软黏土桩撑锚组合支护深基坑变形性状实测分析

王智然

（中铁十八局集团第四工程有限公司， 天津 300308）

围护墙加撑 （一道或多道支撑） 支护体结构因其施工工艺成熟、支护体整体刚度大、控制位移效果较好等优点， 普遍运用于我国滨海软土地区的基坑工程中。

土层锚杆支护体是利用土体提供的锚固力来平衡面层结构所承受的土压力， 因其施工简单、造价经济， 一直以来被广泛使用在山体边坡工程和砂卵石、砂土及粘土地区的基坑支护工程中［1-2］。

由于滨海地区多为深厚的海相沉积软土， 具有含水量高， 强度低， 触变性、流变性显著、侧摩阻力小等特性， 使得土层锚杆在提供锚固力和控制土体位移等方面存在不足， 在温州软黏土地区土层锚杆 （锚管） 体系一般也只运用于开挖深度较浅 （h＜4.0m）、周边环境条件较好的基坑围护工程中 （土钉墙柔性支护）。

为增加软土地层土层锚杆的锚固力与控制位移的能力， 适应更深的围护深度要求， 程良奎［3］等研究和发展了大直径高压二次灌浆预应力锚杆技术， 使得桩锚支护技术在一定围护深度范围内取代了传统的桩支撑支护技术， 并取得了较好的社会效益。

温州地区桩锚支护技术常规以自身独立体系或桩锚加撑组合体系（上部锚索， 下部支撑） 存在， 本文引用的工程实例则因支护区域有地下一层、地下二层围护深度高差存在， 在整体以围护桩加一道钢筋混凝土水平支撑围护体系下对地下二层区域增加了下道锚索结构， 形成了上部支撑、下部锚索的桩撑、锚组合支护体系 （见图1平面图、图2 围护剖面图）。

图2 围护剖面图

聂子云等研究［4-5］也认为， 锚杆刚度系数不仅与锚杆体自身材料参数、尺寸有关， 也与土层剪切刚度系数密切相关。

当土体因流变性增强而产生结构破坏时， 土层中的锚杆刚度系数也势必会因为力学性质 （土层剪切刚度系数） 的降低而减小。

本文以温州梧田安置房项目基坑工程为背景， 结合基坑开挖到底板浇筑施工期间坑外土体深层水平位移监测数据， 对比分析了桩撑、锚组合支护体（上部支撑， 下部锚索） 与桩撑支护体（二道支撑） 坑外土体位移的变化规律。

在建瓯海区梧田街道梧田街村城中村改造安置房一期工程位于瓯海区梧田街道梧田街村， 本工程由11 幢22～33 层的住宅楼及配套设施组成，底层为二层地下室局部为一层地下室。

监测段位于基坑二层地下室部分， CX10 对应区段设计开挖深度为7.65m （承台垫层底， 比底板底深0.45m），采用桩锚加撑围护结构 （上部支撑、下部锚索）；
CX11 对应主楼筏板开挖深度为8.15m， 采用桩撑围护结构 （二道支撑）， 分布见平面图。

围护桩均采用Φ800mm@1000mm 钻孔灌注桩， 桩底深度分别为-22.85m 与-24.95m （如 图1、2 所示）。

支撑体系及锚索设计参数见下表1。

表1 基坑支护形式表

图1 基坑平面布置图

根据岩土工程勘察报告， 基坑开挖深度影响范围内的土层自上而下依次为：
（1） 粘土， 灰黄色， 软塑状， 局部软可塑状， 高压缩性， 层厚0.30～2.00m；

（2） 淤泥：
灰色、流塑状， 高压缩性， 层厚20.50～32.60m；

（3） -1 淤泥质粘土：
灰色、土性流塑， 高压缩性， 层厚1.70～13.30m。

各土层的物理力学参数如表1 所示。

勘察期间测得稳定地下水 （孔隙潜水） 水位埋深0.46～1.31m。

表2 给出了各土层的物理力学参数。

表2 各土层的物理力学参数

本基坑开挖遵循 “分层、分块， 先地下一层后地下二层” 的原则组织挖土工况设计， 并限定机械开挖至地库底板底、主楼筏板底后由人工结合塔吊开挖至地库承台、主楼电梯井底的最后土方开挖收尾工况。

平面图所示基坑区块按照由西到东、由北至南的顺序组织出土。

CX10、CX11对应区块主要施工工况及其时间节点如下表3 所示。

表3 主要施工工况

图3、图4 为CX10、CX11 对应表3 主要施工工况下深层土体位移随深度的变化曲线 （其中为增加监测数据密度便于比对分析， 特在垫层浇筑工况增加10月23日与10月29日两组观测数据）：

图3 CX10 深层土体水平位移成果图

图4 CX11 深层土体水平位移成果图

5.1 两组曲线相似点分析

从图中可以看出两组土体水平位移随深度变化曲线的相似点：

（1） 坑外土体水平位移随着开挖深度的增加而逐渐增大， 最大值出现位置随开挖深度的增加而逐渐下移， 位移随深度分布曲线呈 “臌胀”形。

（2） 工况七出现的最大水平位移点在开挖面以下0.5m-1.0m 之间， 最大水平位移值与剖面挖深比值s/h=0.90%-1.10%：
其中CX10 对应开挖深度7.65m， 最大水平位移值82.72mm， 对应深度8.00m， s/h=1.08%；

CX11 对 应 开 挖 深 度8.15m， 最大水平位移值73.71mm， 对应深度9.00m， s/h=0.90%。

（3） 坑底暴露阶段 （机械挖土结束到底板浇筑完成期间， 累积时间35d， 对应工况四-工况七） 土体蠕变位移显著：
其中CX10 最大水平位移值在坑底暴露期累积增加57.67mm， 占总位移值69.75%；

CX11 最大水平位移值在坑底暴露期累积增加45.02mm， 占总位移值61.53%。

这一数据说明温州地区淤泥软土中基坑的蠕变现象十分显著， 两种支锚型式在35d 左右的坑底暴露期， 最大水平位移增长均超过总位移值的60%，远高于其他地区相关学者［3］的统计分析， 为减小基坑变形总量， 应尽量缩短坑底暴露时间。

5.2 两组曲线不同点分析

收集CX10、CX11 测斜管自土方机械开挖完成到开始底板浇筑阶段的最大水平位移观测数据， 图5 最大水平位移发展图进行分析可知：

图5 CX10、CX11 深层土体最大水平位移发展图

（1） CX10 对应工况四至工况五 （开挖到地库底板深度至人工承台挖土工况前， 对应9月30日到10月20日， 历时约21d） 坑外最大水平位移值44.65mm （s/h=0.62%）， 发展速率0.89mm/d；

而同期CX11 最大水平位移值54.13mm （s/h=0.66%）， 发展速率1.18mm/d， 表明在开挖阶段及坑底暴露期的早期阶段， 桩撑、锚组合支护体因锚索预应力的存在而有较好的位移控制效果。

（2） 从工况五至工况七 （人工承台、坑中坑挖土开始到地下室底板浇筑阶段， 对应10月20日到11月4日， 历时约15d）：图3 显示CX11测斜管沿深度各测点水平位移值随时间呈递进式增长， 曲线形态相近， 形成一组 “平行曲线”，且曲线间距相差不大， 递进速率大致呈 “匀速”发展状态。

图5 中可以看出， CX10 在人工承台挖土阶段， 在锚索深度以下土体水平位移出现了“快速” 增长， 其中最大水平位移值由44.65mm急剧增长到88.09mm， 增长幅度97.29%；

而同期CX11 最大水平位移值由54.13mm 增长到74.21mm， 增长幅度37.10%。

为能更清晰地认识“快速” 位移增长的发展规律， 结合图5 的整体发展情况， 将工况六前后的观测数据进行整理，得出围护体外深层土体最大位移值发展折线图（图6）。

图6 CX10、CX11 最大水平位移发展折线图

从图6 中可以看到， CX11 显示的坑外土体最大水平位移大致呈一固定斜率的发展状态， 斜率介于1.26mm/d-1.5mm/d 之间， 与之前 “匀速发展” 分析一致。

相比之下， CX10 的坑外土体最大水平位移发展则较为复杂， 大致经历了以下四个时期：
快速发展一期（10月21日—10月25日）， 增长速率6.25mm/d；

增长平缓期 （10月25日—10月29日）， 增长速率0.49mm/d；

快速发展二期 （10月29日—11月1日）， 增长速率5.49mm/d；

负增长期 （11月1日-11月4日），增长速率-2.69mm/d。

查看CX10 相邻基坑区块施工日志：
10月21日进行人工承台挖土阶段，10月25日进行C15 素混凝土垫层浇筑， 11月1日下午—11月4日绑扎底板钢筋。

由此可以推断：
该时期桩撑、锚组合支护区域内的饱和淤泥软土， 在人工挖土工况开始后， 其位移发展速率得以显著提高且呈现出不收敛的 “危险” 状态，土体流变现象明显提升， 受扰动程度加强， 土体发生结构破坏 （剪切破坏）， 锚索的应力松弛也伴随发生在该过程中， 直到坑底的适当负重 （素混凝土垫层、基础钢筋材料） 出现才有效减缓（遏制） 淤泥软土的水平位移发展速率。

为研究桩撑、锚组合支护体 （上部支撑， 下部桩锚） 中第二道锚索刚度系数的折减问题， 选取坑底暴露阶段 （2020年9月30日至2020年11月4日） CX10、CX11 对应坑外土体水平位移值进行分析， 并将组合支护体与桩撑支护体中二道撑（锚索） 与一道撑对应深度位置的坑外土体相对位移进行了比较， 具体如图7 所示。

图7 二道撑 （锚索） 与一道撑位置坑外土体相对位移图

从图中可以看出， CX11 对应的桩撑 （二道撑） 支护体中， 第二道支撑与第一道支撑位置对应坑外土体相对位移由0.43 发展到0.99， 然后稳定在1.16—1.21 之间， 可见上、下二道支撑控制位移能力相仿（证明根据虎克定律推导的钢筋混凝土支撑刚度系数计算公式理论清晰， 符合实际）。

而CX10 对应的桩撑、锚组合支护体 （上部支撑， 下部锚索） 所观测的第二道锚索与第一道支撑位置对应坑外土体相对位移由刚开始的1.44 略升至1.49， 然后下降稳定在1.35 到1.36之间， 再由1.36 急剧发展到1.87， 增长幅度37.5%， 说明此时组合支护体中锚索控制位移能力明显减弱， 且与4.2.2 的土体结构破坏分析发生在同一时间段。

因此推断出锚索控制围护桩位移能力的“迅速” 减弱， 应是在包含饱和黏性土流变性提升、土体结构产生扰动破坏、锚索应力松弛、锚杆刚度系数降低等诸多因素在内的 “合力” 作用下产生的。

基于以上分析内容， 本小节将通过折减锚索刚度系数的方法模拟锚索对围护桩位移约束能力的衰减过程， 并结合反映基坑实际变形的坑底土m 值经验计算公式， 运用同济启明星深基坑计算软件进行反分析计算， 旨在通过基坑围护设计工作中具有可操作性的设计手段分析本文引用的软黏土深基坑桩撑、锚组合支护体 （上部支撑， 下部锚索） 由于产生的过大土体位移、刚度减小等因素对围护桩受力性状产生的影响， 为类似基坑工程提供设计参考。

现将软件计算过程中各关键参数的计算取值与计算分析结果中桩身弯矩的最大值统计如下：

表4 参数计算取值与分析结果统计表

通过反分析计算， 表格中揭示出当本项目基坑坑底m 值因持续位移累积值大于原设计估计值2 倍时， 桩撑、锚组合支护体 （上部支撑， 下部桩锚） 会伴随着锚索刚度的减小而大幅度改变围护桩的桩身弯矩值：
锚索刚度系数折减为设计值1/3 时， 桩身弯矩增幅38.84%；

锚索刚度系数折减为设计值1/6 时， 桩身弯矩增幅50.06%；

锚索刚度系数折减为设计值1/30 时 （锚索失效）， 桩身弯矩增幅63.75%。

桩身弯矩增幅数据说明深厚软黏土基坑桩撑、锚组合支护体 （上部支撑，下部锚索） 中的围护桩受力性能会随着土体位移的增大、锚索刚度的减弱而发生明显改变， 该组合围护体存在一定的安全风险。

因此， 本文作者提出：
在相似的软土地层深基坑支护中应慎用本文分析的桩撑、锚组合结构， 除非有充分的工程经验可以较准确的估计坑底土产生的水平位移和第二道锚索刚度的折减幅度， 用反分析法设计围护桩的抗弯性能， 以避免围护桩桩身因受弯能力不足而破坏。

以温州梧田安置房项目基坑工程为背景， 结合基坑开挖到底板浇筑施工期间坑外土体深层水平位移监测数据， 对比分析了桩撑、锚组合支护体（上部支撑， 下部锚索） 与桩撑支护体 （二道支撑） 坑外土体位移的变化规律， 得到以下结论：

（1） 深厚淤泥质土地区， 桩撑、锚组合支护体在开挖阶段及基坑坑底暴露期的早期阶段， 由于锚索预应力的存在， 具有较好的控制围护体变形的能力；

后期随着饱和黏性土流变性提升、土体结构产生扰动破坏， 锚索出现应力松弛、锚杆刚度系数降低等现象， 使得桩撑、锚组合支护体中的锚索控制围护桩位移能力逐渐减弱， 围护桩桩身弯矩发生了较大幅度的增长。

（2） 通过反分析法计算得到的桩身弯矩增幅数据， 说明在相似的软土地层深基坑支护中应慎用本文分析的桩撑、锚组合结构 （上部支撑， 下部锚索）， 除非有充分工程经验可以较准确的估计坑底土产生的水平位移和第二道锚索刚度折减幅度， 采用反分析法增强围护桩抗弯性能的设计， 以规避该组合围护体存在的安全风险。

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