随着城市化的不断进行, 以及地下工程的发展, 基坑向超深超大方向发展成为必然趋势。研究新型的基坑支护形式成为当前研究的热点问题, 对于基坑支护形式而言, 安全、经济、合理是其最主要的要求, 咬合桩便是这样的新型围护结构之一。目前, 咬合桩在我国东南沿海地区应用广泛, 而在西北地区因其特殊的地质条件, 使用较少。Bryson通过一个实际工程首次提出钻孔咬合桩支护方案。胡世山等通过研究钻孔咬合桩的施工, 总结出这种支护结构工程造价低、对环境的污染小和施工进度快等特点。沈保汉等总结出在软土地区基坑工程中钻孔咬合桩支护结构具有明显优势。以兰州某基坑工程的基坑支护结构为研究背景, 通过三维有限元法以及实测数据分析, 重点研究咬合桩+预应力锚索在深基坑开挖过程中的位移以及内力变化。

拟建工程为7号和8号2栋建筑物。7号楼东西向长133.55m, 南北向宽58.175m, 面积7 956m²;8号楼东西向长72.3m, 南北向宽61.4m, 面积4 000m²。

7号楼和8号楼基坑周边环境如下:7号楼基坑西面中部段紧邻医院办公楼, 该建筑为5层框架结构, 基础形式为钢筋混凝土灌注桩基础, 基础持力层为卵石层。建筑物外墙面距地下室外墙最近段6.6m;西南段紧邻2层氧气站, 外墙距地下室外墙10.8m;基坑北面西段已有的2层砖混结构旧式建筑, 基础为三合土垫层, 毛石基础, 该建筑西段突出部分外墙相距本工程地下室外墙3.90m;北面中段为医院干部病房, 框架结构, 基础为混凝土灌注桩, 桩基持力层为卵石层, 该建筑物的外墙面相距本工程地下室外墙8.90m;南面紧邻医院医技楼地下室, 该地下室基础为筏板基础, 标高为-7.400m, 医技楼地下室外墙面相距本工程地下室B2和B3层外墙3.2m, 本工程B1层与医技楼附楼地下室相接。

8号楼东面北段的医院行政楼山墙相距本工程地下室外墙2.9m;东面中段医院锅炉房, 锅炉房外墙相距本工程地下室外墙1.9m;南面地下室外墙距医院住院部外科楼9.3m、距已有化粪池约5.0m、距水泵房约6.0m, 北面甘肃光大风高技术开发公司楼外墙相距本工程地下室外墙9.75m, 基坑周边环境如图1所示。

基坑土层参数如表1所示。

本工程场地位于黄河南岸Ⅱ级阶地, 勘察期间, 场地地下水埋深7.0~9.30m。地下水属第四系松散岩类孔隙水, 含水层为卵石层, 主要接受黄河水侧向径流补给, 由西南向东北径流, 以潜流的形式排出拟建工程场地。

依据基坑周边建 (构) 筑物与基坑的相对关系、基础形式, 考虑施工空间、施工人员安置以及施工荷载等因素, 结合基坑工程地质条件、水文地质条件, 综合分析, 基坑采用咬合桩+预应力锚索的方式进行支护。

沿基坑周边共布置支护桩303根, 止水桩303根。支护桩为1 200mm桩径, 局部区域采用桩径1 000mm支护桩, 止水桩桩径1 200mm, 桩间距1 900mm, 局部区域桩间距1 700mm, 咬合距离250mm, 桩长16.65~21.80m, 支护桩平面布置如图2所示, 各剖面具体支护结构如图3所示。

由于7号楼紧邻医技楼, 因此在该段支护桩孔口埋设钢护筒, 根据实际情况加长埋设深度, 确保医技楼地下室基础地基不受扰动, 严格控制支护桩桩身位置和垂直度。

8号楼东面锅炉房基础为混凝土灌注桩, 锅炉房基础桩间距5.85m, 桩径1 000mm, 为保证施工安全, 在支护桩定位放线前, 需先准确定位锅炉房桩基, 之后根据锅炉房桩基位置调整支护桩桩位, 防止预应力锚索施工对锅炉房桩基产生扰动和影响。

为了监测基坑支护结构以及周围建筑物的位移, 在支护桩、锚索、周围土体及邻近建筑物上布置监测点。

在支护桩中提取1—1区段的5号支护桩 (见图4) 桩身水平位移的实测数据, 根据监测数据绘制桩在不同时间的水平位移曲线, 如图5所示。

由图5可知, 随着时间的推移, 桩身水平位移逐渐增加并逐渐出现明显的非线性增长, 随着基坑开挖深度的增加和预应力锚索的张拉锁定, 桩身水平位移曲线呈现为桩底变形小、中间和顶部变形较大, 桩身最大水平位移发生在位于桩顶以下0.73倍的开挖深度, 也就是在桩身9.89m, 随着基坑开挖深度的增加, 桩身最大水平位移位置逐渐向下移动。由于施工单位在2015年10月22日后加快了施工进度, 土方超挖导致桩身水平位移出现明显的非线性增长。

在行政楼和化粪池周围布置J01~J70共70个沉降测点, 根据距离基坑的远近选取19个监测点的监测数据, 按照基坑开挖深度分别提取沉降数据并绘制曲线, 如图6所示。

由图6可知, 随着基坑开挖周边建筑物沉降累积量逐渐增加, 最大沉降发生的位置均不在距离基坑最近处, 结合地下连续墙水平位移曲线可知, 该基坑开挖引起的地表沉降为凹槽形沉降形态。化粪池的沉降量较大, 最大沉降量出现在距离基坑8.45m处, 其值为-24.4mm;行政楼的整体沉降量较小并且比较均匀, 最大沉降量出现在距离基坑6.1m处。

2个建筑物的沉降曲线不同的原因主要是由于化粪池的基础为浅基础、行政楼的基础为桩基础, 所以浅基础受到基坑开挖影响最大。2个建筑物的最大变形位置不随工况的变化而变化, 变形最大位置位于支护桩后0.5~0.7倍基坑开挖深度范围内。

提取3—3截面3道锚索的轴力监测数据, 绘制轴力测值曲线如图7所示。

由图7可知, 锚索轴力整体较稳定, 第1道锚索平均轴力245k N, 第2道锚索平均轴力350k N, 第3道锚索平均轴力405k N, 坑外的主动侧土压力随着基坑开挖深度的增加而增大, 支护桩桩身弯矩导致锚索与土体产生相对位移, 从而使锚索拉力增大。由于土体在施工过程中会发生蠕变卸荷, 导致锚索预应力出现损失现象。下层锚索的施工对上层锚索的轴力产生影响, 下层锚索施工时, 上层锚索的轴力会出现一个明显的突变, 而后轴力很快又恢复稳定。当下层锚索施工时, 土压力的变化导致上部锚索轴力发生变化。

提取4d基坑周边地表沉降的监测数据, 绘制地表沉降曲线如图8所示。

从图8发现, 基坑周围地表处于沉降状态, 没有隆起发生, 沉降值相对集中。随着基坑开挖深度增加地表沉降值也逐渐增大, 地表沉降与基坑开挖深度有关。由于基坑开挖深度范围内砂岩层厚度较大, 为2.9~6m, 砂岩暴露后容易软化崩解, 导致在距离基坑3m处沉降值最大。

有限元整体尺寸是20m×12m×38m, 止水桩长20m, 直径800mm;支护桩22m, 直径1 000mm。弹性模量30GPa, 泊松比0.2。静态计算模型的位移边界条件为:yz面上x方向位移被约束, y, z方向位移自由;xz面上y方向位移被约束, x, z方向位移自由;模型底面xy为固定约束, 另外, 桩底的z方向转动被约束。土层有限元计算参数如表1所示, 其中土层计算单元采用3D-solid^[5]。

在模型中利用设置生死单元, 把模型分为7个施工阶段。模型采用分级加载, 全模型共设置了10个施工步, 每个施工步所用时间为60s。基坑分步开挖过程步骤如表2所示。

提取模型中5号支护桩的水平位移数据, 绘制桩的水平位移曲线如图9所示。

由图9可知, 桩的水平位移曲线分布均匀, 随着时间步的增加, 曲线的水平位移逐渐增大, 最大位移出现在T=60s时, 其位置在距离桩顶9m处, 位移增长速率以及桩的变形均在安全范围内。

在模型中按照距离基坑的远近提取地表沉降值并绘制曲线如图10所示。

从图10可以看出, 地表沉降曲线均有一个极值点发生在距离基坑5m的地方, 随后沉降值逐渐减小, 到距离基坑30m处沉降值趋于0。随着基坑的开挖, 沉降值逐渐增大, 在基坑边缘地表出现轻微的隆起, 最大隆起量为2.05mm。

由于实际工程中6号支护桩的位置与数值模型中6号支护桩的位置对应, 因此分别提取2根桩在第4次开挖时的水平位移并绘制曲线如图11所示。

由图11可以看出, 计算和实测所得桩的受力与变形规律相同, 在数值上略有差别, 数值计算结果与实测值相比较小, 桩身最大水平位移均出现在桩身1/2处。数值模拟得出的变化趋势和实测数据的结果大致相同, 由桩的变形相同说明数值模型的建立、计算参数的选取及计算过程是正确的。由于数值模拟施工步是一次性施加到模型中的, 导致曲线相对平滑没有明显的极值点。而在实际中由于环境和施工的影响都会影响监测数值的变化。

在模型中按照距离基坑的远近提取第4次开挖时的地表沉降数值并与2015-11-02的监测数据进行对比, 绘制曲线如图12所示。

由图12可知, 数值模拟曲线较圆滑而且均在实测数据曲线的上方, 说明数值模拟的数据较实测数据小, 原因是在数值模拟中没有考虑锚索安装时效性对锚索受力的影响。2条曲线变化规律相同均为负值, 其原因是地下水位变化, 并且距离基坑5m的地方出现了沉降最大值。在数值模拟中靠近基坑处出现了隆起, 其原因是有限元建模是一个整体过程, 考虑施工时间较短并且考虑的影响因素较少, 而在监测数据中, 施工上支护桩的支护桩接头夹泥导致支护桩前期刚度的发挥、止水桩会出现轻微渗漏、支护结构安装时间、环境上由于砂岩暴露后软化崩解都会影响基底边缘土体的位移。

通过实测数据以及数值模拟对基坑的支护结构以及基坑周围环境的分析, 可以得出以下结论。

1) 桩身水平位移曲线呈现桩底变形小、中间和顶部变形较大, 桩身最大水平位移发生在位于桩顶以下0.73倍的开挖深度, 也就是在桩身9.89m左右, 随着基坑开挖深度的增加, 桩身最大水平位移位置逐渐向下移动。

2) 基坑开挖对周围建筑物沉降影响的主要因素是建筑物的基础形式, 建筑物的最大变形位置不随基坑开挖施工工况的变化而变化, 建筑物最大变形位置等于支护桩后0.5~0.7倍基坑开挖深度。

3) 基坑开挖导致锚索轴力逐层增加, 同一剖面不同标高的锚索施工对其他锚索轴力的影响较大。

4) 由于有限元建模是一个整体过程, 考虑施工时间较短并且考虑环境及施工的影响因素较少, 而在实际过程中由于基坑施工及岩土环境等因素导致在数值模拟中靠近基坑处出现了地表隆起而在实际工程中没有出现。