深基坑h型双排桩支护结构设计及监测分析.pdf

109总第238期/2023/5/学人问津深基坑 h 型双排桩支护结构设计及监测分析夏 彪1 蒋 为1 谢珠玑1 周景深1 朱 波2（1.湖南高速铁路职业技术学院，湖南 衡阳 421002；2.岳阳县公用事业有限公司，湖南 岳阳 414123）摘要：该文通过分析某市某基坑在前期已进行第一次设计及部分施工一年后，由于方案更改需进行第二次设计的实际案例，鉴于想合理利用已施工的部分支护结构，结合现场工程、水文地质等条件分段采取多种支护方式，对以 h 型双排桩和单排桩+锚索支护为代表的两种支护类型进行阐述，并进行了监测分析，结果显示此次支护方案设计不仅完全保证了工程的安全，还很大程度上节约了成本，此成功应用案例为以后类似工程案例提供了参考。关键词：基坑支护；h 型双排桩；基坑监测；数值模拟由于工程地质的复杂性和不确定性，岩土体高度的非线性和破坏具有很大的随机性和不可预测性1，往往基坑变形预测结果与实际情况大相径庭，因此对基坑变形进行有效监测一直是居高不下的话题。目前，国内学者对基坑开挖及监测研究较多，而对基于前序已进行设计和施工的基础上再次进行支护设计及监测的研究比较少见。本文介绍了某基坑初次设计已施工的情况下，进行第二次设计，形成 h 型双排桩支护结构类型，为了保证基坑施工安全，对基坑工程施工实施了全盘动态监测，且进行了不同支护结构的监测数据的分析，研究其变形特点。一、工程概况工程项目位于某市船山路与道源路交汇东北角，拟建宾馆和 27 层写字楼各一栋，三栋 28 层商住楼，原规划设置整体两层地下室；建设单位后期进行变更，调整为三层地下室。整个基坑周长约为 652.5m，根据提供的地面标高图纸，现比原开挖地面标高低了 2.4m，基坑开挖最终深度为 10.814.3m。在进行二次支护设计前，已按照两层地下室进行了设计并通过了专家论证，且基坑现场内大部分已经开挖 25m，南片最深处已达到 10m，且西南角进行了部分土钉墙、排桩+锚索等施工。图 1 为现场具体情况。图 1 现场情况二、支护结构设计（一）设计参数选择及水文地质条件场地土层信息自上而下分别为杂填土、粉质黏土、粉砂、强风化砂质泥岩层、中风化砂质泥岩层。岩土设计参数见表 1。据勘察报告显示，钻孔均见地下水，主要为存在于杂填土内的地表水及粉砂层的含水层，场地的水量较丰富，土方开挖已穿过粉砂底层。为防止产生流沙现象，在有粉砂地层剖段，设置直径为 800mm、间距为 600mm 的旋喷桩止水帷幕。止水帷幕上部进入粉质黏土层、下部进入岩体的要求分别为 1000mm 以上和 500mm 以上，确保地下水对基坑稳定不产生影响。表 1 岩土设计参数序号土类别（kN/m3）c（kPa）（）1杂填土17.05.010.02粉质黏土19.519.214.03粉砂20.24.020.04强风化砂质泥岩层20.550.030.05中风化砂质泥岩层21.0100.035.0（二）支护结构设计及监测平面布置图1.支护结构设计本基坑安全等级为一级，由于整个基坑地质条件有所差异，支护结构采用多种类型，本文主要对以南侧、西侧（CDE段）采用 h 型双排桩和北侧采用单排桩为代表的两剖段进行设计、监测研究分析。基坑西南侧、北侧开挖深度分别为 12.7m和 10.9m，离绿化带的距离分别为 9m、10m，绿化带开外为已投入使用的城市道路。基坑西南片由于已施工部分土钉墙和支护桩，在利用已施工支护桩的情况下，增设一排标高较低的前排桩，并用 50mm 厚混凝土封面进行连接，故形成了 h 型双排桩支护类型。CDE 段支护结构设计参数：h 型双排桩中前后排桩桩径均为 1.0m，间距 22.6m，前后对应，且标高相差约 4m；桩顶各设置一道钢筋混凝土冠梁，冠梁高 1000mm 宽 600mm；后排桩桩顶上设置了长为 2330m 的锚索。具体剖面图见图 2。图 2 CDE 段支护结构剖面图110/总第238期/2023/5学人问津北侧（GH 段）基坑开挖深度为 12m，距居民建筑约 21m，采用的支护方式为放坡+桩锚支护。支护结构设计参数：桩径 1200mm，间距 2m；排桩腰梁上设置两道锚索，锚索长分别为 29m、15m。具体剖面图见图 3。图 3 GH 段支护结构剖面图2.支护结构监测平面布置图为了保证基坑设计基准期安全，进行了基坑监测点的布置，支护结构监测平面布置图如图 4 所示。图 4 支护结构监测平面布置图三、动态监测及数据分析（一）监测内容对监测数据进行统计及分析后，与设计和施工单位交流异常变形、预测下阶段变形发展趋势，可有效地预防险情发生，安全施工2。因此根据建筑基坑工程监测技术规范3（以下简称规范），对所选断面监测点的布置如下。1.桩顶水平位移监测规范中条款 5.2.1 和 5.2.2 规定基坑坡顶和桩顶位移监测点布置距离不宜大于 20m，且每侧不少于 3 个。因此在基坑西南侧坡顶和后排桩桩顶布置水平位移监测点各 6 个，编号分别为 PWY0712、YZY0712，西南侧前排桩和北侧单排桩桩顶布置水平位移监测点各 4 个，编号分别为 YXY0104、YXY0710。2.基坑周边桩身变形监测因随着基坑的开挖，支护桩会产生向基坑内侧变形的位移，且桩身变形反馈的是整个桩身范围的变形，为及时收集变形数据，在每段中部位置选取支护桩，在内部埋设测斜管，因此在基坑西南侧和北侧各埋设一个监测点，分别为 ZB01、ZB03。（二）监测数据处理对开挖过程中的基坑坡顶、原有桩、新支护桩桩顶水平位移监测数据、桩身变形监测数据进行整理，其位移变形发展趋势如图 5图 8 所示。图 5 坡顶水平位移时程曲线图图 6 原有桩桩顶水平位移时程曲线图图 7 新支护桩桩顶水平位移时程曲线图图 8 ZB01、ZB03 位移时程曲线图111总第238期/2023/5/学人问津（三）监测数据分析1.水平位移监测分析由图 5、图 6 可知，从 2020 年 7 月到 10 月上旬水平位移监测点的变形量和速率均较大，11 月，变形速率开始放缓并逐步趋于收敛。原因分析：前 3 个月为开挖土方和支护施工阶段，土压力变化重分布。由曲线图知晓坡顶和原有支护桩桩顶的监测点 PWY0712 的水平位移累计值分别为 9.9mm、5.9mm、4.5mm、2.4mm、1.2mm、2.5mm，其 中 PWY07 监 测 点 位 移 量 最 大，监 测 点PWY10 和 PWY11 位移量较小。分析原因：监测点 PWY07 和PWY12 分别位于基坑南、西侧的中段位置，且监测点 PWY07离两种支护形式交界点较近，因此变形量为最大，而监测点PWY10 和 PWY11 布设于靠近基坑阴角附近，变形量和变形速率比同一侧其他监测点的值要小。由图 6 和图 7 可知，h 型双排桩同一断面后排桩水平位移量大的，与之对应的前排桩位移量也大，比如，监测点 PWY07和 YXY10 的位移量分别为 9.9mm、8.0mm，均为同类最大值，且对比 h 型双排桩和单排桩的位移变形量，两者相差不大，如YXY01 和 YXY08 分别为 5.4mm 和 5.5mm。2.基坑周边桩身变形监测分析ZB01 设置于双排桩的前排桩，与 YXY10 位于同一截面，ZB03 位于单排桩北侧中段位置，具体变形时程曲线如图 8 所示。监测工作中假定桩底监测点为基准不动点，变形深度从测斜孔孔口以下 1m 开始算，规定向基坑内侧变形值为正，反之为负。从图 8 可以看出桩身变形监测点 ZB01、ZB03 桩底全程变形均很小，说明桩底较稳定，设计的嵌固深度满足要求；在前排桩土方开挖的一个月时间内，变形速率较大，其中 ZB03 变形位移量为 6.28mm，后期变形速率减小，最大值为 9.34mm，单排桩变形量相对比较稳定，最大变形量为 4.6mm，表面双排桩中后排桩在后期对前排桩的限定作用更明显。四、数值模拟及分析本工程选用 FLAC3D 有限差分程序仿真软件，对项目中的h 型双排桩支护结构进行模拟计算，并分析内力与位移的变形情况。土体本构模型在计算时采用摩尔库仑塑性模型，有关的两类基本计算参数是：土体强度，才内聚力c和内摩擦角；有关材料弹性指标，泊松比v、弹性模量E和剪胀角。有限元支护模型及最后一步工况位移结果如图 9 所示。在整个施工模拟过程中，支护桩应力未出现突变情况。分析结果：模拟坡顶、后排桩桩顶、前排桩桩顶水平位移量分别为 16.0mm、16.0mm、14.0mm，比对现场实际监测的水平位移累计最大值占模拟值的比例分别为 62%、69%、46%。分析认为，由于两排桩间有一道刚度较大的连梁，前排桩的变形比后排桩要小，连梁拉力效应；后排桩有一道锚索的情况下变形量依然比坡顶位移大。图 9 h 型双排桩数值模拟结果图五、结语第二次设计的前后排不在同一标高的 h 型双排桩复合支护结构应用效果较好，且和传统的双排桩对比，大大节省了工程成本。h 型双排桩和单排桩一样，冠梁在基坑支护中的空间抗扭作用效应存在，不同位置受到这种作用的大小存在差异，比如在阴角冠梁空间作用最强，与基坑角的距离越大，冠梁的空间作用越弱。所以文中的两种支护结构的变形量越靠近阴角，值越小，越远离，值越大。由于监测前，坡顶和后排桩前土体已开挖 24m，此期间后排桩变形量未在监测结果中体现；实测多种不确定因素、人为和仪器等实测条件对比数值模拟来说有差异的存在，导致模拟的坡顶、桩顶位移均比实际监测值大 30%以上。但坡顶和桩顶位移变形趋势与实测数据的变化规律还是相吻合的。土体的开挖使坑内被动土压力减少，后排桩对施工状况的反应灵敏程度比桩背土高，导致后排桩桩顶在设置一道锚索的情况下，位移变化量比坡顶位移量稍大。参考文献：1 王启云，张家生，陈晓斌，等.某复杂高边坡支护机构设计及变形监测分析 J.建筑结构，2012，42（10）：130-135.2Stefano Ciufegni，Francesco Sacchi，Luca Utzeri.Retaining walls，ground improvement works and monitoring for the new high-speed railway station in BolognaJ.Geomechanics and Tunnelling，2012，3（5）.3 中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑基坑工程监测技术标准：GB50497-2019S.北京：中国计划出版社，2020.基金项目：湖南省自然科学基金项目“深层地下装配式结构防水研究以地铁站房为例”（2021JJ60026）。作者简介：1.夏彪，男，湖南常德人，硕士研究生，讲师，研究方向：基坑工程设计与研究；2.蒋为，女，湖南衡阳人，硕士研究生，讲师，研究方向：地下空间；3.谢珠玑，女，湖南邵阳人，硕士研究生，助教，研究方向：岩土工程勘察；4.周景深，男，山东滨州人，硕士研究生，副教授，研究方向：地下空间；5.朱波，男，湖南衡阳人，工程师，研究方向：市政工程。