1. 引言
随着城市化进程加速，密集建筑群与地下空间开发则出现大量深基坑工程。粉质土层因强度弱、渗透性低，开挖易导致显著土体滑移变形[1]-[3]，从而威胁周边环境安全。基坑传统土钉墙支护作为柔性支护方法易造成变形较大等问题，而复合土钉墙通过协同土钉与微型桩的联合作用，可有效改善这一缺点[4]-[6]。现今通过基坑监测与数值模拟协同进行复合土钉墙稳定性分析的研究仍然不多[7]-[10]。本文以郑州某粉土地层基坑为对象，结合现场监测数据与MIDAS/GTS模拟，研究基坑复合土钉墙支护土体应力和变形规律。
2. 工程概况与地质条件
2.1. 工程概况
Figure 1. Layout of excavation site plan and monitoring points
图1. 基坑场地平面及监测点位布置图
某基坑支护工程场地位于郑州市某街道东北侧，场地为拆迁场地，形状较规则，如图1。拟建工程基坑设计深度为8.4 m；基坑周边环境比较复杂，基坑南侧为道路，距地下室外墙约30 m，西侧为某学院楼(二层地下室区域)和住宅小区(7层，主要为一层地下室区域)，距地下室外墙约7 m，东北角为某学校建筑区，最近处距基坑约7 m，最远处约14 m，北侧为交通道路，距地下室外墙21 m至39 m，地下分布有市政管线。
2.2. 地质条件
该基坑工程地属黄河二级阶地，是郑州市典型的粉质土层地区。根据勘察报告资料显示，受基坑开挖影响的场地土层分布如下：① 杂填土、② 粉土、③ 粉质粘土、④ 粉土、⑤ 粉质粘土、⑥ 粉土。地下水位埋深8 m左右，为潜水类型，水位年变幅1~2 m左右，土层物理力学参数见表1。
Table 1. Physical and mechanical parameters of soil layers
表1. 土层物理力学参数表
土层名称 |
厚度(m) |
重度(kN∙m−3) |
粘聚力(kPa) |
内摩擦角(˚) |
地基承载力(kPa) |
压缩模量(MPa) |
杂填土 |
1.17 |
18 |
8 |
10 |
－ |
－ |
粉土 |
2.33 |
17.3 |
8 |
16 |
120 |
12.2 |
粉质粘土 |
1.94 |
18.6 |
20 |
8 |
110 |
8.8 |
粉土 |
3.18 |
20 |
10 |
19 |
150 |
12 |
粉质粘土 |
3.98 |
19 |
23 |
10 |
120 |
8.2 |
3. 基坑监测内容与基坑支护设计方案
3.1. 支护设计方案
Figure 2. Design of support structure for section 3-3 on the northeastern side of the foundation pit
图2. 基坑东北侧3-3剖面支护结构设计图
根据设计规范，结合场地土层、开挖深度及环境条件，共划分5个基坑支护剖面段进行支护设计。因基坑东北侧靠近建筑物其周边环境复杂，故选取基坑该区域3-3典型剖面进行分析，该剖面采取复合土钉墙支护形式，其由注浆土钉、锚杆及微型桩组成，如图2所示。
3.2. 监测内容与方法
该基坑监测采取仪器监测为主，以现场巡视为辅的方式进行，基坑监测点位布置，如图1所示。(1) 坡体深层水平位移监测：在基坑东北侧中部设置2个测斜管断面，编号为CX1-CX2；(2) 坡顶水平位移及沉降观测：在基坑北面布设7个测点(S4-S10)，西面8个测点(S11-S18)，南面6个测点(S19-S24)，东面10个测点(S1-S3，S25-S31)，监测点间距根据实际情况调整；(3) 建筑物沉降监测：在基坑东北侧布置13个沉降观测点(C1-C12，C16)，西北侧布置3个沉降观测点(C13-C15)。
4. 监测结果分析
4.1. 坡顶水平位移和顶部沉降分析
图3给出了坡顶不同监测点(S1至S8)水平位移的变化情况。结果显示，多数监测点的坡顶水平位移随时间呈上升趋势，表明基坑开挖对基坑侧壁土体扰动较明显，有往基坑内部变形的趋势。其中，S2点的位移量最大，约为3.5 mm，而其他监测点的位移量相对较小，大多集中在1 mm左右；自11月中旬起，除S2点外，其余监测点的位移变化趋于稳定，这表明基坑开挖到底后侧壁土体达到一种相对平衡的状态。
图4给出不同监测点(S1至S8)坡顶竖向位移的变化情况，可以看出坡顶监测点竖向位移均呈上升趋势，表明受基坑开挖影响坡顶有竖直方向变形趋势，但绝对数值仍然很小；在10月中旬至11月初，S5、S6、S8的竖向位移出现突变现象，其中S6点的累积位移量最大，约为0.45 mm。
Figure 3. Horizontal displacement time curve of measuring points at the top of the slope
图3. 坡顶测点水平位移–时间曲线
Figure 4. Vertical displacement time curve of measuring points at the top of the slope
图4. 坡顶测点竖向位移–时间曲线
4.2. 深层水平位移监测数据分析
Figure 5. CX-1 inclinometer tube deep horizontal displacement time curve
图5. CX-1测斜管深层水平位移–时间曲线
图5给出基坑测斜管CX-1的深层水平位移随深度的变化曲线，可以看出，2014年12月16日至12月27日基坑深层水平位移变化较大，其中最大累积位移量为−2.05 mm，位于深度5 m处，土体趋于向基坑内移动。这是由于基坑开挖初始阶段，粉质土体受到扰动破坏后，其应力释放速率与开挖深度呈非线性正相关，致使土层出现位移激增现象。2015年01月02日至01月17日基坑的深层水平位移变化相对稳定，此时基坑暂停开挖，基坑变形保持稳定。
Figure 6. CX-2 inclinometer tube deep horizontal displacement time curve
图6. CX-2测斜管深层水平位移–时间曲线
图6给出基坑测斜管CX-2的深层水平位移随深度的变化曲线，可以看出，2014年12月16日至12月22日基坑深层水平位移差异明显，其中最大累积位移为1.05 mm，位移深度5 m处，土体趋于向坑外移动。然而2014年12月27日至2015年01月17日基坑深层水平位移波动较小且数值整体为负，土体移动方向反转趋于坑内移动。这是由于在基坑开挖初始阶段，土体应力释放速率过大易导致土体在快速压缩下发生回弹现象，在图6中体现正值位移量；基坑开挖进行一段时间后土体因应力卸载，位移方向转为向坑内移动，在图6中体现负值位移量，进而曲线方向发生反转。
4.3. 坑周建筑物沉降监测数据分析
Figure 7. Settlement time curve of the building complex on the northeast side of the foundation pit
图7. 基坑东北侧建筑群沉降–时间曲线
图7给出了基坑东北角附近各监测点沉降随时间的变化规律，随基坑开挖深度增加，各监测点处沉降量呈现渐近式增加，其中C6、C9和C12基坑开挖到底时的累积沉降量最大，其值约为1.2 mm，累积沉降量没有达到国家规范规定的报警值。监测数据整体成渐进式上升趋势，基坑开挖到底时各监测点沉降变化稳定，且现场巡视过程中未发现任何裂缝。
5. 数值模拟
5.1. 模拟过程及参数选取
本文采用有限元软件MIDAS/GTS对典型剖面3-3进行二维数值模拟，如图8所示，该位置基坑开挖深度为5.66 m，二维模型尺寸为x方向31.46 m、y方向17.1 m、z方向1 m，在建模过程中对基坑侧壁土体均选用修正Mohr-Coulomb模型，锚杆和土钉采用植入式桁架单元模型，微型桩采用梁单元模型。
Figure 8. Grid division diagram of section 3-3 of foundation pit
图8. 基坑3-3剖面网格划分图
5.2. 模拟结果分析
5.2.1. 位移分析
图9给出基坑开挖到底3-3剖面处水平位移云图，模拟云图呈现“同心环状扩散”特征。由模拟结果可得水平位移最大值为32.18 mm，位于基坑开挖边坡与坡顶交界处。表明该模型能有效复现复合土钉墙的侧向约束机制。
图10给出基坑开挖到底3-3剖面处竖向位移云图，模拟云图呈现“浅层位移大、深层衰减快”的特征，由模拟结果可得竖向位移最大值为28.96 mm，位于基坑底部，表明基坑底部存在土体反弹现象。监测数据与数值模拟结果存在一定差异，这是由于现场土体性质参数难以准确把握，现场施工情况复杂等多种因素造成的。
5.2.2. 应力分析
图11给出基坑开挖到底3-3剖面处最大剪应力云图，从模拟云图中可以看出3-3剖面处随开挖深度的不断增加云图颜色不断上移，剪应力场呈现典型的“C”型分布形态，其中最大剪应力为4.95 kPa，位于基坑侧壁坡脚处。这是由于该区域受到较大的侧向土压力作用，从而导致在坡脚处产生应力集中现象。
Figure 9. Horizontal displacement cloud map at section 3-3 after excavation to the bottom
图9. 开挖到底后3-3剖面处水平位移云图
Figure 10. Vertical displacement cloud map of section 3-3 after excavation to the bottom
图10. 开挖到底后3-3剖面竖向位移云图
Figure 11. Cloud map of maximum shear stress at section 3-3 after excavation to the bottom
图11. 开挖到底后3-3剖面处最大剪应力云图
6. 结论
本文通过现场监测和数值模拟对郑州某基坑变形和应力等进行分析，得出以下结论：(1) 基坑坡顶水平位移、坡顶竖向位移、周边建筑物沉降及深层水平位移随基坑开挖逐步增加，各监测点位的监测数据变化未达到国家规范规定的报警值。(2) 基坑东北侧临近建筑物区域水平和竖向位移量均变化稳定且沉降变形较小，现场巡视没有发现明显的危险情况。(3) 数值模拟结果显示基坑东北侧3-3剖面处位移形变量较小且相对稳定。该基坑所采用的复合土钉墙支护结构类型，能够有效地降低土体的侧向位移，确保了基坑周边环境的安全。