高层建筑基坑支护结构的动态监测与分析

【摘 要】本文结合星河酒店基坑工程施工，通过对基坑围护结构变形监测，根据该基坑工程条件动态变化特征及时修正ABAQUS有限元模拟条件，预测基坑围护结构变形并制订相应的加固处理措施，将其结果与实际监测数据进行分析比较，用来指导该基坑的动态施工取得了良好效果。

【关键词】基坑变形；监测；预测

采用ABAQUS[1]有限元分析软件对基坑支护结构的变形进行模拟分析及预测，将其结果与实际监测数据进行比较分析，针对险情制订并实施了基坑加固措施，取得了成功经验，可供类似工程参考借鉴。

1. 工程概况

星河深基坑工程，长约76米，宽约20米，平面呈矩形分布，基坑开挖深度达18.0米。南北方向采用桩锚支护，支护桩桩径1.2m，桩间距1.5m，桩间旋喷止水，锚索长20m，自由段6m，锚固段14m，倾角15°，水平间距2.0m，上下共设置四道，标高分别为：-2m、-4.5m、-9.6m、-13.6m；-2m、-4.5m、-9.6m锚索杆体采用三根 的预应力锚索，锚索设计抗拔力300 KN，预拉锁定力200 KN。-13.6m锚索杆体采用四根 的预应力锚索，锚索设计抗拔力400KN，预拉锁定力280 KN。

图1 桩顶水平位移图2. 监测概况

为确保基坑安全，做到“信息化”施工，该基坑共布置了16个水平位移监测点及10个垂直位移监测点，基坑周围布置了8个测斜观测点，26个桩顶变形观测点，4个水位观测点，10个轴力测点。基坑工程测斜孔的深度取28m，布置在基坑围护体系外侧1.5m左右。土层分布依次为：杂填土，粉土，中粗砂，含砾粉质粘土，中、微风化岩。基坑开挖分五个开挖步骤，开挖深度依次为：2m、4.5m、9.6m、13.6m、18.6m。本基坑工程安全等级为一级，基坑最大水平位移不得超过30mm。水平位移预警值：累计位移24mm，位移速率5mm/d。土体单元及人工挖孔桩采用三维八节点实体减缩积分单元（CPE8R）来模拟，四道锚杆采用杆单元T2D2。得出每次基坑开挖过程中支护结构的水平位移随深度的变化[2，3]。

3. 计算结果及分析

3.1 桩顶位移结果及分析。

3.1.1 在有限元模型中，不同工况下的桩顶位移见图1。从图1桩顶位移曲线可见，桩顶位移在没有施加锚杆时（工况二）的位移曲线反应出在第一层土方的开挖过程中桩顶位移随开挖深度的加深增长速度很快，当施加第一层锚杆（工况三）后随开挖深度的增加位移的增长速度明显下降，在第二次（工况四）、第三次（工况六）、第四次（工况八）

图2 各工况下模拟桩身侧向位移图

图3 各工况下实测桩身侧向位移图开挖后桩顶位移都增加，但是，第二层锚杆（工况五）、第三层锚杆（工况七），第四层锚杆（工况九）施工完成后桩顶位移相对锚杆施工前的位移呈下降趋势，最终桩顶位移为2.8mm，满足支护结构的要求，说明锚杆起到了很好的支护作用。

3.1.2 分析图1，可以从有限元模型中得到如下结论：

（1）当基坑逐步开挖时，桩顶的侧向位移是增长的。所以当基坑开挖须要加强监测，如果出现位移增长加快或者将要达到国家规范确定的情况，一定要采取其它的补救措施，防止基坑破坏。

（2）当施工完成第一层、第二层锚杆后，桩顶的位移是减小的。这说明锚杆在控制桩顶的位移量上是发挥了作用的，当第三层锚杆、第四层锚杆加入后，桩顶的位移有所增加，因为第三层及第四层锚杆距离桩顶较远，对桩顶位移的影响较小。这与实际监测所得的数值情况相近。

3.2 桩身水平位移结果及分析。

3.2.1 将开挖过程中各工况的变形发展曲线最后整理在图2中；各工况下实测桩身侧向位移图在图3中。可见桩锚支护水平位移并不像悬臂支护那样出现在基坑顶部，而是发生在基坑深度的中部，并随着基坑向下开挖，最大水平位移的位置向下移动，定在基坑的中下部。基坑支护水平位移最大值约为8.2mm，小于0.3%基坑深度，能满足基坑支护要求。

图4 锚杆轴力图3.2.2 在基坑开挖过程中通过桩身水平位移模拟值和实测值的对比发现：水平位移模拟值与实测值分布规律基本相同，在基坑的开挖过程中模拟值相对实测数据偏小，而实际最大位移的数值及其位置与实测值均相差不大。因为在有限元模拟过程中假设土体是理想的弹塑形，模拟值的位移曲线较光滑而有规律。在模拟计算中不可能将所有因素都考虑全面，因此会产生一定计算偏差，但从整体上看，模拟值基本上能反映实际基坑开挖过程，说明采用此模型模拟基坑开挖具有可行性。

3.3 锚杆轴力结果及分析。从图4可以看出，锚杆锚固后，锚杆的轴力有所增加，大于锚杆的预应力，因此在基坑中，为确保锚杆的正常工作，监测时要重点监测，同时，设计时要充分考虑，适当增加锚杆的刚度。

4. 小结

（1）.桩顶的水平位移是随着基坑的挖深而逐步增大的，因此基坑挖深很深时应加强监测。桩顶近端锚杆对桩顶侧向位移有一定的约束作用，但第2排锚杆以后对侧向位移的约束较小。

（2）.基坑开挖和预应力锚杆的设置是影响桩身水平位移变化的主要因素，在锚杆施加预应力前，桩体深层水平位移曲线呈现悬臂受力状态，桩顶位移最大，桩底位移最小；锚杆施加预应力后，在预加荷载作用下，桩体产生反方向位移。

（3）.锚杆锚固后，锚杆的轴力有所增加，大于锚杆的预应力，因此在基坑中，为确保锚杆的正常工作，监测时要重点监测，同时，设计时要充分考虑，可适当增加锚杆的刚度。

参考文献

[1] 庄茁等译. ABAQUS有限元软件6.4版入门指南[M]. 北京： 清华大学出版社， 1998.

[2] 陶红煜等.基于计算机模拟的深基坑变形动态控制技术[J].施工技术，2010，（1）：94～96.

[3] 贺俊等.复杂条件下深基坑施工变形控制及周边环境监测分析[J]. 铁道建筑2010，（7） ：96～99.

[4] Williams A. F.，Pells P. J. N .. Side resistance in sockets in sandstone mudstone and shale ， Can Geotech . J. ，18.1981，502～513.

[文章编号]1006-7619（2012）11-01-017

[作者简介] 贾瑞晨（1981-），男，学历：硕士，讲师，主要研究方向：地基与基础设计与施工。