水土耦合作用下基坑支护结构的应力应变分析_高飞翔.pdf

第 卷 第期 ，年 月 ，：水土耦合作用下基坑支护结构的应力应变分析高飞翔，赵艳龙，苏婷（建设综合勘察研究设计院有限公司，北京 ）摘要：随着中国城市化的快速发展，城市土地资源越来越稀缺，地下空间的开发和利用越来越重要。在深基坑工程中，基坑支护分析一直以来都是土木工程与岩土工程界的研究重点与难点。以某商业综合体深基坑的实际监测数据为研究基础，充分考虑地下水对基坑支护结构的影响，分析了不同水位对基坑支护结构处轴力与水平位移的影响，并运用高斯函数进行拟合，决定系数均大于 ，拟合效果较好。通过分析可知随着水位的增加，锚桩接头处水平位移也在持续增加；水位深度与锚桩轴力之间的高斯函数关系成正相关性；不同水平位移与轴力之间的高斯函数关系也成正相关。这些高斯函数可为实际工程基坑支护结构的受力分析提供一定的参考价值。关键词：基坑支护；地下水；高斯拟合；应力应变中图分类号：文献标识码：文章编号：（）引言基坑工程中最重要的就是基坑支护，由于深基坑支护施工过程中会受到岩土条件、气象因素、水文地质等影响，导致基坑支护施工难度大、危险性高、复杂性强。因而对基坑支护过程中应力应变的分析一直以来都是土木工程与岩土工程界的研究难点与热点。国内外对深基坑支护的应力应变分析研究有很多。早在 年 通过工程测量和统计，得到了一套与土体性质和开挖深度有关的地表沉降估算方法。于 年首次将有限元法应用到基坑变形分析中。黄敏对不同条件下基坑开挖后围护结构变形和地表沉降进行深入的分析和对土岩组合地层深基坑开挖变形性状进行研究。基坑支护结构包括地连墙、土钉墙、锚杆等形式，其中桩锚支护具有广泛的应用范围和明显的支护效果。吴文 通过锚杆的抗拔试验和钢筋的研究试验，分析了锚杆中钢筋的应力分布形式和锚杆的极限抗拔力。时伟 通过在深基坑进行现场桩锚支护试验，分析了水平方向桩侧土体在随开挖深度的位移分布。基坑支护受力受多种因素影响，吴曙光 充分考虑了深基坑支护结构承载力数值、施工数据、支护参数等耦合作用进行数值模拟。李泽 运用三维数值模拟分析探讨了基坑支护结构的变形机理、特点等。以上这些研究主要考虑了深基坑支护结构受到的土压力，并且主要为数值模拟计算。但是实际工程中，地下水位渗流对支护结构的土压力影响巨大，因此考虑水土耦合下基坑支护的受力与位移具有重要意义。基于此，本文以北京市通州区某综合商业区深基坑开挖为工程背景，以工程建设中的实测数据为基础，考虑了水土耦合总用下基坑支护的应力应变，进行了详细的分析，得到的结论对实际工程施工具有一定的指导意义。工程概况本工程场地位于北京市通州区运河核心区，东临地铁 号线，南邻通燕高速。西侧为通顺路，北侧为温榆河。该基坑设计开挖深度为 ，局部电梯坑等深坑部位开挖深度达到 。基坑按照地块共分 个剖面。其中号地块共分个剖面，号地块共分个剖面，号地块共分个剖面。其支护均拟采用“上部 挡土墙护坡桩预应力锚收稿日期：；修回日期：第一作者：高飞翔（），男，工程师，主要从事岩土工程、地质工程工作。：引文格式：高飞翔，赵艳龙，苏婷水土耦合作用下基坑支护结构的应力应变分析矿产与地质，（）：杆”支护体系。桩长拟设计为 ，桩间拟布设道预应力锚杆。基坑平面图见图，基坑支护剖面图见图。本次监测主要是对项目基坑支护桩桩顶及坡顶水平及竖向位移、深层水平位移、地下水位监测、基坑日常巡查、锚杆拉力、周边地面、周边建筑及管线的第三方监测，预计工期为 天。图基坑平面图 图基坑支护剖面图 矿 产 与 地 质 年在后续计算中主要使用了桩体深层水平位移，锚索内力以及地下水位等，本文主要介绍数据监测过程。主要监测仪器设备见表，监测控制值见表。综合考虑第三方的监测要求及设计单位施工图纸，给出了不同监测对象测点优化布置具体情况（表）。表主要监测仪器设备 监测项目监测仪器监测精度桩体（土体）深层水平位移测斜仪 锚索内力频率读数仪 地下水位钢尺水位仪 表监测控制值 监测项目判定内容控制值桩体（土体）深层水平位移位移绝对变化量累计变化量：；变化：锚索内力内力测力值 倍设计值地下水位水位高度表测点优化布置情况 监测项目测点布置优化基本情况监测次数次桩体（土体）深层水平位移共布设 个测点 锚索内力共布设 个断面，锚杆内力监测监测根数不少于锚杆总数的，且不少于根，合计锚索监测点 个 地下水位共布设个测点 支护桩（土体）深层水平位移埋设方法：本工程通过测斜管直接绑扎固定在围护桩钢筋笼上，钢筋笼入槽（孔）后，浇筑混凝土。现场安装效果见图和图。观测时沿导槽全长自下而上每隔 读取一次数据，并记录测点的深度和读数。测量和读数后，将探头旋转 ，并将其插入同一对导槽中。按上述方法再次测量，深点深度与第一次相同。每个深度的正负读数的绝对值应相同。当读数异常时，应及时补充测量。图测斜管埋设现场实景图 图测斜管现场实景图（钢筋网格 ）锚杆索力锚杆测力计安装示意图见图，现场安装见图。安装测力计之前应进行校准，若不符合要求应重新标定。安装锚索时必须从中间向周围锚索逐步对称加载，避 免 锚 索 测 力 计 偏 心 受 力。锚 杆 测 力 计 采 用 型测力计，采用 型振弦式频率读数仪进行读数，并记录轴力。第 卷第期高飞翔等：水土耦合作用下基坑支护结构的应力应变分析图锚杆测力计安装示意图 图锚杆测力计安装现场实景图 应力应变分析 数据处理 支护桩深层水平位移首先必须设定好基准点，当被测桩体产生变形时，测斜管轴线将发生偏转，用测斜仪可计算出桩体的水平位移（图）。图测斜观测分析计算图 将基准点设为原点，坐标为（，），测斜管轴线各测点的平面坐标由式（）、（）确定：（）（）式中：为测点序号，；为测斜仪标距或测点间距，；为测斜仪率定常数；为方向第段正、反测应变读数差之半；为方向第段正、反测应变读数差之半；为消除量测装置零漂移引起的误差，每个测段的两个方向的倾角应测两次，即：（）（），（）（）。当 或 时，表示正向倾斜，当 或 时，表示负向倾斜，根据上述公式可以计算出测斜仪轴线上各测点的水平位置，通过比较不同测量时间内各测点的水平坐标，可得出桩的水平位移。锚索内力当轴向力计受到轴向力时，会引起弹性钢弦的张力变化，改变钢弦的振动频率。力的大小可以通过频率计测量钢弦的频率变化来测量。一般计算公式见式（）：（）式中：为支撑轴力，；为标定系数，；为轴力变化量，；为温度修正系数，；为温度变化量，；为修正值，。应力应变分析本项目监测周期自 年月 日至 年月日，根据上文提到的深层水平位移监测方法及锚杆轴力监测方法，可得到监测结果。图分别为 、四个测点不同深度的水平位移，为了方便统计，以每个月月初监测值为代表进行绘制。由图可见，随着时间的增加，各个测点的水平位移量在不断增加。且随着深度的增加，水平位移量逐渐减小，其主要原因是随着深度的增加，土体内部所受各向约束力增加，因此水平位移较小。从 和 测点可以明显看到，出现中部鼓出的变形状态，即 深度内受到一定约束，这是由于距离地面以内为地连墙维护结构，相比下部是锚桩结构约束更大。由此可见，基坑支护对基坑周边土体水平位移有一定的影响，但处于安全可控范围。矿 产 与 地 质 年图不同测点深层水平位移过程图 下面考虑地下水对基坑支护的影响。为了分析不同水位对锚桩接头处水平位移的影响，从基坑支护剖面图（图）中可知，最上层的锚桩接头处于地下 处，因此考虑此处的水平位移，一方面可以分析不同水位下锚桩水平位移，另一方面可以分析锚桩所受轴力与水平位移之间的关系。为了更准确地反映实际情况，下面选取监测数据质量最好的个测点 、的不同水位与不同深度水平位移进行分析，并使用高斯函数进行拟合 式（），其各部分参数见表。由表可见，个测点决定系数均大于，拟合效果较好。取个拟合函数的参数平均值，可得到最优拟合函数（图）。由图可知，随着水位的增高，锚桩接头处的水平位移也在增大，说明地下水对锚桩处的水平位移有一定影响，分析其原因为随着水位的增加，锚桩接头处的土体在地下水的影响下出现软化，导致水平位移增加。.（）.（）（）表不同测点水位与锚桩接头水平位移高斯拟合参数 测点编号 平均值 注：为水平位移，为水位，为高斯曲线的峰高待估参数，为高斯曲线的峰位值待估参数，为决定系数。表、表同。第 卷第期高飞翔等：水土耦合作用下基坑支护结构的应力应变分析图不同测点水位与锚桩接头水平位移之间的关系 同理，为了分析不同水位下锚桩接头处所受轴力之间 的 关 系，对 其 关 系 进 行 高 斯 函 数 拟 合 后 式（），得到参数见表。对个测点数据进行汇总，得到最优拟合曲线（图 ）。由图 可知，随着水位的增加，锚桩接头出的轴力也在逐渐增加，主要原因是随着水位的增加，地下水对锚桩接头处的土体造成一定的松动，为保持约束，使得轴力增加。.（）.（）（）最后，对不同水位下对应的锚桩接头水平位移与轴力进行分析，通过高斯函数拟合并进行均值分析 式（），得到参数见表。对个测点数据进行汇总，得到最优拟合曲线（图 ）。由图 可见，在水土耦合作用下，基坑支护处的轴力与水平位移成正相关，与实际相符。.（）.（）（）表不同测点水位与锚桩接头轴力高斯拟合参数 测点编号 平均值 矿 产 与 地 质 年图 不同测点水位与锚桩接头轴力之间的关系 图 不同测点锚桩接头处水平位移与轴力之间的关系 第 卷第期高飞翔等：水土耦合作用下基坑支护结构的应力应变分析表不同测点锚桩接头处水平位移与轴力高斯拟合参数 测点编号 平均值 结论根据某实际施工基坑工程，分析了水土耦合作用下基坑支护结构的应力应变关系，发现基坑支护对基坑周边土体水平位移有一定的影响，但处于安全可控范围，在地下水作用下，基坑支护需要承受更大的轴力和变形。通过工程实际监测结果，分析了在水土耦合作用下，并运用高斯函数进行拟合，决定系数均大于 ，具体结论如下：）随着水位的增加，锚桩接头处水平位移也在持续增加。）水位深度与锚桩轴力之间的高斯函数关系成正相关性。）不同水平位移与轴力之间的高斯函数关系也成正相关。这些函数关系对其他基坑工程中基坑支护结构的受力分析具有一定的借鉴意义。参考文献：张军贤，张军华，甘坚强，等围护桩嵌固深度与基坑稳定性研究矿产与地质，（）：张静，朱斌，潘曦，等复杂地层三维建模与深基坑地下渗流稳定性分析矿产与地质，（）：张彬，张成沈阳地铁车站深基坑沉降变形特性辽宁工程技术大学学报（自然科学版），（）：马丽珠，赵中华，田悦岩土工程中深基坑支护的设计与施工方法探究价值工程，（）：赵玲广东佛山市林和商业中心项目基坑监测与变形分析矿产与地质，（）：，石显祥基于 的深基坑开挖变形及其对邻近地铁隧道的影响研究矿产与地质，（）：，（）：黄敏土岩组合地层深基坑开挖变形性状研究青岛：中国海洋大学，吴文，徐松林，汪大国深基坑桩锚支护体系中的土锚试验研究土工基础，（）：时伟，刘继明，章伟深基坑桩锚支护体系水平位移试验研究岩石力学与工程学报，（增刊）：吴曙光考虑耦合作用的建筑深基坑支护施工技术分析有色冶金设计与研究，（增刊）：李泽，薛龙，周宇，等深基坑桩锚支护三维应力应变数值分析路基工程，（）：王洋，汤连生，杜赢中地下水渗流对基坑支护结构上水土压力的影响分析中山大学学报（自然科学版），（）：北京综建科技有限公司远洋新光商业综合体项目土方、护坡及地下水控制工程施工组织设计 北京地矿工程建设有限责任公司远洋新光商业综合体项目基坑工程基坑形变第三方监测技术方案 ，（，.，.，）：，矿 产 与 地 质 年 ，：，（上接第 页），（.，；.，；.，.，；.，；.（），）：，：，第 卷第期高飞翔等：水土耦合作用下基坑支护结构的应力应变分析