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【摘要】地下空间的发展已经成为人们生产、生活、娱乐等必不可少的一部分，基坑支护形式的日益完善，既保障了基坑施工的安全又能节约成本。本文以华能集团人才创新基地后勤楼基坑工程为依托，通过现场预应力锚杆张拉力及坡后土体水平位移监测，研究这一支护结构在基坑支护中的变形规律，为北京地区类似基坑支护工程优化设计和科学施工提供参考。
【关键词】基坑工程；预应力锚杆；复合土钉墙；现场监测
中图分类号：K826.16 文献标识码：A 文章编号：
0 引言
随着城市的发展及城市人口的增多，高层建筑不断涌现。与此同时，基坑工程向着规模大、深度更深的方向发展，因此，基坑的开挖和支护仍是建筑工程界的难点和热点问题之一[1]，加之目前土力学有关理论并非十分成熟，设计和施工多半采用传统理论及当地经验进行[2-3]，工程事故屡有发生。因此，本文以华能集团人才创新基地后勤楼基坑工程为背景,通过现场实际监测，研究预应力锚杆复合土钉墙支护体系受力变形规律，为北京地区类似基坑工程支护结构优化设计和科学施工提供参考。
1 工程概况
1.1工程概况
该工程位于北京市昌平区未来科技城南区C89地块，温榆河南岸，北七路以南。根据设计提供的有关图文资料，后勤楼用地面积17107m2，总建筑面积约45710m2，其中地上部分约29610m2，地下部分约16100m2。建筑物设计参数表见表1。
表1建筑物设计参数表
1.2 工程地质条件
根据勘察报告，该场地上部为填土层，其下为新近沉积层及一般第四纪冲洪积层，具体各层岩土层的主要物理及力学指标见表2。
表2地层参数一览表
该场区含有三层地下水：第一层地下水类型为上层滞水，稳定水位埋深2.0～4.3m，主要含水层为粉砂②2及粗砂③3层，以大气降水等为主要补给方式，以蒸发为主要排泄方式，地下水位变化无规律，受人为活动及大气降水影响较大；第二层地下水类型为潜水，稳定水位埋深8.7～11.5m，局部微承压，主要含水层为中砂④层，主要补给来源为地下径流，主要排泄方式为侧向径流，地下水位自7月份开始上升，9至10月份达到当年最高水位，随后逐渐下降，至次年的6月份达到当年的最低水位，平均年变幅约1～2m；第三层地下水为承压水，稳定水位埋深19.4～21.8m，含水层为中砂⑤1层与中砂⑥2层，主要补给来源为地下水侧向径流，主要排泄方式为侧向径流。
2支护方案及监测方案
2.1 基坑支护方案
本基坑工程主要采用预应力锚杆复合土钉墙进行支护，复合土钉墙支护深度9.56m，放坡角度73.3°；设计土钉5道，预应力锚杆1道（第二道）。土钉长度7.00～10.00m；锚杆长度15.00m，其中自由段5.00m，锚固段10.00m。水平间距1.50m，竖向间距1.50m，倾角均为15°，排间交错布置。土钉人工成孔，孔径120mm；锚杆机械成孔，孔径150mm。常压灌注水泥浆，浆体强度M20,土钉材料为1Φ18螺纹钢筋，锚杆采用1-7Φ5钢绞线。喷锚面层为Φ6.5@200×200钢筋网和1Φ14螺纹钢筋横、纵向压筋，喷射10cm厚C20细石混凝土，混凝土配合比根据试验确定，一般经验值为水泥：砂子：碎石＝1:2:2。锚杆腰梁采用20号槽钢，预拉力为150kN,锁定力为120kN。
土釘墙地面设拉锚，地锚设在基坑外1.00m处，采用118螺纹钢筋，打入式，深度1.50m，间距3.00m，与首层土钉拉结。基坑典型支护剖面图见图1。
图1 基坑典型支护剖面图
2.2 监测方案
本工程施工实施动态控制及安全管理，通过现场监控量测，掌握基坑地层、地下水、复合土钉墙支护结构体系等的工作状态信息。通过对量测数据的整理和分析，及时确定采取相应的施工措施，确保工程安全和施工工期。在基坑开挖过程中，主要的监测项目见表3。
表3监测项目表
3 监测数据
在基坑开挖过程中，基坑监测能够直接反应施工期间的安全性，并将现场监测的结果及时反馈，对于及时修正支护结构设计和施工方法意义重大[4-5]。本文分析预应力锚杆复合土钉墙这一支护结构的变形规律，重点对水位、锚杆内力和支护结构外土体深层水平位移进行了监测分析。
3.1 水位
本工程基坑开挖之前，已对基坑及周边进行了专项地下水处理措施（管井降水）。通过现场水位观测，地下水平均水位约-12.0m，即比基底深2.5m左右。由此可见，地下水通过专项处理措施后，对基坑开挖及边坡支护无影响。
3.2锚杆内力
本基坑工程复合土钉墙支护体系中，第二道为预应力锚杆，其余均为土钉，故在第二道安装锚索计。由监测数据可以看出，第二道预应力锚杆张拉后，起初稍有一些回弹，随着基坑的开挖，锚杆内力继续增长，一方面说明锚杆施加预应力后起到了一定的效果，另一方面说明由于各种客观因素的影响，锚杆预应力一般会有应力松弛的现象；当开挖至基底时，锚杆内力的变化基本趋于稳定。锚杆内力变化曲线见图2。
图2锚杆内力变化曲线图
3.3 坡后土体水平位移
基坑开挖过程中，土方开挖需与土钉墙支护施工相互配合，即：基坑开挖过程分为六步。通过现场监测数据可以看出，起初坡后土体变形最大点发生在最上部，当第二道预应力锚杆施加后，坡后土体向基坑外稍有变形，但随着基坑的开挖，土体向基坑内变形继续增大，且最大位移点向下移动，坡后土体变形呈“弓”字形，当基坑开挖至基底时，土体最大变形为20.3mm，在-5.0m处，并且变形趋于稳定，最大位移点大约发生在距基坑顶部1/2的深度处。基坑坡后土体水平变形曲线见图3。
图3坡后土体水平变形曲线图
4 结果分析与研究
本论文通过现场施工监测，对预应力锚杆复合土钉墙这一支护体系锚杆内力及坡后土体变形进行分析，得出如下结论：
（1）当基坑开挖至-5.0m时，基坑坡后土体最大变形发生在顶部，并且一般变化量不大。
（2）当第二道预应力锚杆施工且张拉完毕后，坡后土体变形向基坑外移动，变形回弹量约为20%。与此同时，锚杆内力存在着较大的预应力损失，大约损失30%。
（3）随着基坑后续开挖，坡后土体变形最大点位置向下移动，锚杆内力也继续增加。开当基坑开挖至基底时（-9.56m），坡后土体最大变形量为20.3mm，在-5.0m处；锚杆内力增加为150kN，比预加轴力增加25%。
5 结论
本论文以华能集团人才创新基地后勤楼基坑为背景，通过现场监测对基坑支护结构（预应力锚杆复合土钉墙）的变形规律进行了研究，主要结论有：
（1）支护结构最大水平位移与开挖深度和时间密切相关，基坑开挖至-5.0m时，坡后土体呈前倾形曲线，坡顶水平位移最大，随着基坑的开挖和土钉及预应力锚杆的施工,坡后土体变形曲线由前倾形逐渐向“弓”字形转化，最大水平位移发生的位置也随之下移，并且最大位移位置大约在基坑开挖深度的1/2处。
（2）在开挖过程中，第二道预应力锚杆张拉完毕后存在着较大的预应力损失，大约损失30%，但是随着基坑后续开挖，锚杆内力又有所增长，当基坑挖至基底时，锚杆内力为150kN,比张拉力增长25%。说明预应力锚杆对基坑变形起到至关重要的作用。
（3）预应力锚杆可以协调整个支护结构的受力情况，提高边坡抗滑移稳定性和减小边坡及坡后土体深层水平位移。
（4）通过现场监测，可以不断优化计算方法和计算参数，更准确的判断基坑变形规律及受力特点，从而预测基坑开挖过程中的变化，真正意义上的监测指导施工，实现信息化施工。
参考文献：
[1] 刘学军,陈正大. 复合土钉支护技术及其作用机理研[J] .中国科技信息, 2006 ,15(21):66-68.
[2] 贺永俊.用理正深基坑支护软件设计土钉墙基坑支护[J].山西建筑，2006,32（24）：82-84.
[3] 赵德刚,蒋宏. 复合土钉墙的变形与稳定性分析[J]. 岩土工程学报, 2006 ,28 (S1):1687-1690.
[4] 张思峰,周健,贾敏才等.深基坑施工的现场监测及其时空效应分析[J].建筑结构,2007,37(6):53–55.
[5] 卢国胜.考虑位移的土压力计算方法[J].岩土力学,2004 , 25 (4): 586-589.
【关键词】基坑工程；预应力锚杆；复合土钉墙；现场监测
中图分类号：K826.16 文献标识码：A 文章编号：
0 引言
随着城市的发展及城市人口的增多，高层建筑不断涌现。与此同时，基坑工程向着规模大、深度更深的方向发展，因此，基坑的开挖和支护仍是建筑工程界的难点和热点问题之一[1]，加之目前土力学有关理论并非十分成熟，设计和施工多半采用传统理论及当地经验进行[2-3]，工程事故屡有发生。因此，本文以华能集团人才创新基地后勤楼基坑工程为背景,通过现场实际监测，研究预应力锚杆复合土钉墙支护体系受力变形规律，为北京地区类似基坑工程支护结构优化设计和科学施工提供参考。
1 工程概况
1.1工程概况
该工程位于北京市昌平区未来科技城南区C89地块，温榆河南岸，北七路以南。根据设计提供的有关图文资料，后勤楼用地面积17107m2，总建筑面积约45710m2，其中地上部分约29610m2，地下部分约16100m2。建筑物设计参数表见表1。
表1建筑物设计参数表
1.2 工程地质条件
根据勘察报告，该场地上部为填土层，其下为新近沉积层及一般第四纪冲洪积层，具体各层岩土层的主要物理及力学指标见表2。
表2地层参数一览表
该场区含有三层地下水：第一层地下水类型为上层滞水，稳定水位埋深2.0～4.3m，主要含水层为粉砂②2及粗砂③3层，以大气降水等为主要补给方式，以蒸发为主要排泄方式，地下水位变化无规律，受人为活动及大气降水影响较大；第二层地下水类型为潜水，稳定水位埋深8.7～11.5m，局部微承压，主要含水层为中砂④层，主要补给来源为地下径流，主要排泄方式为侧向径流，地下水位自7月份开始上升，9至10月份达到当年最高水位，随后逐渐下降，至次年的6月份达到当年的最低水位，平均年变幅约1～2m；第三层地下水为承压水，稳定水位埋深19.4～21.8m，含水层为中砂⑤1层与中砂⑥2层，主要补给来源为地下水侧向径流，主要排泄方式为侧向径流。
2支护方案及监测方案
2.1 基坑支护方案
本基坑工程主要采用预应力锚杆复合土钉墙进行支护，复合土钉墙支护深度9.56m，放坡角度73.3°；设计土钉5道，预应力锚杆1道（第二道）。土钉长度7.00～10.00m；锚杆长度15.00m，其中自由段5.00m，锚固段10.00m。水平间距1.50m，竖向间距1.50m，倾角均为15°，排间交错布置。土钉人工成孔，孔径120mm；锚杆机械成孔，孔径150mm。常压灌注水泥浆，浆体强度M20,土钉材料为1Φ18螺纹钢筋，锚杆采用1-7Φ5钢绞线。喷锚面层为Φ6.5@200×200钢筋网和1Φ14螺纹钢筋横、纵向压筋，喷射10cm厚C20细石混凝土，混凝土配合比根据试验确定，一般经验值为水泥：砂子：碎石＝1:2:2。锚杆腰梁采用20号槽钢，预拉力为150kN,锁定力为120kN。
土釘墙地面设拉锚，地锚设在基坑外1.00m处，采用118螺纹钢筋，打入式，深度1.50m，间距3.00m，与首层土钉拉结。基坑典型支护剖面图见图1。
图1 基坑典型支护剖面图
2.2 监测方案
本工程施工实施动态控制及安全管理，通过现场监控量测，掌握基坑地层、地下水、复合土钉墙支护结构体系等的工作状态信息。通过对量测数据的整理和分析，及时确定采取相应的施工措施，确保工程安全和施工工期。在基坑开挖过程中，主要的监测项目见表3。
表3监测项目表
3 监测数据
在基坑开挖过程中，基坑监测能够直接反应施工期间的安全性，并将现场监测的结果及时反馈，对于及时修正支护结构设计和施工方法意义重大[4-5]。本文分析预应力锚杆复合土钉墙这一支护结构的变形规律，重点对水位、锚杆内力和支护结构外土体深层水平位移进行了监测分析。
3.1 水位
本工程基坑开挖之前，已对基坑及周边进行了专项地下水处理措施（管井降水）。通过现场水位观测，地下水平均水位约-12.0m，即比基底深2.5m左右。由此可见，地下水通过专项处理措施后，对基坑开挖及边坡支护无影响。
3.2锚杆内力
本基坑工程复合土钉墙支护体系中，第二道为预应力锚杆，其余均为土钉，故在第二道安装锚索计。由监测数据可以看出，第二道预应力锚杆张拉后，起初稍有一些回弹，随着基坑的开挖，锚杆内力继续增长，一方面说明锚杆施加预应力后起到了一定的效果，另一方面说明由于各种客观因素的影响，锚杆预应力一般会有应力松弛的现象；当开挖至基底时，锚杆内力的变化基本趋于稳定。锚杆内力变化曲线见图2。
图2锚杆内力变化曲线图
3.3 坡后土体水平位移
基坑开挖过程中，土方开挖需与土钉墙支护施工相互配合，即：基坑开挖过程分为六步。通过现场监测数据可以看出，起初坡后土体变形最大点发生在最上部，当第二道预应力锚杆施加后，坡后土体向基坑外稍有变形，但随着基坑的开挖，土体向基坑内变形继续增大，且最大位移点向下移动，坡后土体变形呈“弓”字形，当基坑开挖至基底时，土体最大变形为20.3mm，在-5.0m处，并且变形趋于稳定，最大位移点大约发生在距基坑顶部1/2的深度处。基坑坡后土体水平变形曲线见图3。
图3坡后土体水平变形曲线图
4 结果分析与研究
本论文通过现场施工监测，对预应力锚杆复合土钉墙这一支护体系锚杆内力及坡后土体变形进行分析，得出如下结论：
（1）当基坑开挖至-5.0m时，基坑坡后土体最大变形发生在顶部，并且一般变化量不大。
（2）当第二道预应力锚杆施工且张拉完毕后，坡后土体变形向基坑外移动，变形回弹量约为20%。与此同时，锚杆内力存在着较大的预应力损失，大约损失30%。
（3）随着基坑后续开挖，坡后土体变形最大点位置向下移动，锚杆内力也继续增加。开当基坑开挖至基底时（-9.56m），坡后土体最大变形量为20.3mm，在-5.0m处；锚杆内力增加为150kN，比预加轴力增加25%。
5 结论
本论文以华能集团人才创新基地后勤楼基坑为背景，通过现场监测对基坑支护结构（预应力锚杆复合土钉墙）的变形规律进行了研究，主要结论有：
（1）支护结构最大水平位移与开挖深度和时间密切相关，基坑开挖至-5.0m时，坡后土体呈前倾形曲线，坡顶水平位移最大，随着基坑的开挖和土钉及预应力锚杆的施工,坡后土体变形曲线由前倾形逐渐向“弓”字形转化，最大水平位移发生的位置也随之下移，并且最大位移位置大约在基坑开挖深度的1/2处。
（2）在开挖过程中，第二道预应力锚杆张拉完毕后存在着较大的预应力损失，大约损失30%，但是随着基坑后续开挖，锚杆内力又有所增长，当基坑挖至基底时，锚杆内力为150kN,比张拉力增长25%。说明预应力锚杆对基坑变形起到至关重要的作用。
（3）预应力锚杆可以协调整个支护结构的受力情况，提高边坡抗滑移稳定性和减小边坡及坡后土体深层水平位移。
（4）通过现场监测，可以不断优化计算方法和计算参数，更准确的判断基坑变形规律及受力特点，从而预测基坑开挖过程中的变化，真正意义上的监测指导施工，实现信息化施工。
参考文献：
[1] 刘学军,陈正大. 复合土钉支护技术及其作用机理研[J] .中国科技信息, 2006 ,15(21):66-68.
[2] 贺永俊.用理正深基坑支护软件设计土钉墙基坑支护[J].山西建筑，2006,32（24）：82-84.
[3] 赵德刚,蒋宏. 复合土钉墙的变形与稳定性分析[J]. 岩土工程学报, 2006 ,28 (S1):1687-1690.
[4] 张思峰,周健,贾敏才等.深基坑施工的现场监测及其时空效应分析[J].建筑结构,2007,37(6):53–55.
[5] 卢国胜.考虑位移的土压力计算方法[J].岩土力学,2004 , 25 (4): 586-589.