程 林

（天津市北洋水運(yùn)水利勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津 300452）

引言

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，基坑施工的開(kāi)挖深度越來(lái)越深，從最初的5～7 m發(fā)展到目前最深已達(dá)20 m多。由于地下土體性質(zhì)、荷載條件、施工環(huán)境的復(fù)雜性，對(duì)在基坑施工過(guò)程中引發(fā)的土體性狀、環(huán)境、鄰近建筑物、地下設(shè)施變化必須加以監(jiān)測(cè)，基坑穩(wěn)定監(jiān)測(cè)已成了工程建設(shè)必不可少的重要環(huán)節(jié)，在基坑施工過(guò)程中起著重要的作用，因基坑支護(hù)失穩(wěn)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡的實(shí)例不勝枚舉，如1999年珠海祖國(guó)廣場(chǎng)深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)、2005年廣州海珠廣場(chǎng)深基坑坍塌、2006年南京地鐵開(kāi)挖基坑造成居民樓傾斜沉降等重大事故。對(duì)于這些復(fù)雜的大中型工程或環(huán)境要求嚴(yán)格的項(xiàng)目，往往難從以往的經(jīng)驗(yàn)中得到借鑒，也難以從理論上找到定量分析、預(yù)測(cè)的方法，這就必定要依賴(lài)于施工過(guò)程中的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，將理論、經(jīng)驗(yàn)和監(jiān)測(cè)相結(jié)合是指導(dǎo)深基坑工程設(shè)計(jì)和施工的正確途徑。

本文以天津?yàn)I海地區(qū)軟土地基某內(nèi)支撐狹長(zhǎng)基坑為例，根據(jù)場(chǎng)地特點(diǎn)合理布置監(jiān)測(cè)斷面和監(jiān)測(cè)儀器，實(shí)測(cè)基坑施工期間各階段的圍護(hù)結(jié)構(gòu)和支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和力學(xué)變化，采用有限元軟件Plaxis模擬分析各施工工況的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，并將理論結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，提出基坑支護(hù)設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中應(yīng)注意事項(xiàng)，為類(lèi)似工程的設(shè)計(jì)提供有益的參考。

1 工程概況

位于天津?yàn)I海某主干道下穿地道工程，由主線(xiàn)地道基坑和E、F 匝道基坑三部分組成，主線(xiàn)部分樁號(hào)為 K1+122～K1+734，基坑外包總寬度約36.9～62.94 m，匝 道 部 分 樁 號(hào) 為 EK0+031～EK0+262 和FK0+539～FK0+304，匝道基坑外包尺寸為10.9～11.7 m。主線(xiàn)部分基坑縱向呈“V”字形，最大開(kāi)挖深度14.5 m，主線(xiàn)基坑隨深度設(shè)置1-4 道支撐，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用重力式擋墻、Φ850SMW 工法樁和鉆孔灌注樁形式，均采用明挖順作法施工。主線(xiàn)深部位置采取場(chǎng)Φ1 000@1 200 鉆孔灌注樁圍護(hù)，樁長(zhǎng)20 m，豎向布置一道混凝土支撐和一道鋼支撐，設(shè)計(jì)計(jì)算最大支撐軸力1 850 kN。工程場(chǎng)地經(jīng)過(guò)預(yù)壓處理還屬于軟土地基，地道結(jié)構(gòu)位于雜填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粘土層中，該基坑沿縱向延伸，屬于典型的狹長(zhǎng)形基坑，線(xiàn)路東西向均緊鄰既有結(jié)構(gòu)物。地道支撐典型支護(hù)結(jié)構(gòu)斷面如圖1 所示，場(chǎng)地土層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1 所示。

圖1 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)典型斷面示意

表1 場(chǎng)地土層物理力學(xué)參數(shù)

2 基坑監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)分析

根據(jù)本工程的基坑支護(hù)形式不同，在不同區(qū)段布設(shè)不同的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，本基坑工程主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目如下：

1）支護(hù)樁/墻/邊坡頂部水平位移監(jiān)測(cè)；

2）支護(hù)樁/墻深層水平位移；

3）支護(hù)樁/墻內(nèi)力監(jiān)測(cè)；

4）混凝土/鋼支撐軸力監(jiān)測(cè)。

基坑工程作為一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，存在整體受力的情況，但對(duì)于狹長(zhǎng)型的基坑而言，基坑受力往往表現(xiàn)在局部區(qū)段的局部受力狀態(tài)。在地道“V”底部最深的區(qū)域加密布設(shè)了墻頂位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)、支護(hù)墻深層水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)、支護(hù)樁內(nèi)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)、混凝土和鋼支撐軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

2.1 支撐軸力和樁身內(nèi)力監(jiān)測(cè)

混凝土支撐軸力監(jiān)測(cè)采用鋼筋應(yīng)力計(jì)，在每道水平支撐上的上、下側(cè)各埋設(shè)1～2 個(gè)應(yīng)力計(jì)。每道監(jiān)測(cè)支撐上布設(shè)一組，用于觀測(cè)支撐的軸力變化情況?；炷林屋S力應(yīng)力計(jì)焊接在主筋上，隨鋼筋綁扎施工布設(shè)，之后澆筑在混凝土內(nèi)。

鋼支撐軸力采用軸力計(jì)測(cè)量，將軸力計(jì)直接安裝在鋼支撐的活動(dòng)端頭，與圍護(hù)結(jié)構(gòu)的圈梁或圍檁緊密接觸，并保證豎向連接可靠穩(wěn)定。

樁內(nèi)力觀測(cè)采用鋼筋應(yīng)力計(jì)，每組設(shè)置對(duì)稱(chēng)布置的測(cè)頭，灌注樁區(qū)段，將應(yīng)力計(jì)焊接在鋼筋籠內(nèi)主筋上，以保證鋼筋應(yīng)力計(jì)與其保持一致的變形，并垂直支護(hù)方向?qū)ΨQ(chēng)布設(shè)，用來(lái)觀測(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)的豎向應(yīng)力。樁內(nèi)力測(cè)點(diǎn)豎向布置取為支撐位置處、兩道支撐之間、坑底附近，如圖2 所示。灌注樁應(yīng)力計(jì)的安裝位置見(jiàn)圖3 所示。

圖2 測(cè)點(diǎn)沿樁身豎向布置

圖3 灌注樁應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意

2.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

在基坑分層開(kāi)挖施工的各階段，通過(guò)連續(xù)的現(xiàn)場(chǎng)施工監(jiān)測(cè)，采集到大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，及時(shí)反映基坑圍護(hù)和支撐結(jié)構(gòu)的受力、穩(wěn)定和安全狀況。

1）混凝土支撐應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖4 混凝土支撐應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

圖5 混凝土支撐應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

從典型應(yīng)力監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)圖來(lái)看，支撐應(yīng)力監(jiān)測(cè)變化趨勢(shì)與基坑開(kāi)挖工況基本一致，在監(jiān)測(cè)區(qū)段進(jìn)行大開(kāi)挖期間，相關(guān)支撐軸力有較好的相關(guān)性反應(yīng)，應(yīng)力值會(huì)存在一個(gè)明顯的發(fā)展階段，當(dāng)開(kāi)挖完成且支撐受力穩(wěn)定后，監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力處于一個(gè)相對(duì)的穩(wěn)定水平。比較一定開(kāi)挖區(qū)域的幾處監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)應(yīng)力水平均較低，最大應(yīng)力均不超過(guò)鋼筋設(shè)計(jì)應(yīng)力的20 %，第一道混凝土支撐在縱橫向具有較強(qiáng)的平面內(nèi)剛度，在豎直方向有鋼格構(gòu)柱支撐連接亦存在很強(qiáng)的平面外剛度，支撐兩端均與圍護(hù)結(jié)構(gòu)冠梁整體連接，整個(gè)第一道混凝土支撐表現(xiàn)出很好的整體受力性能，各混凝土支撐軸力都呈現(xiàn)“增長(zhǎng)-緩變-穩(wěn)定”的變化趨勢(shì)。

2）鋼支撐軸力監(jiān)測(cè)結(jié)果

本工程一期基坑K1+254～K1+367 段在基坑開(kāi)挖一定深度后增設(shè)第二道鋼支撐，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)共布置6 個(gè)鋼支撐軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)施工期鋼支撐軸力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)見(jiàn)圖6 所示。從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，鋼支撐在施工期存在的有效時(shí)間很短，在整個(gè)施工期所監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的軸力值均不大于750 kN，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)計(jì)算理論值。

圖6 鋼支撐軸力監(jiān)測(cè)變化曲線(xiàn)

3）支護(hù)樁內(nèi)力監(jiān)測(cè)結(jié)果

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析可知：樁體應(yīng)力換算的懸臂構(gòu)件彎矩在設(shè)計(jì)預(yù)警容許范圍內(nèi)，不同深度的截面應(yīng)力與數(shù)值模型的理論應(yīng)力在趨勢(shì)上較為吻合，且應(yīng)力水平在開(kāi)挖完成后處于較為穩(wěn)定狀態(tài)。

圖7 工法樁不同深度應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

圖8 灌注樁不同深度應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

比較兩類(lèi)圍護(hù)樁在不同深度的應(yīng)力統(tǒng)計(jì)結(jié)果，樁身在開(kāi)挖施工后均表現(xiàn)出截面受彎應(yīng)力，樁身靠基坑側(cè)存在壓應(yīng)力，坑外側(cè)存在拉應(yīng)力，安裝在同一深度位于截面兩側(cè)的應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)值很好了反映出這一受力特點(diǎn)。但從應(yīng)力幅值和應(yīng)力發(fā)張情況來(lái)看，各斷面的應(yīng)力幅值并不是很大，越靠近冠梁處應(yīng)力水平越低，在基坑開(kāi)挖標(biāo)高左右處表現(xiàn)應(yīng)力較其他點(diǎn)位大，說(shuō)明圍護(hù)樁實(shí)際受力模型仍然近似于懸臂構(gòu)件，但應(yīng)力水平較懸臂構(gòu)件偏小。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，各點(diǎn)位應(yīng)力水平均在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到一定的強(qiáng)度后基本處于穩(wěn)定無(wú)變化水平，說(shuō)明樁體的受力安全儲(chǔ)備較大，基坑在后期變形和其它力作用情況下的對(duì)樁體的影響相對(duì)較小。

4）支護(hù)樁深層水平位移監(jiān)測(cè)結(jié)果

圍護(hù)墻及墻外土體深層水平位移反映墻體隨基坑開(kāi)挖深度不同，土體對(duì)墻體的側(cè)向作用，通過(guò)對(duì)各測(cè)斜監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移數(shù)據(jù)分析，圍護(hù)墻水平位移隨基坑開(kāi)挖而逐漸增大，位移最大值多出現(xiàn)在基坑底標(biāo)高處并達(dá)到穩(wěn)定。

從典型測(cè)點(diǎn)的土體水平位移曲線(xiàn)來(lái)看，隨著施工作業(yè)時(shí)間的進(jìn)行和坑外施工機(jī)械的作用，靠近圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)一定范圍內(nèi)土體側(cè)向擠壓一直存在，土體對(duì)圍護(hù)樁存在一定在側(cè)向作用，但這種側(cè)向作用并未對(duì)樁體造成明顯的不利作用。

圖9 圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移典型監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)

3 有限元數(shù)值模擬分析

3.1 計(jì)算模型的選擇

基坑在開(kāi)挖過(guò)程中，支護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)際上經(jīng)歷復(fù)雜的加荷、卸荷應(yīng)力路徑，摩爾庫(kù)倫模型較好的反應(yīng)了土體的破壞行為，但不能很好的表現(xiàn)土體破壞前的變形行為，無(wú)法考慮應(yīng)力歷史的影響和區(qū)分加荷、卸荷情況。本工程基坑狹長(zhǎng)，基坑整體空間效應(yīng)對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)影響較小，采取局部典型長(zhǎng)度單元進(jìn)行分析是一種可取的方法，在模型計(jì)算中忽略結(jié)構(gòu)的幾何非線(xiàn)性情況。土體的本構(gòu)取HSS 模型，采用15 節(jié)點(diǎn)三角形單元模擬土體，用板單元模擬支護(hù)樁結(jié)構(gòu)，橫向支撐看作彈性桿單元，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)和基坑底部附近進(jìn)行網(wǎng)格加密。土體的計(jì)算深度取基坑開(kāi)挖深度的2.5 倍，計(jì)算寬度自開(kāi)挖邊界向外取開(kāi)挖深度的2 倍。模型左右兩側(cè)X向水平約束，底部水平和豎向約束?？紤]施工工程中地面超載因素影響，取設(shè)計(jì)值50 kPa 計(jì)算，作用在距基坑外3 m 外，寬度為5 m。設(shè)置計(jì)算工況見(jiàn)表2 所示。

圖10 平面有限元模型網(wǎng)格

表2 模擬基坑施工工況

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

數(shù)值模擬選取基坑最深處標(biāo)準(zhǔn)斷面（本文取K1+385 處）進(jìn)行計(jì)算，圍護(hù)樁長(zhǎng)和支撐結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)均以設(shè)計(jì)參數(shù)作為輸入，在硬化模型中土體三周排水試驗(yàn)的割線(xiàn)剛度Eref50、固結(jié)試驗(yàn)的剪切剛度Erefoed和卸載再加荷剛度Erefur參考相關(guān)文獻(xiàn)取值。模擬分析結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比如表3 所示。

表3 標(biāo)準(zhǔn)段實(shí)測(cè)結(jié)果與分析結(jié)果比較（K1+385 處）

對(duì)選取的典型斷面模擬分析結(jié)果來(lái)看，在不同的工況下圍護(hù)結(jié)構(gòu)的冠梁頂部水平位移并不大，數(shù)值模擬結(jié)果最大值僅為5.08 mm，而基坑開(kāi)挖完成后實(shí)際觀測(cè)的位移值為7.22 mm；第一道混凝土水平支撐的軸力隨開(kāi)挖深度的增大在不斷增大，有限元計(jì)算模擬的結(jié)果最大值為1 399.8 kN，對(duì)應(yīng)斷面通過(guò)應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)換算的軸力達(dá)到3 014.4 kN，遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)給定的預(yù)警值，而第二道鋼支撐的實(shí)測(cè)軸力遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)提供的計(jì)算軸力。通過(guò)將計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較分析，二者還是存在一定的差異。通過(guò)比較分析，認(rèn)為產(chǎn)生這些差異可能因素如下：

1）數(shù)值模型是對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)采取一定的簡(jiǎn)化和假設(shè)處理，在邊界條件和材料參數(shù)取值存在一定的差異；

2）現(xiàn)場(chǎng)施工工序的不同，如施工順序、開(kāi)挖速度、開(kāi)挖層厚度、降水處理等，均會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和變形發(fā)展產(chǎn)生影響；

3）現(xiàn)場(chǎng)分層開(kāi)挖中第二道支撐是在第一層開(kāi)挖完成后邊挖邊撐過(guò)程中穿插進(jìn)行的，支撐間距和位置存在一定的偏差，改變結(jié)構(gòu)整體受力形式；

4）實(shí)際調(diào)查發(fā)現(xiàn)，部分鋼支撐端頭的圍檁未按要求保證與圍護(hù)墻體的面接觸，多數(shù)情況下出現(xiàn)單根圍檁呈虛支承或多點(diǎn)支承連續(xù)梁受力模式，支撐和圍護(hù)墻未形成整體受力；

5）基坑開(kāi)挖范圍進(jìn)行水泥攪拌樁格柵加固，一定程度上改善了土體的結(jié)構(gòu)提高了抗滑移能力。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)濱海地區(qū)軟土地基狹長(zhǎng)深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定監(jiān)測(cè)過(guò)程和監(jiān)測(cè)結(jié)果，采用有限元對(duì)典型斷面進(jìn)行了數(shù)值模擬，實(shí)測(cè)結(jié)果和模擬結(jié)果存在一定的差異，結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)類(lèi)似工程的支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工和監(jiān)測(cè)提出以下建議：

1）狹長(zhǎng)型深基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)受力表現(xiàn)出局部受力的特性，選擇樁型支護(hù)有利于基坑的整體穩(wěn)定和變形協(xié)調(diào)；

2）基坑開(kāi)挖時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大側(cè)移大致位于開(kāi)挖面附近，隨著深度的增大逐漸下移，實(shí)測(cè)和計(jì)算結(jié)果反映的變形曲線(xiàn)形式和趨勢(shì)是一致的，但數(shù)值上存在差異。建議當(dāng)開(kāi)挖至坑底后及時(shí)施工墊層和底板，防止變形的擴(kuò)大和發(fā)展；

3）基坑開(kāi)挖施工的不確定性較大，因地制宜加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)是保障基坑安全的重要控制點(diǎn)；

4）加強(qiáng)基坑監(jiān)測(cè)，尤其是軟土地基基坑，實(shí)時(shí)掌握支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和受力變化情況，做到實(shí)時(shí)預(yù)警，同時(shí)加強(qiáng)工程參建單位尤其是施工單位人員對(duì)監(jiān)測(cè)工作的重視是非常必要的。