劉運(yùn)剛 劉金華 黃明艷 譚海林 肖豪

1 中化地質(zhì)礦山總局湖南地質(zhì)勘查院，湖南 長(zhǎng)沙 410083

2 湖南化工地質(zhì)工程勘察院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的增長(zhǎng)，對(duì)地下空間的利用也提出了更高的要求，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者和工程人員對(duì)不同基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的理論和實(shí)際應(yīng)用做了大量研究并取得了豐碩的研究成果[1-6]。

本文主要以長(zhǎng)沙某基坑工程為例，探討樁錨支護(hù)體系對(duì)基坑變形的影響。由于基坑支護(hù)工程具有區(qū)域性和差異性，基坑支護(hù)設(shè)計(jì)的精準(zhǔn)變形量是難以精準(zhǔn)確定的問(wèn)題，目前在全國(guó)或行業(yè)內(nèi)很難有統(tǒng)一、定量的標(biāo)準(zhǔn)，需要設(shè)計(jì)人員根據(jù)項(xiàng)目區(qū)巖土地質(zhì)條件、周邊環(huán)境條件、工程自身特點(diǎn)及鄰近建筑物對(duì)變形的適應(yīng)能力等因素合理確定變形量控制標(biāo)準(zhǔn)[4-7]。同時(shí)，在基坑支護(hù)設(shè)計(jì)中，地基土的水平反力系數(shù)的比例系數(shù)m值的合理取值是影響計(jì)算結(jié)果的關(guān)鍵影響因素之一?，F(xiàn)行《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ120-2012）[8-12]對(duì) m值的取值提出了三種方法：一是按樁的水平載荷試驗(yàn)取值，二是按經(jīng)驗(yàn)公式取值，三是按經(jīng)驗(yàn)值取值。其中，按樁的水平載荷試驗(yàn)取值最為準(zhǔn)確，但試驗(yàn)成本高，費(fèi)時(shí)耗力，在勘察中通過(guò)此法得到m值的比較少，現(xiàn)階段主要是采用經(jīng)驗(yàn)公式取值或經(jīng)驗(yàn)值取值。故筆者以長(zhǎng)沙某深基坑為工程背景，采用理正深基坑 7.0設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，探討了設(shè)計(jì)階段影響計(jì)算變形量的因素，并結(jié)合工程實(shí)際確定了允許的變形量，最后對(duì)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)計(jì)算變形值進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，所得結(jié)論以期為相關(guān)工程提供參考。

1 工程概況及設(shè)計(jì)參數(shù)確定

1.1 工程概況

本基坑位于湖南省長(zhǎng)沙市天心區(qū)，基坑開挖深度在7.8～12.60m，本文重點(diǎn)研究西側(cè)的DE段。該段坑頂為小區(qū)出入道路和五層老舊住宅，基坑頂距離小區(qū)老舊建筑的距離約10m，基坑安全等級(jí)為一級(jí)，重要性系數(shù) γ0取值為 1.1，設(shè)計(jì)使用年限為一年，采用樁錨支護(hù)，樁徑1.0m，支護(hù)高度12.6m，嵌固深度7.7m，樁間距2.0m，采用3道預(yù)應(yīng)力錨索錨拉，錨索成孔直徑150mm，具體的支護(hù)剖面如圖1所示。

圖1 DE段支護(hù)剖面圖Fig.1 Support section of DE part

根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告，各土層厚度如圖1地質(zhì)柱狀圖 JK24所示，地層主要有堅(jiān)硬狀態(tài)的粉質(zhì)黏土，中密-密實(shí)狀的粗砂，中密狀的圓礫及強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，各巖土層的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。場(chǎng)地地下水類型主要為埋藏在雜填土中的上層滯水及賦存于粗砂及圓礫中的潛水，上層滯水穩(wěn)定水位埋深5.9～6.9m，相當(dāng)于標(biāo)高84.33～85.77m，潛水穩(wěn)定水位埋深9.0～12.4m，相當(dāng)于標(biāo)高79.9～82.45m。

表1 各地層設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameter of rocks and soil layers

1.2 設(shè)計(jì)參數(shù)確定

1.2.1 荷載取值

其中道路荷載按 30kPa，住宅按 15kPa/層考慮，本設(shè)計(jì)的荷載距坑頂 10m范圍內(nèi)荷載取30kPa，距坑頂10～50m范圍內(nèi)荷載取75kPa。地下水位按不利原則考慮，外側(cè)水位深度取 0，粉質(zhì)黏土按水土合算，粗砂和圓礫按水土分算，采用二次壓力注漿。

1.2.2 m值確定

根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》[8]（JGJ 120-2012），土的水平反力系數(shù)的比例系數(shù) m 值的經(jīng)驗(yàn)公式是根據(jù)大量實(shí)際工程的單樁水平載荷試驗(yàn)確定，并根據(jù)統(tǒng)計(jì)原理建立了與土抗剪強(qiáng)度的聯(lián)系，具體如下：

式中：m-水平反力系數(shù)的比例系數(shù)；φ-土的內(nèi)摩擦角（°）；c-土的粘聚力（kpa）；υb-樁在坑底處的水平位移量（mm）。

值得一提的是，各個(gè)地方的巖土體物理力學(xué)性質(zhì)既有共性也有異性，純按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算取值離散性較大，若有樁的水平荷載試驗(yàn)及地區(qū)經(jīng)驗(yàn)時(shí)，宜優(yōu)先按照樁的水平荷載試驗(yàn)及地區(qū)經(jīng)驗(yàn)取值。本文采用強(qiáng)樁弱錨支護(hù)方案，根據(jù)勘察報(bào)告（地區(qū)經(jīng)驗(yàn)）結(jié)合《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》[11]（GB50330-2013）中的m值進(jìn)行試算對(duì)比，表2中第1行中的值為根據(jù)勘察報(bào)告所給參數(shù)而得到的值，第2行中的值為根據(jù)文獻(xiàn)[11]而得到的值（表2）。

表2 不同m取值對(duì)變形的影響Table 2 Comparison of deformation with different m value

從表2可知，根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)的m值進(jìn)行試算，其豎向沉降值為20mm，水平位移值為13.73mm，都較《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》[11]（GB50330-2013）的值小，m值與計(jì)算變形或位移也呈負(fù)相關(guān)性，m越大計(jì)算變形或位移越小。由此可見，m值對(duì)最大沉降和水平位移的計(jì)算較為敏感，在進(jìn)行基坑支護(hù)設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)巖土層性質(zhì)，結(jié)合地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)，審慎確定m值，必要時(shí)可要求勘察單位進(jìn)行補(bǔ)充說(shuō)明。

2 方案選擇

2.1 變形對(duì)比分析

樁錨支護(hù)體系屬于超靜定結(jié)構(gòu)，其樁-土-錨是相互作用的，從力的平衡看，護(hù)壁樁與錨索共同承擔(dān)水土壓力；也正因?yàn)闃跺^體系結(jié)構(gòu)受力合理、施工簡(jiǎn)單靈活、變形控制有力、對(duì)土方施工影響較小等優(yōu)點(diǎn)，在深基坑工程中應(yīng)用較為廣泛[4-7]。但現(xiàn)階段的基坑設(shè)計(jì)理論尚不完善，計(jì)算出的變形量誤差較大，工程設(shè)計(jì)人員更需要重視積累地區(qū)經(jīng)驗(yàn)和概念設(shè)計(jì)。本文結(jié)合場(chǎng)地工程地質(zhì)、水位地質(zhì)及周邊實(shí)際情況，對(duì)比分析了在不改變錨索的長(zhǎng)度和傾角及其它設(shè)計(jì)參數(shù)，只改變錨索的排數(shù)時(shí)強(qiáng)樁弱錨、強(qiáng)錨弱樁兩種不同樁錨剛度開挖至最低標(biāo)高時(shí)的計(jì)算變形量（表3）。由表3可知，在本工程中，強(qiáng)樁弱錨方案的最大沉降和水平位移小于強(qiáng)錨弱樁方案。

表3 不同樁錨剛度搭配的計(jì)算變形對(duì)比Table 3 Comparison of calculated deformation under the different stiffness of pile and anchor

2.2 造價(jià)對(duì)比分析

本段支護(hù)長(zhǎng)度為 52.7m。強(qiáng)樁弱錨支護(hù)方案樁徑為1m、樁間距2m、樁長(zhǎng)20.3m、錨索長(zhǎng)21m、錨索豎向間距 3m（3排錨索，4Φ15.2），即該段采用強(qiáng)樁弱錨支護(hù)方案共需要26根樁、78根錨索，樁徑為1.0m的鉆孔灌注樁綜合單價(jià)為1600元/m，其中綜合單價(jià)包括材料費(fèi)、機(jī)械費(fèi)、人工費(fèi)、綜合費(fèi)，4Φ15.2綜合單價(jià)為160元/m，故其總造價(jià)約為875856萬(wàn)元。

強(qiáng)錨弱樁支護(hù)方案樁徑為0.8m、樁間距1.6m、樁長(zhǎng)20.3m、錨索長(zhǎng)21m、錨索豎向間距2.5m（4排錨索，4Φ15.2），即該段采用強(qiáng)樁弱錨支護(hù)方案共需要33根樁、132根錨索，樁徑為0.8m的鉆孔灌注樁綜合單價(jià)為1380元/m，其中綜合單價(jià)包括材料費(fèi)、機(jī)械費(fèi)、人工費(fèi)、綜合費(fèi)，4Φ15.2綜合單價(jià)為160元/m，故其總造價(jià)約為824809萬(wàn)元。

由此可知，強(qiáng)錨弱樁支護(hù)方案較強(qiáng)樁弱錨支護(hù)方案節(jié)約了約5.8%的成本，但造價(jià)總體區(qū)別不大，且在工程實(shí)際中，錨索容易失效，強(qiáng)樁弱錨方案會(huì)更安全。

3 變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)警值的確立與對(duì)比

3.1 設(shè)計(jì)時(shí)變形量監(jiān)測(cè)控制標(biāo)準(zhǔn)

基坑工程監(jiān)測(cè)為基坑周邊環(huán)境中的建筑和各種設(shè)施的保護(hù)提供了依據(jù)，監(jiān)測(cè)時(shí)應(yīng)根據(jù)工程的特點(diǎn)選擇合理的變形監(jiān)測(cè)預(yù)警值就顯得十分重要，本段坑頂為小區(qū)道路和老舊住宅，其基礎(chǔ)型式為天然地基淺基礎(chǔ)、砌體承重的磚混結(jié)構(gòu)。根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007-2011）[13]第 5.3.4條，砌體承重結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)允許的局部?jī)A斜為0.002～0.003，考慮到小區(qū)道路和老舊住宅對(duì)差異沉降敏感，稍有不慎可能導(dǎo)致房屋和道路開裂，局部?jī)A斜的限值取 0.002，由文獻(xiàn)[13]可知，傾斜是指基礎(chǔ)傾斜方向兩端點(diǎn)的沉降差與其距離的比值，選定了局部?jī)A斜的限值，則可以根據(jù)公式（2）得出地表最大承降量的限值δlim，公式（3）可得出地表沉降計(jì)算范圍x0。

式中：x0-地表沉降計(jì)算范圍（m）；δlim-地表最大承降量的限值（mm）；H-基坑開挖深度（m）；D-基坑嵌固深度（m）；φ-支護(hù)結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)土層的加權(quán)平均內(nèi)摩擦角（°）。

本項(xiàng)目的基坑支護(hù)高度為12.6m，基坑嵌固深度為 7.7m，土層的加權(quán)平均內(nèi)摩擦角為26.74°，故地表沉降計(jì)算范圍值x0=12.50m。地表最大沉降量的限值δlim=x0×局部?jī)A斜限值=12.50m×0.002=0.025m=25mm，參考《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50497-2019）[14]，累計(jì)的樁頂豎向位移的監(jiān)測(cè)預(yù)警值為 20～30mm，與表2中的計(jì)算結(jié)果基本吻合，故本工程累計(jì)的樁頂豎向位移的監(jiān)測(cè)預(yù)警值取25mm。本設(shè)計(jì)采用理正深基坑軟件中彈性法計(jì)算的最大水平位移為 13.73mm，累計(jì)水平位移限制取上述規(guī)范的預(yù)警值 20～30mm較為合理，而根據(jù)本工程的實(shí)際情況，本工程累計(jì)水平位移的監(jiān)測(cè)預(yù)警值取20mm。

3.2 實(shí)際變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

在距坑頂邊緣40m范圍內(nèi)設(shè)置樁頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)3個(gè)，地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)8個(gè)。

根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，樁頂水平位移和豎向沉降數(shù)據(jù)如表4所示，計(jì)算最大沉降為20.00mm，計(jì)算水平位移 13.73mm，由表可知，實(shí)測(cè)水平位移和豎向沉降均小于其計(jì)算值，也未達(dá)變形預(yù)警值；這進(jìn)一步說(shuō)明了設(shè)計(jì)的合理性。

表4 樁頂水平位移與豎向沉降監(jiān)測(cè)值Table 4 Monitoring values of horizontal displacement and vertical settlement of pile top

4 結(jié)論

本文以長(zhǎng)沙某深基坑為工程背景，探討了設(shè)計(jì)階段影響計(jì)算變形量的因素，并結(jié)合工程實(shí)際確定了允許的變形量，最后對(duì)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)計(jì)算變形值進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，所得結(jié)論以期為相關(guān)工程提供參考。

（1）基坑開挖影響范圍內(nèi)存在對(duì)差異沉降敏感的建（構(gòu)）筑物，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)不僅應(yīng)穩(wěn)定控制，還應(yīng)按照變形控制來(lái)設(shè)計(jì)。

（2）基坑支護(hù)設(shè)計(jì)雖然采用理論計(jì)算，但更需要結(jié)合技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)及地區(qū)經(jīng)驗(yàn)。在樁錨支護(hù)體系中，工程造價(jià)區(qū)別不大時(shí)，強(qiáng)樁弱錨的組合相較于強(qiáng)錨弱樁更能提高支護(hù)體系的安全性，減小支護(hù)體系的變形，降低對(duì)鄰近建筑物的影響。

（3）地基土的水平反力系數(shù)的比例系數(shù) m值對(duì)計(jì)算變形或位移較為敏感，m值與計(jì)算變形或位移呈負(fù)相關(guān)性，m越大，計(jì)算變形或位移越小，m值的取值需設(shè)計(jì)人員根據(jù)巖土層性質(zhì)，結(jié)合地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)審慎確定，必要時(shí)可要求勘察單位進(jìn)行補(bǔ)充說(shuō)明。

（4）基坑工程監(jiān)測(cè)為基坑周邊環(huán)境中的建筑和各種設(shè)施的保護(hù)提供了依據(jù)，所以在設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)工程的特點(diǎn)選擇合理的變形監(jiān)測(cè)預(yù)警值。