沉降位移和樁頂水平位移進行數值模擬分析。

經分析可知，3 處錨索軸力監測控制值分別為155.4 kN、180.8 kN 和158.4 kN，3 處的監測結果與數值模擬的比值φ 分別為69.7%、68.5%、68.9%， 此時實際的錨索軸力性能接近預定的控制標準。 地面沉降監測控制值為11.12 mm，φ 為69.1%，實際沉降比預測值小，說明地面的實際承載性能較好。樁頂水平位移監測控制值為10.75 mm，φ 為60.8%，表示支護結構穩定性較好。 整體來看，基坑狀態為安全可控，數值模擬分析具有一定的可靠性。

4 結語

研究結合某基坑工程現狀， 通過Midas FEA 軟件設計樁錨支護結構增強穩定性，并監測分析設計的樁錨支護結構。 結果表明，設計的支護結構參數較為合理，保證了深基坑工程的安全性和經濟性。 在未來的研究中，可以進一步探討深基坑工程中可能出現的復雜地質條件和非確定性因素的影響機制，以及相應的控制和管理策略。