北京某深基坑支护体系稳定性研究

许昭

摘要：随着城市地下空间的发展，深基坑的稳定性评价越来越重要。通过对北京市某自来水抢险中心地下工程进行监测，并采用FLAC3D建立数值计算模型，cable单元模拟锚杆，beam及pile分别模拟腰梁及支护桩，得出不同施工阶段下基坑侧壁的位移、桩顶位移及锚杆轴力的变化规律。结合现场实际工程经验得出开挖深度对基坑侧壁稳定性的影响规律，可为类似基坑工程提供参考。

Abstract： With the development of city underground space， the deep foundation pit stability evaluation become more and more important. Through the monitoring of underground engineering in Beijing city tap water rescue center and FLAC3D numerical model， cable is used to simulate the beam and pile were used to simulate the anchor retaining pile and beam waist， we can obtain the shear displacement simulation of foundation pit wall， the variation of pile top displacement and the axial force of the anchor in different construction stages. Combining with the actual engineering experience， we can obtain the influence of excavation depth on the stability of foundation pit， which can provide reference for similar foundation pit engineering.

关键词：基坑；桩锚支护；数值模拟；稳定性

Key words： foundation pit；piled anchor supporting；numerical simulation；stability

中图分类号：TV551.4 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）14-0100-04

0 引言

随着城市地下工程的增多，如何有效地利用这些地下空间引起了人们越来越多的关注。地下空间的利用也从最早的防空工程发展成地下停车场、地下超市、车站等。地下空间工程的规模也随经济发展越来越大，地下空间的开发利用越来越受到重視，都极大地推动了基坑工程理论与技术水平的快速发展，然而基坑尺度的大深化、变形控制的严格化、支护形式的多样化及场地工程地质条件、水文地质条件、基坑周边环境等因素使基坑支护的难度越来越大因此基坑工程具有较大的风险性，对设计、施工和管理的各个环节提出了更高的要求[1-5]。张钦喜[6]等学者结合工程实测数据及土压力反分析验证了其提出的土压力反算的可行性；相关文献[7-11]以实际工程为背景，通过现场实测，结合数值模拟对深基坑支护桩水平位移及桩顶位移进行分析，及时发现异常点，提前预警，以达到安全、高效、经济的施工目的。

1 深基坑工程概况及地质条件

1.1 工程地质条件

北京市自来水抢险中心地基基础工程位于北京市四季青镇，工程场区最高地下水位标高为27.2m左右，拟建基坑地下水位埋藏较深，可不考虑其水质对拟建建筑物基础的腐蚀问题。勘探22m范围分布土层主要分为三大类：人工堆积层、新近沉积层及第四纪沉积层。人工堆积层为碎石素填土①层和人工堆积的房渣土，有机质粘土素填土、粉质粘土素填土、粘质粉土素填土①层及有机质重粉质粘土素填土①层。新近沉积层细分为重粉质粘土、粘土②层，粉质粘土、粘质粉土②层及砂质粉土、粘质粉土②层；卵石、圆砾③层及细砂、中砂③层。第四纪沉积层分布于新近沉积层之下，为一般第四纪沉积之卵石④层，砂质粉土、粘质粉土④层及粉质粘土、粘质粉土④层；卵石⑤层及中砂⑤层；粉质粘土、粘质粉土⑥层，砂质粉土⑥层，中砂⑥层及卵石⑥层。

1.2 支护方案

基坑采用钻孔灌注桩加锚杆支护方式，桩径0.8m，桩间距1.6m，桩长16.8m，嵌固深度5.2m，桩顶标高53.4m，桩配主筋桩配主筋15C22，箍筋A8@200，加强筋C16@2000连梁主筋8C22、2C16，箍筋A6.5@200，有A8@400钢筋钩。连梁尺寸为0.9m×0.6m，桩/连梁砼强度为C25；预应力锚杆采用钢绞线，自由段长度7m，锚固段长度15m，锁定锚固力340kN。

1.3 现场监测

测试施工过程以及后续一段时间整个工程场地地层的空间变形以及支护结构的变形和受力状态，测试项目包括地表沉降、地表水平位移、桩侧土压力、桩身应力、冠梁应力和冠梁位移等。

1.4 监测结果分析

1.4.1 桩顶位移随时间的变化规律

基坑外边土体产生位移的大小、周边建筑物和管线及设施的安全等都与桩顶位移的大小有很大关系，所以，在基坑的施工过程中，对基坑监测的中点则放在了桩顶位移的监测上。图1为桩顶位移变化较大的四个测点的位移随基坑开挖的曲线分布。

由图1分析可知：在基坑开挖初期，桩顶水平位移及竖向位移均相对较小，随着基坑开挖深度逐渐增大，桩顶水平位移及竖向位移均呈增大趋势；桩顶水平位移随着开挖深度的增加其变化速率呈先匀速后加速再趋于稳定的趋势，当开挖阶段达到最大时，曲线曲率最大，但随着桩及预应力锚杆的共同作用，系统逐渐趋于平衡，位移值在小范围内波动。

1.4.2 预应力锚杆轴力随时间变化规律

锚杆轴力随施工进度的变化规律见图2。

第一阶段，预应力锚杆在张拉锁定完成后，轴力迅速下降，锚杆的预应力损失比较严重，卸荷值达到了设计值的15%-20%。锚杆材料的预应力损失、土体的蠕变、锚头夹具、张拉系统、锚头所在的工字钢横梁的预应力损失等这些都将可能导致预应力损失，使曲线出现了下降阶段。

第二阶段，随着基坑开挖深度的不断增加，支护结构的变形逐渐增大，基坑周围土体向坑内的压力也在增大，这些都使得锚杆轴力增大，出现了上升阶段。观察曲线可以发现，锚杆轴力的变化曲率逐渐减小，说明支护结构与土体之间进行动态的变形协调，并渐渐趋于稳定。

第三阶段，在这阶段锚杆轴力变化很小，基本趋于稳定，这个阶段曲线呈平稳趋势，这说明锚杆与土体之间的作用已基本稳定。

2 FLAC3D数值模拟

2.1 模型的建立

本文选择基坑东南侧侧邻近建筑物部分的基坑进行数值模拟分析。同时，为保证模拟效果，模型还应该足够大，根据基坑开挖11.4m，设定模型高度为20m，根据最长锚杆长度为22m，设定模型长度为50m，并设定模型宽度为13m，以消除边界条件的影响。此模型范围涵盖42根双排桩，8根单排桩，62根锚杆，支护结构模型如图3所示。

模型由27895个节点、24320个单元体所组成。共分三步进行开挖，第一、二步分别挖3.5m，第三步挖4.4m。详细土层物理指标及支护结构参数见表1、2、3。

2.2 数值模拟结果分析

2.2.1 基坑水平位移分析

从图4（a）、（b）、（c）可以看出：①随着基坑不断挖深，基坑的水平位移及其影响范围逐渐增大且位移均指向基坑内部。第三次开挖时水平位移的数值达到最大16mm，符合规范要求。②从坡顶边缘沿基坑侧壁向下，基坑四周土体的水平位移值不断减小。因为基坑坡顶为人工堆积层，而往下走为卵石层，人工堆积层物理力学性质较差，导致坡顶水平位移值大于基坑下侧水平位移值。③从基坑坡顶边缘向外，水平位移值渐渐变小，表明临空面侧扰动大。④基坑开挖会为基底下方区域产生影响，尤其是第一次开挖时影响更明显。

2.2.2 基坑竖向位移分析

对近几年来基坑失稳破坏的案例进行研究发现，基坑水平位移是导致基坑失稳的一个重要因素，因此，在基坑数值模拟计算中，对基坑水平位移的研究是很有必要的。通过基坑水平位移云图可得，基坑各施工工序进行时周围土体水平位移量的大小及影响范围，并对变形较大的工序施工时予以重视，加强监测，对于变形较大的地方施工时可适当增加桩锚密度等，从而为基坑的施工提供一定帮助。

由图5（a）、（b）、（c）可以看出：①三次开挖产生基底隆起最大值依次为7mm、14mm、17.5mm，且发生在基坑的中间部位，开挖产生的应力释放是影响基底隆起的主要因素。基坑不断开挖加深，产生的应力释放逐渐增加，所以第三步开挖产生的基底隆起值最大。②基底平面处隆起值最大，且离基底处越远隆起值越小。③基坑沉降的最大值为第三次开挖时的5.74mm，沉降值极值发生在离基坑侧面一定距离处。④从上图可见，隆起值明显比沉降值大，可能是因为FLAC3D未考虑时间效应。施工时，基坑开挖后底部隆起需要经过一段时间之后才会产生，而数值模拟时只要挖掉土体网格，隆起立即产生。

2.2.3 护坡桩水平位移分析

基坑不断开挖，护坡桩受到的土压力逐渐增加，必然引发桩体发生水平位移和变形，当变形大到一定程度后支护结构就会失稳破坏且易造成安全事故，所以护坡桩在开挖过程中的变形进行研究是必要的。

从图6可以得出：①整体而言，护坡桩水平位移随开挖深度的增大而单调递增；②第一步开挖进行时，护坡桩的水平位移突然增大，最大位移达到5mm，第二、三次开挖时位移也是突然增大；③当每次施加锚杆工序完成时，桩顶水平位移均有所回弹，这说明了预应力锚杆起了作用；④第三次开挖，由于开挖深度较大，水平位移增大速率很快，后期趋于稳定，最大水平位移为16mm。

2.2.4 锚杆轴力分析

该基坑工程施加了两排预应力锚杆，分三次开挖，下图为第一、二排锚杆随基坑开挖而产生的轴力变化图（图7）。

从图7可以看出：①锚杆在张拉锁定后，随着基坑不断开挖，土体发生卸荷作用，土体发生相对位移，形成摩擦力并传给锚杆，所以作用于锚杆的拉力逐渐增大，逐步发挥了作用；②在施加第二道锚杆后，第一道锚杆轴力有所减小，可能是因为第二道锚杆承担了部分土压力；③随着开挖的进行，锚杆所承受的拉力逐步趋于稳定。对比现场监测结果可知，现场实测结果略小于数值模拟结果，但曲线的变化趋势基本一致，表明FLAC3D数值模拟对基坑工程的施工具有指导意义。

3 结论

本文结合北京市自来水抢险中心深基坑支护项目，应用FLAC3D数值模拟软件對基坑开挖和支护过程进行分析，探讨了基坑位移、桩顶位移及预应力锚杆轴力随基坑开挖的变形情况，主要结论总结如下：

①各监测点的变形量都在警戒值范围内，在基坑地板施工完成后，变形量明显减小，且变形趋于稳定。②基坑水平位移随着基坑开挖深度的增加而增大，在第三次开挖时水平位移达到最大；基底隆起最大值发生在基坑中间部位，沉降最大值出现在离基坑侧面一定距离处，且由于数值模拟时未考虑时间效应，隆起值明显比沉降值要大的多；桩顶水平位移在每次开挖时均会突然增大，且在每次施加预应力锚杆时位移值均会有所回弹；在施加第二道锚杆后第一道锚杆的轴力值有所减小。③通过数值模拟结果与监测结果的对比分析，表明其结果基本一致，数值模拟对基坑的现场施工具有指导意义。

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