楊曉華，陳 藤，劉龍海，田峰亮，楊志青

（湖南工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

0 引言

隨著現(xiàn)代城市的快速發(fā)展，城市空間越來越有限。在有限的空間進(jìn)行工程建設(shè)，不得不向地下發(fā)展，于是出現(xiàn)了許多諸如地下商場、地鐵、地下停車場等地下建筑。大型地下建筑的建設(shè)首先需要進(jìn)行基坑支護(hù)和深基坑工程的開挖。在深基坑工程的施工過程中，基坑內(nèi)外的土體將由原來的靜止土壓力狀態(tài)向被動土壓力和主動土壓力狀態(tài)轉(zhuǎn)變，應(yīng)力狀態(tài)的改變將引起土體的變形[1]。在深基坑施工過程中，為了保證基坑開挖的安全和質(zhì)量，確保工程安全順利地進(jìn)行，需要及時評價基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的有效性。因此，對基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、周圍土體和相鄰建（構(gòu)）筑物進(jìn)行實時監(jiān)測顯得尤為重要。結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)可以稱為工程建設(shè)的“體溫表”，被監(jiān)測的構(gòu)筑物是否處于安全狀態(tài)都會在監(jiān)測數(shù)據(jù)上有所反映[2]。對支護(hù)結(jié)構(gòu)及其周圍環(huán)境的監(jiān)測數(shù)據(jù)加以分析并總結(jié)其內(nèi)在規(guī)律，現(xiàn)已成為深基坑工程研究的主要方法之一[3-4]。

樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)由護(hù)壁樁和預(yù)應(yīng)力錨桿組成，其在深基坑支護(hù)工程中應(yīng)用越來越廣泛。在樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的深基坑施工中，首先進(jìn)行護(hù)壁樁的施工，然后在基坑內(nèi)分層卸土，在基坑側(cè)壁自上而下按設(shè)計要求分層進(jìn)行預(yù)應(yīng)力錨桿的施工。由于護(hù)壁樁和預(yù)應(yīng)力錨桿進(jìn)入工作狀態(tài)的先后次序不同及支護(hù)結(jié)構(gòu)承受土壓力的不斷增加，護(hù)壁樁及各層錨桿的應(yīng)力狀態(tài)隨基坑卸土深度的增加和下部預(yù)應(yīng)力錨桿的不斷加入而發(fā)生改變。因此，對深基坑樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的監(jiān)測顯得尤為重要。

本文依據(jù)某公共建筑深基坑工程在施工過程中基坑周邊環(huán)境的監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)樁頂水平位移、周邊土體表面沉降以及基坑周邊建筑物位移的變化情況，研究基坑開挖過程中樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律和對周邊環(huán)境的影響規(guī)律。

1 工程概況及工程地質(zhì)條件

1.1 工程概況

本工程項目為某新建公共服務(wù)大樓，建筑層數(shù)為16層，下設(shè)地下停車場。建筑所處場地原本為山坡，西南面高，東北面低，地下停車場需要開挖的基坑深度隨現(xiàn)場地形而改變，深度范圍為8～13m，最大深度在建筑的西南角?；悠矫娉叽鐤|西向長約85m，南北向?qū)捈s30.9m。距基坑邊界西側(cè)約4m處有相鄰單位建設(shè)的一道3m高的片石砌筑擋土墻，基坑邊界西南角附近有2棟單層建筑，南側(cè)距基坑邊界11m有一棟6層服務(wù)大樓，東側(cè)緊鄰基坑邊有一條5m寬車行通道；基坑北側(cè)為城市主干交通道路，距基坑較遠(yuǎn)，可以不考慮基坑開挖的影響。根據(jù)建筑場地環(huán)境情況，樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)置在基坑的西、南、東三面；根據(jù)最終基坑邊擋土高度的不同，護(hù)壁樁上分別設(shè)置1～4道預(yù)應(yīng)力錨桿；樁錨支護(hù)擋土墻總長度約145m。

1.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)場地地質(zhì)勘察報告得知，場地內(nèi)地層自上而下分別為素填土層、粉質(zhì)黏土層、黏性土礫砂層和石灰?guī)r層。場地內(nèi)各土層天然地基承載力及主要物理力學(xué)性能指標(biāo)代表值如表1所示。

表1 各土層主要物理力學(xué)性能指標(biāo)Table1 Physico-mechanical parameters of construction site soil

場地水文地質(zhì)條件中等。素填土含上層滯水，為大氣降水及附近生活用水補(bǔ)給，并向地勢低洼處排泄；粉質(zhì)黏土層含水量較貧乏，為相對隔水層；含黏性土礫砂為含水和強(qiáng)透水層，含較豐富的潛水；石灰?guī)r裂隙中含少量基巖裂隙水。根據(jù)勘察報告，各孔的靜止水位埋深在2.0～7.2m之間。

場地內(nèi)特殊性土表現(xiàn)為素填土、粉質(zhì)黏土和含黏性土礫砂。素填土分布不均，承載力低，不宜作為基礎(chǔ)持力層，基坑開挖時，在素填土部位應(yīng)增大其放坡坡度。粉質(zhì)黏土呈硬塑狀和可-軟塑狀，分布不均，埋深較大，局部厚度較大，這給樁基礎(chǔ)施工帶來不利影響，在選用樁基礎(chǔ)時應(yīng)慎重考慮其易變形對施工的不利影響。含黏性土礫砂含水量大且為強(qiáng)透水層，樁基礎(chǔ)施工的難度較大。護(hù)壁樁開挖影響深度范圍的地質(zhì)分布如圖1所示。

2 基坑現(xiàn)場監(jiān)測

2.1 基坑監(jiān)測方案

基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性不僅關(guān)系到工程的安全，而且還關(guān)系到基坑周邊附近其他建筑物、道路及管道設(shè)施的保護(hù)等。因此，必須采取信息化管理方法對基坑施工的全過程進(jìn)行有效監(jiān)測。基坑支護(hù)機(jī)構(gòu)工程變形的監(jiān)測點(diǎn)布置，應(yīng)能反映監(jiān)測對象的實際狀態(tài)及變化趨勢，并應(yīng)滿足監(jiān)控要求。根據(jù)JGJ120—2012《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》[5]第3.1.3條有關(guān)規(guī)定，確定本工程基坑安全等級為二級。結(jié)合GB 50497—2009《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》[6]有關(guān)規(guī)定及設(shè)計方的要求，將監(jiān)測點(diǎn)布置在支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形的關(guān)鍵特征點(diǎn)上。監(jiān)測點(diǎn)的布置如圖2所示，具體布置方法如下：

1）沿深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部周圍布置13個監(jiān)測點(diǎn)，這13個監(jiān)測點(diǎn)即可監(jiān)測支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移，又可監(jiān)測支護(hù)結(jié)構(gòu)的沉降；在樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)各邊的中部、拐角處布置監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置在護(hù)壁樁頂，各監(jiān)測點(diǎn)的水平間距不大于 20m，且每邊監(jiān)測點(diǎn)數(shù)目不少于3個；土體深層水平位移監(jiān)測點(diǎn)布置在基坑樁錨支護(hù)各邊的中部及有代表性的部位上，該監(jiān)測點(diǎn)的水平間距為20～50m，每邊監(jiān)測點(diǎn)數(shù)目不少于1個。

2）在基坑南面附近建筑物上布置3個水平位移和沉降共用監(jiān)測點(diǎn)，以便監(jiān)測基坑南側(cè)附近原有6層建筑物的位移和沉降情況。

3）沿基坑西側(cè)臨近小區(qū)擋土墻上布置3個水平位移和沉降共用監(jiān)測點(diǎn)。各監(jiān)測點(diǎn)水平間距為10～15m。

圖2 監(jiān)測點(diǎn)布置示意圖Fig.2 Schematic diagram of monitoring points arrangement

2.2 監(jiān)測方法

根據(jù)GB50497—2009《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》中的有關(guān)規(guī)定選擇監(jiān)測儀器及施測方法。沉降差采用DSZ2級水準(zhǔn)儀加DS1級測微器進(jìn)行觀測，按測微法施測；水平位移采用DJ2級光學(xué)經(jīng)緯儀進(jìn)行觀測，按視準(zhǔn)線法、小角法施測。水平位移監(jiān)測基準(zhǔn)點(diǎn)的埋設(shè)符合國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)JGJ8—2007《建筑變形測量規(guī)范》[7]的有關(guān)規(guī)定。在監(jiān)測現(xiàn)場設(shè)置強(qiáng)制對中的觀測墩，采用精密光學(xué)裝置進(jìn)行對中檢測，對中誤差不大于0.5mm。

3 監(jiān)測結(jié)果分析

本工程深基坑監(jiān)測目的有2個：基坑本體監(jiān)測和周邊環(huán)境監(jiān)測?；颖倔w監(jiān)測包括對圍護(hù)樁墻、支撐、錨桿、土釘、基坑內(nèi)土層的受力和變形及地下水位的變化等情況進(jìn)行監(jiān)測，周邊環(huán)境監(jiān)測包括對深基坑周圍地層、地下管線、周邊附近建筑物、周邊道路等位移和變形情況進(jìn)行監(jiān)測。結(jié)合本工程的實際特點(diǎn)，僅對深基坑樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的樁頂水平位移、沉降和基坑附近周邊房屋建筑的沉降和水平位移進(jìn)行監(jiān)測。

3.1 護(hù)壁樁頂水平位移

圖3給出了深基坑南側(cè)支護(hù)樁頂6個監(jiān)測點(diǎn)（監(jiān)測點(diǎn)編號分別為D1～D6）的監(jiān)測結(jié)果。

圖3 南側(cè)樁頂水平位移隨時間變化曲線Fig.3 Curves for pile top horizontal displacement varying with time in south side

從圖3可以看出，樁頂各監(jiān)測點(diǎn)向基坑方向上的水平位移隨基坑開挖時間呈現(xiàn)先增大，后部分減小，趨于穩(wěn)定，然后再增大，再部分減小，趨于穩(wěn)定的循序漸進(jìn)過程?？傮w上樁頂水平位移隨開挖時間呈不斷增大趨勢，到最后一排錨桿施工完畢后，樁頂水平位移的增勢才慢慢緩解，直至最后趨于穩(wěn)定。在建筑物地下室底板施工完畢后，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)中間部分樁頂水平位移出現(xiàn)減小現(xiàn)象。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因在于基坑剛開挖時，基坑內(nèi)側(cè)土體被挖除，基坑護(hù)壁樁開始處于懸臂狀態(tài)，基坑外的土體對護(hù)壁樁產(chǎn)生土壓力，使護(hù)壁樁有向基坑內(nèi)側(cè)滑移和彎曲變形的趨勢。隨著基坑開挖深度增加，基坑外的土體對護(hù)壁樁產(chǎn)生的土壓力不斷加大，造成護(hù)壁樁頂?shù)乃轿灰撇粩嘣黾?。?dāng)開挖到一定深度時，在護(hù)壁樁上進(jìn)行第一排預(yù)應(yīng)力錨桿施工，由于預(yù)應(yīng)力錨桿的張拉作用，護(hù)壁樁身的彎曲變形很快得到控制并對基坑壁的土體產(chǎn)生較大的反壓；對基坑繼續(xù)進(jìn)行開挖，當(dāng)施工到一定深度時，護(hù)壁樁頂?shù)乃轿灰朴謺兇?，隨著第二排預(yù)應(yīng)力錨桿施工完成，護(hù)壁樁身的彎曲變形又得到控制并且又會有反壓；隨后基坑繼續(xù)向下開挖。當(dāng)建筑物地下室底板施工完畢后，由于地下室地板厚度較大（地板厚度約為1.5～2.0m），地下室地板的剛度較大，對護(hù)壁樁的嵌固效果明顯；再由于護(hù)壁樁支擋土體厚度減小，相應(yīng)的土壓力減小，在錨桿預(yù)加應(yīng)力的作用下，使護(hù)壁樁頂?shù)乃轿灰瞥霈F(xiàn)回縮現(xiàn)象。因此可以看出，預(yù)應(yīng)力錨桿可有效地抑制護(hù)壁樁頂向基坑內(nèi)側(cè)的水平位移，提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體剛度。進(jìn)一步研究表明，對第二排錨桿及時有效的鎖定，可減少護(hù)壁樁體的整體水平位移。

從圖3還可看出，樁頂水平位移變化的最大位置在D4監(jiān)測點(diǎn)，該監(jiān)測點(diǎn)處于基坑南側(cè)邊中部，監(jiān)測發(fā)現(xiàn)D4點(diǎn)的最大水平位移為16.16mm。國家現(xiàn)行規(guī)范要求深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)累計水平位移應(yīng)小于開挖深度的5 ‰和30mm兩者中的小值。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果可知，該深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)滿足國家現(xiàn)行規(guī)范的要求，結(jié)構(gòu)一直處于安全狀態(tài)。本監(jiān)測結(jié)果與一般深基坑每邊的中部、基坑陽角處變形較大的研究結(jié)論[8]相一致，說明在深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計和施工過程中，特別要注意深基坑每邊中部的結(jié)構(gòu)設(shè)置和位移控制。

3.2 護(hù)壁樁頂沉降

圖4～6分別給出了基坑南側(cè)、西側(cè)和東側(cè)護(hù)壁樁頂?shù)某两当O(jiān)測結(jié)果。

圖4 南側(cè)樁頂沉降隨時間變化曲線Fig.4 Curves for settlement of pile top varying with time in south side

圖5 西側(cè)樁頂沉降隨時間變化曲線Fig.5 Curves for settlement of pile top varying with time in west side

圖6 東側(cè)樁頂沉降隨時間變化曲線Fig.6 Curves for settlement of pile top varying with time in east side

從圖4～6可以看出，各監(jiān)測點(diǎn)檢測的樁頂沉降在基坑開挖的初期先不斷增大，當(dāng)?shù)谝坏李A(yù)應(yīng)力錨桿施工完畢后，護(hù)壁樁頂?shù)某两甸_始減少，甚至有反彈的趨勢；隨著基坑深度的繼續(xù)加大，樁頂沉降又開始增加，當(dāng)?shù)诙厘^桿施工完畢后，護(hù)壁樁頂沉降略有反彈，然后樁頂沉降趨于穩(wěn)定。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因還是源于預(yù)應(yīng)力錨桿對護(hù)壁樁頂沉降的抑制作用。同時，從圖中還可看出，在監(jiān)測點(diǎn)D3, D7,D11處產(chǎn)生最大沉降，這3個監(jiān)測點(diǎn)分別處于基坑長邊的中部和基坑邊的轉(zhuǎn)角處。由此可以判斷，深基坑護(hù)壁樁頂及附近土體表面的沉降在基坑每邊中部和基坑陽角處最大。在施工過程中，應(yīng)加強(qiáng)在這些部位的監(jiān)測和控制，如出現(xiàn)異常，立即報警，以防發(fā)生安全事故。

3.3 空間效應(yīng)

結(jié)合其它項目的工程實踐，對基坑周邊附近建筑物沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，距基坑邊界的遠(yuǎn)近，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的布置情況，時間效應(yīng)和預(yù)應(yīng)力錨桿施加有效預(yù)應(yīng)力的大小，對基坑周邊附近建筑物沉降的影響較明顯[9]。依據(jù)本工程的實際監(jiān)測數(shù)據(jù)，分別得到基坑邊南側(cè)和西側(cè)附近建筑物沉降隨時間的變化曲線，如圖7～8所示。

圖7 南側(cè)周邊建筑物沉降變化曲線Fig.7 Curves for settlements of buildings near the foundation pit in south side

圖8 西側(cè)周邊建筑物沉降變化曲線Fig.8 Curves for settlements of buildings near the foundation pit in west side

由圖7～8可知，在基坑西南角的D14監(jiān)測點(diǎn)和基坑南側(cè)（基坑長邊）的中部D15監(jiān)測點(diǎn)，出現(xiàn)最大沉降，最大沉降值分別為2.36mm和3.20mm。理論分析表明，在基坑轉(zhuǎn)角處、基坑邊中部變形最敏感，這些地方附近的地面沉降也較大?；娱_挖后，基坑附近周邊土體出現(xiàn)臨空狀態(tài)，緊靠基坑側(cè)邊的土體將向臨空方向緩慢滑移，直接引起土體發(fā)生剪切破壞，導(dǎo)致基坑附近的土體變松軟且壓縮性增大，引起附近建筑物地基在原有荷載作用下產(chǎn)生新的沉降。距基坑邊界越遠(yuǎn)，土體受基坑開挖的擾動程度越輕，土體整體穩(wěn)定性就保持越好。由此可見，基坑周邊附近建筑物的沉降受建筑物與基坑邊界之間距離的影響較大，建筑距基坑越近，產(chǎn)生的沉降越大，其沉降變化具有明顯的空間效應(yīng)。

3.4 時間效應(yīng)

由圖7～8可知，在基坑開挖初期，基坑周邊附近建筑物的沉降發(fā)展較緩慢，沉降量較小。在第一排預(yù)應(yīng)力錨桿施工完成后，基坑南側(cè)及西側(cè)附近建筑物的沉降開始變明顯，隨后基坑周邊附近建筑物的沉降趨于平穩(wěn)。從沉降監(jiān)測結(jié)果發(fā)生的時間上分析表明，基坑周邊附近建筑物的沉降與基坑開挖深度之間存在明顯的滯后特性，即基坑周邊附近建筑物發(fā)生的沉降差在基坑開挖一段時間后才表現(xiàn)出來。這主要是基坑在開挖的初期時段僅影響垂直基坑周邊表面的土體，使基坑周邊新開挖的土體進(jìn)入臨空狀態(tài)，土體中的應(yīng)力開始釋放，裂隙逐步擴(kuò)張，其后土體緩慢發(fā)生滑動剪切破壞，這些變化需要一個時間過程。因此，基坑周邊附近土體產(chǎn)生滑移蠕變和剪切破壞存在一個滯后期，導(dǎo)致基坑周邊附近建筑物的沉降過程具有明顯的時間效應(yīng)。

4 結(jié)論

該工程深基坑施工過程比較順利，深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)及附近地面的水平位移與垂直位移及基坑周邊附近建筑物的沉降，均在國家現(xiàn)行規(guī)范允許的范圍內(nèi)，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定?；痈浇h(huán)境的監(jiān)測結(jié)果詳細(xì)真實，準(zhǔn)確指導(dǎo)了深基坑工程的施工。結(jié)合監(jiān)測結(jié)果分析可得以下結(jié)論：

1）樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移和沉降受預(yù)應(yīng)力錨桿的影響較大，在護(hù)壁樁上增加預(yù)應(yīng)力錨桿能有效減少基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)向基坑方向產(chǎn)生的水平位移，并且能抑制護(hù)壁結(jié)構(gòu)的整體沉降。通過觀測護(hù)壁樁頂?shù)乃轿灰坪统两担軌蛴行ПO(jiān)測支護(hù)結(jié)構(gòu)整體所處的狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)基坑附近出現(xiàn)的異常現(xiàn)象，并將信息反饋給施工單位，研究決定采取相應(yīng)的措施以確保支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全。

2）在基坑開挖施工過程中，基坑周邊的最大變形出現(xiàn)在基坑每邊的中間部位和基坑陽角位置。基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)對這些部位進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，施工時要特別注意其變形，以免發(fā)生安全事故。

3）基坑周邊附近建筑物的沉降受多種因素影響，如建筑物距基坑邊界的距離、支護(hù)樁的布置情況、時間效應(yīng)等。影響最大的是建筑物距基坑邊界之間的距離，離基坑越近，沉降量越大?；又苓吀浇ㄖ锏某两颠^程具有明顯的時間效應(yīng)。基坑開挖的前期沉降較緩慢，沉降量較小；開挖一段時間以后沉降加快，沉降量明顯增大；最后逐漸趨于穩(wěn)定。

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