土岩深基坑桩-撑-锚组合支护体系变形特性-有色金属在线

的土岩组合地质条件为背景，通过Plaxis有限元模拟和现场监测相结合的方法，探讨土岩组合深基坑中围护桩、钢支撑与锚索组合支护体系的协同作用及基坑变形规律。通过不同支护形式的对比分析得到围护桩桩身水平位移、基坑周边地表沉降分布规律；从开挖步、钢支撑预应力及锚索预应力的变化分析得到围护桩桩身水平位移、弯矩及剪力的分布规律。研究结果表明：基坑变形和周边地表沉降模拟结果与实测值结果吻合较好，基坑的变形主要发生在基坑上部软弱土层，采用桩–撑–锚组合支护体系在青岛地区具有很好的实用性。研究成果可为类似土岩结合地区深基坑支护设计提供参考。

关键词：

土岩组合；深基坑；组合支护体系；钢支撑；锚索；变形；有限元；

中图分类号：TU 437 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2018)02-0454-10

Deformation properties of combined support system of pile-steel support-anchor cable for deep foundation pit in rock-soil combination

BAI Xiaoyu^{1, 2}, ZHANG Mingyi^{1, 2}, YAN Nan³, WANG Yonghong¹, YUAN Haiyang⁴

(1. College of Civil Engineering, Qingdao University of Technology, Qingdao 266033, China;

2. Collaborative Innovation Center of Engineering Construction and Safety in Shandong Blue Economic Zone,

Qingdao University of Technology, Qingdao 266033, China;

3. College of Environmental Science and Engineering, Qingdao University, Qingdao 266071, China;

4. Qingdao Yijing Design Co. Ltd., Qingdao 266000, China)

Abstract: Based on the unique soil-rock combinational geological features of Qingdao, the cooperative effects and deformation laws of combined support system of fender pile-steel support-anchor cable for deep foundation pit in soil-rock combination were discussed through Plaxis finite element simulation and field monitoring. Meanwhile, the horizontal and ground displacement distribution was obtained by contrasting different support types; and the distribution laws of horizontal displacement, bending moment and shear force of the pile were analyzed by changing the excavation steps, and pre-stress of steel support and anchor cable. The results show that the calculated results agree well with the test results in deformation and ground settlement, while the main deformation occurs in soft soil strata in rocky area. The application of pile-support-anchor system is practical in Qingdao. The research results can provide reference for deep foundation pit supporting design in similar geological conditions.

Key words: rock-soil combination; deep foundation pit; combined support system; steel support; anchor cable; deformation; finite element

随着城市化进程的飞速发展，城市地下空间的开发利用成为解决我国城市化发展与城市用地紧缺之间矛盾的主要手段，由此带来基坑工程的规模、数量、类型快速增长，深度及建设难度不断增大，而且大量工程处在建筑密集区，施工场地狭小、环境要求苛刻，呈现出“深、大、紧、近、难”的特点，这对基坑支护理论研究、设计、施工与监测均提出了诸多难题^[1-7]。青岛地铁一期工程(3号线)车站明挖基坑场地的地质条件既有第四系土层，又存在比较坚硬的花岗岩(包括强风化、中风化和微风化)，即“土岩复合”的地层。这就使青岛特有的地质条件下基坑工程的支护形式与我国其他地区的基坑支护形式有明显的差异，出现了一些特殊的工程问题，如：软土地区的基坑大范围采用内支撑体系，往往占用较大的空间且需要布置多道内支撑，工程造价较高，同时不方便下部的机械化施工，尤其是给土石方开挖带来了较大的困难。锚杆(索)属于柔性支护结构，对于约束基坑变形存在一定的局限性。对内支撑和锚杆(索)混合使用的基坑支护结构，有必要对两者的协同工作机理展开深入研究，这一问题是青岛地铁明挖基坑设计与施工面临的现实工程问题，研究解决这一问题，对于地铁工程的安全性和经济性有着重大意义。翟桂林^[8]对地铁车站深基坑开挖全过程进行了数值仿真，研究了基坑围护结构的受力特性及变形规律。朱志华等^[9]利用数值模拟的方法对青岛某土岩基坑开挖进行分析，结果显示，围护桩-锚杆-内支撑支护体系在控制基坑变形方面效果显著，完全满足设计要求。张明聚等^[10]通过对海南省某明挖隧道基坑(基坑采用混合支撑体系)施工进行跟踪监测，实时掌握支护体系的内力与变形的变化动态，以保障基坑的稳定性。李静等^[11]从施工角度探讨了深圳某大型深基坑支护技术，采用内撑式与锚拉式排桩相结合的深基坑支护技术，取得了很好的效果，基坑开挖至底，支护体系及周边环境(建筑物、道路及管线)安全可靠，变形较小。冯申铎等^[12]探讨了桩(墙)–撑–锚联合支护形式的变形协调问题，认为增加锚杆的刚度和变形控制能力是解决桩(墙)–撑–锚支护体系变形协调的关键。本文作者基于青岛地铁一期工程(3号线)太平角公园站土岩组合明挖基坑的设计及施工情况，采用Plaxis有限元软件模拟基坑开挖，分析不同支护形式下土岩基坑的变形规律以及支护设计的影响因素，研究桩–撑–锚组合支护体系变形特性和受力机制。

1 工程概况

1.1 车站概况

太平角公园站为地下二层岛式车站，车站主体结构长约为182.7 m，标准段宽约为17.4 m，顶板上覆土层厚度约为1.8 m，开挖深度为15.4~16.0 m。基坑采用明挖法施工，支护结构采用灌注桩-内支撑-锚索的组合支护方式，基坑使用期限为2 a。

太平角公园站位于土岩复合地层中。场区第四系堆积层厚度小于5.0 m，土层层序依次为杂填土和冲洪积粉质黏土；第四系以下基岩主要以花岗岩为主，后期有岩脉入侵，呈带状穿插分布，岩层层序依次为强风化花岗岩(上、中、下3个亚带)、中风化花岗岩和微风化花岗岩，基岩岩面较平缓。各岩土层物理参数如表1所示。

1.2 水文地质概况

场区地下水水位埋深为2.30~3.90 m。粉质黏土及基岩全风化层属透水性微弱的岩土层，在基岩和上覆的松散土层间为相对隔水层，岩石强风化带为中等透水层，估算该基坑开挖后每天的最大涌水量Q_max约为916.75 m³/d。场区地下水主要依靠大气降水入渗和地表水体入渗补给，地下水位随丰水期、枯水期变化明显，同时受地表降水以及潮汐影响较大。

1.3 基坑支护结构设计方案

车站主体围护结构采用钻孔灌注桩-钢管内支撑-锚索的支护体系，主体基坑标准段采用f800@1 600(局部1 500)钻孔灌注桩，桩长约为17 m，其中嵌入微风化岩深度为1.5 m；桩间挂钢筋网片并喷射C25混凝土。标准段沿基坑竖向布第1道f609 mm钢支撑(壁厚t=14 mm，弹性模量E_s＝2.0×10⁵ MPa，泊松比=0.26)，钢支撑水平向间距约4.5 m。桩顶设1 m×1 m(长×宽)的冠梁。第2道和第3道均采用预应力锚索支护，第1道预应力锚索全长为17.0 m，自由段长5.0 m，锚固段长为12.0 m，设在冠梁下5.5 m处，第2道预应力锚索位于第1道锚索下5.0 m处，自由段与锚固段长度与第1道锚索的长度相同，锚索的水平间距为2.0 m，倾角为15°；桩间挂钢筋网喷射C20混凝土，厚度为100 mm。

表1 场区主要岩土层的物理力学参数

Table 1 Physical and mechanical parameters of soils and rocks in main area

2 有限元模型建立及模拟方法

采用Plaxis模拟基坑开挖变形，为简化计算，对有限元模型采用如下假设：1) 基坑的开挖采用平面应变模型；2) 土体视为弹塑性体，上部土体采用摩尔-库仑弹塑性模型，下部岩体用线弹性模型进行模拟；3) 该模型中的围护桩、钢支撑及锚索视为弹性受力状态；4) 围护桩施工及开挖引起的土体应力变化不予考虑^[13-15]。

模型边界范围的选取及约束条件：模型中基坑宽度与标准段宽度相同，取17.4 m，考虑到沉降的影响，总宽度取80.0 m；基坑开挖深度与实际开挖深度相同，取15.2 m，在该方向模型总长度取30 m。左、右侧边界施加水平约束，底部边界施加完全固定约束。

Plaxis软件提供了2种节点单元：6节点单元和15节点单元。6节点单元的计算精度没有15节点单元计算的精度高，其优点是计算所花费的时间较短，但在处理复杂问题时，15节点单元能够表现出更高质量的应力效果，经综合考虑，本文采用15节点单元进行模拟计算。围护桩采用无厚度的弹性板单元模拟，钢支撑通过软件中的锚定杆单元模拟，锚索采用点对点锚杆单元和土工格栅单元组合模拟，其中用点对点锚杆单元来模拟预应力锚索的自由段，用土工格栅单元模拟预应力锚索的锚固段，而岩土体和支护结构的相互作用通过界面单元来实现^[15-17]。由于Plaxis软件具有自动划分网格的功能，所以，网格划分比较方便。

需要说明的是，根据本工程的特点，网格划分精度选取中等粗糙程度，同时对钢支撑、锚索锚固段及围护桩周围的网格进行加密。尽管Plaxis二维模型不可能精确模拟锚索应力状态及其与土的相互作用，但在假设锚固段相对于土体没有相对滑动的情况下，可以在总体水平上模拟应力分布和结构的变形及稳定性，这样既能减少计算时间，又能得到较理想的计算结果。图1所示为模型的网格划分与加密示意图。

图1 模型网格划分及加密示意图

Fig. 1 Schematic diagram of grid division and encryption of model

基坑开挖是一个逐步实施的过程，Plaxis软件可以激活或关闭几何模型中的荷载、土层和结构对象，通过对开挖土层、水压力以及结构对象的激活或者关闭来实现分步开挖的过程^[15]。为了模拟结果能够真实地反映基坑的实际开挖情况，根据土岩组合基坑的施工特点，将其施工过程划分为以下4个工况。

工况1：围护桩施工完毕，开挖至第1道钢支撑平面下0.5 m处。模型中激活桩体，开挖至第1道钢支撑底部0.5 m。

工况2：钢支撑施工完毕，开挖至第1道锚索施工平面下0.5 m。模型中激活钢支撑，开挖至第1道锚索底部0.5 m。

工况3：第1道锚索施工完毕，开挖至第2道锚索施工平面下0.5 m。模型中激活第1道锚索，开挖至第2道锚索底部0.5 m。

工况4：第2道锚索施工完毕，开挖至基底。模型中激活第2道锚索，开挖至基坑底部。

在开挖过程中，每步开挖前将地下水位降至开挖面以下1.0 m，用于模拟实际集水井降水情况。

3 有限元模型结果与分析

3.1 围护桩桩身变形分析

图2所示为围护桩桩身水平位移模拟值与实测值对比曲线。

从图2可以看出：桩身水平位移模拟值与实测值吻合较好，围护桩桩身水平位移从桩顶到桩端呈先增大后减小的趋势，最大桩身位移位于距桩顶约5.0 m处，位移为5.6 mm，远小于现行规范的控制标准。围护桩桩身上部的整体位移比桩身下部的大，究其原因，桩身上部为压缩性大的第4系和强风化花岗岩，下部为物理力学性质稳定、不易变形的中风化和微风化花岗岩层，有较好的自稳能力。结合有限元模拟结果，桩身变形主要集中在风化岩以上的第4系，这与实测曲线较好地吻合，但实测值略大于模拟值。这是因为基坑施工是一个复杂过程，容易受到施工机械、时空效应、天气变化及地下水等多种不确定因素的影响；而在有限元分析中，没有考虑基坑开挖的时空效应、车辆的动荷载及基岩爆破开挖的影响，所以，实测值略大于模拟计算值。

图2 桩身水平位移模拟值与实测值

Fig. 2 Simulation and monitoring values of pipe horizontal displacement

3.2 基坑周边地表沉降分析

图3所示为基坑周边地表沉降模拟值与实测值对比曲线。由图3可以看出：在距离基坑边缘7.0~8.0 m的位置实测地表沉降最大，由于围护桩的约束作用，临近坑边的地表沉降较小，在距坑边8.0 m以外，基坑周边土体沉降受开挖的影响有减小的趋势，地表沉降开始逐渐变小，远离基坑边缘处，沉降趋于稳定。基坑开挖对周边地表沉降的影响范围在2H(H为基坑开挖深度)之内，且H之内的影响较大。基坑周边地表沉降实测曲线的变化规律与模拟值基本一致。虽然在数值上模拟值和实测值存在一些差异，但曲线的整体变化规律相同，说明建立的计算模型、选取的土岩参数以及计算分析方法是合理的，能够较好地反映基坑的受力特性和变形规律。

图3 基坑周边地表沉降实测值与模拟值

Fig. 3 Calculation and monitoring values of ground settlements of foundation pit

4 不同支护形式的对比分析

4.1 钢支撑与锚索支护对比

太平角公园站标准段基坑支护形式为1道钢支撑和2道锚索支护，以下分别用Plaxis有限元软件建立全钢支撑支护(3道钢支撑)、1道钢支撑+2道锚索支护及全锚索支护(3道锚索)的数值计算模型，将不同支护形式下桩身变形及弯矩的计算值与实测值进行对比，分析各种支护形式的优缺点。

不同支护形式下桩身水平位移沿桩长的变化如图4所示，桩身弯矩沿桩长的变化如图5所示。

从图4可知：全钢支撑支护时，基坑位移变形最小，且基本呈线性，桩顶水平位移最大；全锚索支护时，桩身变形最大，最大变形发生在桩顶；1撑2锚(最上层为钢支撑)的桩身位移介于以上全钢支撑支护和全锚索支护之间，而且桩身水平位移曲线与实测曲线变化规律相似，桩身最大位移出现在桩顶下约5.0 m处，即距桩顶约H/3(H为基坑开挖深度)的位置。

从图5可知：3种支护形式的弯矩沿桩长的变化趋势基本一致。当水平支撑构件全部为钢支撑时，桩身弯矩在第2道钢支撑处出现负值，这是钢支撑的支承刚度大，对桩体的约束作用强所致。在其他2种支护形式中，第2道都采用预应力锚索，因锚索属柔性支护构件，所以，该位置处没有出现反弯点。而桩身最大弯矩发生在嵌岩处，所以在进行土岩组合基坑“吊脚桩”的设计时应加强嵌岩部位的处理，使围护桩的桩身弯矩分配均匀。

图4 不同支护形式下桩身水平位移沿桩长的变化

Fig. 4 Pipe horizontal displacements along pipe length under different supporting types

图5 不同支护形式下桩身弯矩沿桩长的变化

Fig. 5 Pipe bending moments along pipe length under different supporting types

4.2 不同撑锚组合支护形式对比

桩-撑-锚的组合支护形式除了能控制基坑变形之外，更主要的是能够提高施工效率，方便机械化施工，因此，在土岩组合深基坑中是一种比较合理的支护形式。在实际工程中可以根据不同的地质条件和施工需求进行桩–撑–锚的不同组合。假设在太平角公园站中基坑上部采用2道钢支撑，下部采用1道锚索，也能够达到较好的支护效果，图6和图7所示分别为“2撑1锚”和“2锚1撑”的桩身水平位移及弯矩沿桩长的变化。

由图6可知，“2锚1撑”和“2撑1锚”的支护形式都取得了较好的支护效果，约束了基坑的变形，但由于钢支撑的水平刚度大，对围护桩的约束作用强，使桩身水平位移自上而下表现出线性变化的趋势，与全钢支撑支护条件下桩身水平位移变化趋势相类似，因此，“2锚1撑”支护条件下桩身水平位移变化比“2撑1锚”的大。

由图7可以看出：2种支护形式下桩身弯矩变化规律基本相似，只是在“2撑1锚”支护条件下第2道钢支撑处桩身弯矩出现负值，主要是钢支撑的支承刚度大，对桩体的约束所致，这也证实了钢支撑横向刚度会影响围护桩桩身水平位移，徐洋等^[18-22]进行过相关的研究。

图6 不同撑锚组合的桩身水平位移沿桩长的变化

Fig. 6 Pipe horizontal displacements along pipe length under different anchor-support combinations

图7 不同撑锚组合的桩身弯矩沿桩长的变化

Fig. 7 Pipe bending moments along pipe length under different anchor-support combinations

5 支护设计影响因素分析

5.1 开挖步的影响

该车站开挖分为4个工况。工况1：开挖至第1道钢支撑平面下0.5 m处；工况2：安装钢支撑并开挖至第1道锚索下0.5 m；工况3：第1道锚索施工，开挖至第2道锚索下0.5 m；工况4：第2道锚索施工，然后开挖至基底。围护桩水平位移在各施工步的计算结果如图8所示，周边地表沉降在各施工步的计算结果如图9所示。

从图8可以看出：经工况1开挖后，桩顶水平位移较小，理论上桩身水平位移曲线应与均布荷载作用下悬臂梁的变形曲线一致，这主要与工况1的开挖深度与开挖范围内土层的性质有关。钢支撑安装完成后进行工况2的开挖工作，桩顶水平位移显著增加，达到约3.9 mm，桩身水平位移随桩长呈线性减小趋势。第1道锚索施工完后进行工况3的开挖，桩身最大水平位移逐渐由顶端向桩身下部转移，并稳定在距桩顶约5.0 m的位置处。在工况4开挖结束时(开挖至基底)，桩身最大水平位移为4.2 mm。说明第1道钢支撑限制了围护桩桩顶位移，下部2道锚索也发挥了较强的锚固力。所以，从总体上看，围护桩桩身水平位移较小，远小于规范允许的预警值。

图8 各施工步桩身水平位移

Fig. 8 Pipe horizontal displacements in each construction step

图9 各施工步基坑周边地表沉降

Fig. 9 Ground settlements around foundation pit in each construction step

从图9可以看出：距基坑边不同距离处的地表沉降与围护桩桩身变形规律基本相对应。因为工况1开挖深度较浅，所以对基坑周边地表沉降影响较小，工况2开挖后地表变形有所增加，工况3开挖后沉降速率变化明显，在距离基坑边缘7.0~8.0 m处地表沉降量最大；开挖至基底时，最大沉降为8.7 mm。随基坑开挖深度的增加，周边地表沉降逐渐增大，沉降的发生范围也相应扩大，但沉降增加速率变慢。工况1开挖变形较小，从工况2开始，变形明显增大。

5.2 钢支撑预应力影响

太平角公园站基坑标准段钢支撑预应力设计值为P=984 kN，其他参数保持不变，分别取的0.5P，0.7P，1.0P和1.2P(P为钢支撑预应力设计值)进行计算，以该基坑开挖结束时的工况为例进行分析，其对围护桩桩身位移、弯矩及剪力的影响见图10~12。

由图10可知：对钢支撑施加预应力一方面可有效控制桩顶水平位移，另一方面能够减小围护桩桩身水平位移。内支撑预应力施加过大或过小都不合适，预应力过大会使施工成本和操作难度增加，预应力过小会使桩顶水平位移显著增大，钢支撑预应力从0.5P增大到1.0P，桩顶水平位移从3.82 mm减小到0.18 mm，桩身最大水平位移减小1/2，钢支撑施加预应力对桩身位移约束效果显著。但预应力从1.0P增大到1.2P，桩身水平位移变化较小。所以，合理选取内支撑的预应力是桩-锚-撑组合支护体系设计的关键。

由图11可知：桩身的最大正弯矩随着钢支撑预应力的增大而增大，钢支撑预应力增大1倍，桩顶最大正弯矩约增大1倍。由于预应力的存在限制了桩顶水平位移，所以弯矩最大值发生在最大桩身水平位移处，说明钢支撑的预应力不宜施加过大。因此，在增加支撑预应力的同时，要适当提高围护桩的抗弯刚度，避免围护桩发生“过刚易折”。围护桩在坑底产生负弯矩，分析原因，桩端嵌入一定深度的中风化-微风化花岗岩，桩端处位移受到岩层的约束，限制其发生变形。另外，增加钢支撑预应力，桩底负弯矩会有所减小，但趋势不明显。

图10 不同钢支撑预应力围护桩桩身水平位移沿桩长的变化

Fig. 10 Pipe horizontal displacements along pipe length under different pre-stressed steel supports

图11 不同钢支撑预应力围护桩桩身弯矩沿桩长的变化

Fig. 11 Pipe bending moments along pipe length under different pre-stressed steel supports

由图12可知：剪力出现正负值，剪力正负值突变位置基本位于锚索施工位置处。桩顶剪力随钢支撑预应力的增大而增大。剪力最大值出现在桩深约16.0 m且钢支撑预应力为0.5P时的位置，约为440 kN。可见，增大钢支撑预应力会使坑底处桩身剪力最大值减小，最大负剪力增加。锚索对围护桩起到了较好的约束效果。然而，在距桩深约15.0 m处的剪力正负突变点并没有施工预应力锚索，究其原因，基坑开挖至基底，围护桩嵌入坑底微风化花岗岩约1.5 m，物理力学性质稳定，在基底形成约束作用较强的固定端，风化岩层对围护桩提供的反力与岩层以上的土压力相互作用使剪力发生骤变。

图12 不同钢支撑预应力围护桩桩身剪力

Fig. 12 Pipe shear forces along pipe length under different pre-stressed steel supports

5.3 锚索预应力影响

太平角公园站基坑标准段锚索预应力设计值F=30 kN，调整锚索的预应力，其他参数保持不变，分别取0.5F，0.75F，1.0F和1.5F(F为锚索预应力设计值)，以基坑开挖结束时的工况为例进行分析，其对围护桩桩身位移、弯矩及剪力的影响见图13~15。

从图13可以看出：对锚索施加预应力可以有效控制围护桩桩身水平位移，但预应力锚索属于柔性支护结构，对桩身水平位移的约束效果有限，没有钢支撑明显。虽然对锚索施加预应力能减小桩身变形，但是施加较大的预应力比较复杂而且不经济，施加1.5F的锚索预应力与施加1.0F的锚索预应力相比，桩身水平位移的变化较小，所以，桩-撑-锚组合支护体系的另一个关键是合理选取锚索预应力。

从图14可以看出：桩身的最大正弯矩随着锚索预应力的增大而减小，特别在2道锚索的位置处弯矩有所减小，因为锚索预应力存在，相当于增加了弹性支撑，使该位置产生负弯矩抵消了部分正弯矩。桩身弯矩在距桩顶约11.5 m处出现负值，该位置正好处于第2道预应力锚索处，此位置剪力较大，在基坑设计时需密切关注并采取相应的防护措施。在一定程度上，锚索预应力对弯矩影响较小，没有钢支撑预应力变化对围护桩弯矩的影响大，但对锚索施加较大预应力会对桩身弯矩产生一定的影响；另外，为了施工便捷，2道锚索的预应力最好相同。

图13 不同锚索预应力围护桩桩身水平位移沿桩长的变化

Fig. 13 Pipe horizontal displacements along pipe length under different pre-stressed anchors

图14 不同锚索预应力围护桩桩身弯矩沿桩长的变化

Fig. 14 Pipe bending moments along pipe length under different pre-stressed anchors

图15 不同锚索预应力围护桩桩身剪力沿桩长的变化

Fig. 15 Pipe shear forces along pipe length under different pre-stressed anchors

从图15可以看出：桩顶剪力随锚索预应力的增加而增加，但增幅没有施加钢支撑预应力那么明显。在距桩顶约7.0 m处剪力发生突变，突变点正好处于第1道预应力锚索的位置，同样说明预应力锚索对围护桩起到了很好的固定效果。剪力最大值出现在距桩顶约16.0 m且锚索预应力为0.5F时的位置，约425 kN。随着锚索预应力的增大，坑底处桩身剪力最大值减小，最大负剪力增加。在距桩深约15.0 m处的剪力正负突变点处并没有施工预应力锚索，产生这一现象的原因与不同钢支撑预应力时的相同。

6 结论

1) 桩–撑–锚组合支护体系的土岩组合基坑最大变形发生在基坑上部土层，基坑变形呈现出“中部大两端小”的趋势，同时，由于围护桩的约束作用，基坑周边地表沉降呈先增大后减小的趋势，即靠近坑边的地表沉降较小，距坑边7.0~8.0 m出现最大值，在坑边8.0 m以外的地方，地表沉降开始逐渐变小，远离基坑边缘处，沉降趋于稳定。

2) 通过不同支护形式的对比分析，全钢支撑支护时基坑位移变形最小，全锚索支护时基坑变形最大，钢支撑与锚索混合支护时基坑变形介于两者之间；“2撑1锚”支护条件下基坑变形比“2锚1撑”小；即随着水平支撑构件刚度的增大，基坑变形逐渐减小。

3) 随开挖步的增加，围护桩的整体水平位移不断增大，桩身变形由桩顶到桩底先增大后减小，最大变形位置随开挖步增加逐渐向下移动，最终最大变形发生在距桩顶H/3(H为基坑开挖深度)处，应局部加强该部位的支护刚度；与此同时，随基坑开挖步增加，周边地表沉降逐渐增大，沉降的发生范围也相应扩大，但沉降增加速率变慢。

4) 桩身水平位移随着钢支撑预应力增大逐渐减小，桩顶水平位移尤为显著；随着钢支撑预应力增大，桩身最大正弯矩增大，桩底负弯矩减小，但变化趋势不明显；随着钢支撑预应力增大，坑底处桩身最大剪力减小，但最大负剪力增大。

5) 对锚索施加预应力可以有效减小桩身水平位移；随着锚索预应力的增大，桩身的最大正弯矩减小，坑底处桩身最大剪力值减小，最大负剪力增大，而且锚索预应力的施加可以减小最大正弯矩，但预应力锚索属于柔性支护结构，所以，对于桩身位移、弯矩及剪力的影响与内支撑相比较弱。

参考文献：

[1] 刘美麟, 房倩, 张顶立, 等. 深基坑内撑式支护结构综合刚度研究[J]. 岩土力学, 2017, 38(7): 2059-2064.

LIU Meilin, FANG Qian, ZHANG Dingli, et al. Research on synthetic system stiffness of strutted retaining structure for deep excavation[J]. Rock and Soil Mechanics, 2017, 38(7): 2059-2064.

[2] 叶为民, 赵少阳, 陈永贵, 等. 二元结构土层分布区工程降水诱发地面沉降变形研究[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2012, 43(11): 4446-4450.

YE Weimin, ZHAO Shaoyang, CHEN Yonggui, et al. Dewatering-induced land subsidence in binary-structure soil[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2012, 43(11): 4446-4450.

[3] 刘涛, 刘红军. 青岛岩石地区基坑工程设计与施工探讨[J]. 岩土工程学报, 2010, 32(增刊): 499-503.

LIU Tao, LIU Hongjun. Design and construction of foundation pits in rock area in Qingdao[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2010, 32(Suppl): 499-503.

[4] 陈昆, 闫澍旺, 孙立强, 等. 开挖卸荷状态下深基坑变形特性研究[J]. 岩土力学, 2016, 37(4): 1075-1082.

CHEN Kun, YAN Shuwang, SUN Liqiang, et al. Analysis of deformation of deep foundation pit under excavation unloading condition[J]. Rock and Soil Mechanics, 2016, 37(4): 1075-1082.

[5] AFINNO R J, BLACKBURN J T, ROBOSKI J F. Three-dimensional effects for supported excavations in clay[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2007, 133(1): 30-36.

[6] HSIEH P G, OU C Y, LIU H Z. Basal heave analysis of excavations with consideration of anisotropic undrained strength of clay[J]. Canadian Geotechnical Journal, 2008, 45(6): 788-799.

[7] 刘红军, 张庚成, 刘涛. 土岩组合地层基坑工程变形监测分析[J]. 岩土工程学报, 2010, 32(增刊): 550-553.

LIU Hongjun, ZHANG Gengcheng, LIU Tao. Monitoring and analysis of deformation of foundation pits in strata with rock-soil combination[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2010, 32(Suppl): 550-553.

[8] 翟桂林. 土岩组合地层地铁车站深基坑内支撑结合锚索支护体系数值分析[D]. 青岛: 中国海洋大学环境科学与工程学院, 2013: 1-9.

ZHAI Guilin. Numerical analysis of deep subway station pit for mixed-support structure of internal bracing and anchor rope in strata with soil-rock stratum[D]. Qingdao: Ocean University of China. College of Environmental Science and Engineering, 2013: 1-9.

[9] 朱志华, 刘涛, 单红仙. 土岩结合条件下深基坑支护方式研究[J]. 岩土力学, 2011, 32(增刊): 619-623.

ZHU Zhihua, LIU Tao, SHAN Hongxian. Study of supporting type for deep foundation pit in areas of rock and soil[J]. Rock and Soil Mechanics, 2011, 32(Suppl): 619-623.

[10] 张明聚, 谢小春, 吴立. 锚索与钢支撑混合支撑体系内力监测分析[J]. 岩土工程学报, 2010, 32(增刊): 483-488.

ZHANG Mingju, XIE Xiaochun, WU Li. Monitoring analysis of internal force for mixed-support structure of anchor rope and steel support[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2010, 32(Suppl): 483-488.

[11] 李静, 李明洋. 内撑式与锚拉式排桩相结合的深基坑支护技术[J]. 施工技术, 2012, 41(7): 31-33.

LI Jing, LI Mingyang. Deep foundation excavation support technology of internal bracing row piles combined with anchor row piles[J]. Construction Technology, 2012, 41(7): 31-33.

[12] 冯申铎, 姜晓光, 杨志银, 等. “桩(墙)-撑-锚”联合支护技术的工程应用与变形协调探讨[J]. 岩土工程学报, 2012, 34(增刊): 456-460.

FENG Shenduo, JIANG Xiaoguang, YANG Zhiyin, et al. Application and deformation compatibility of combined support of pile (wall)-bracing-anchor[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2012, 34(Suppl): 456-460.

[13] 黄沛, 刘国彬, 霍润科. 软土地区基坑分区开挖参数分析[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2015, 46(10): 3859-3864.

HUANG Pei, LIU Guobin, HUO Runke. Parameter analysis of zoned excavation in soft soil area[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2015, 46(10): 3859-3864.

[14] 刘红军, 于雅琼, 王秀海. 土岩组合地层旋喷桩止水桩锚支护基坑变形与受力数值分析[J]. 岩土工程学报, 2012, 34(增刊): 297-302.

LIU Hongjun, YU Yaqiong, WANG Xiuhai. Deformation and force analysis of pile anchor for soil-rock dualistic structure based on finite element theory[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2012, 34(Suppl): 297-302.

[15] 白晓宇, 张明义, 袁海洋. 移动荷载作用下土岩组合基坑吊脚桩变形分析[J]. 岩土力学, 2015, 36(4): 1167-1173, 1181.

BAI Xiaoyu, ZHANG Mingyi, YUAN Haiyang. Deformation analysis for the end-suspended piles in the combined soil-rock foundation pits under moving loadings[J]. Rock and Soil Mechanics, 2015, 36(4): 1167-1173, 1181.

[16] 王安正, 雷金山. 基坑开挖变形监测及数值仿真分析[J]. 土工基础, 2010, 24(1): 62-66.

WANG Anzheng, LEI Jinshan. Numerical simulation analysis and deformation monitoring of foundation pit[J]. Soil Engineering and Foundation, 2010, 24(1): 62-66.

[17] 刘红军, 王亚军, 姜德鸿, 等. 土岩组合双排吊脚桩桩锚支护基坑变形数值分析[J]. 岩石力学与工程学报, 2011, 30(增刊): 4099-4103.

LIU Hongjun, WANG Yajun, JIANG Dehong, et al. Numerical analysis of deep foundation pit displacement with double-row end-suspended piles in strata of soil-rock dualistic structure[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2011, 30(Suppl): 4099-4103.

[18] 徐洋, 何丽波, 许国平, 等. 基坑支撑刚度计算方法辨析及其对支护桩内力的影响[J]. 建筑结构, 2006, 36(11): 62-63, 85.

XU Yang, HE Libo, XU Guoping, et al. Calculating methods for stiffness of bracing structure and their influence on internal force of retaining piles[J]. Building Structure, 2006, 36(11): 62-63, 85.

[19] 朱合华, 杨金松, 陈宝. 地下连续墙和支撑刚度对围护结构变形、内力影响的敏感性分析[J]. 工业建筑, 2000, 30(3): 8-11.

ZHU Hehua, YANG Jinsong, CHEN Bao. Sensitive analysis of effect of the diaphragm wall and brace stiffness on the deformation and internal force of retaining structure[J]. Industrial Construction, 2000, 30(3): 8-11.

[20] 姚燕明, 周顺华, 孙巍, 等. 支撑刚度及预加轴力对基坑变形和内力的影响[J]. 地下空间, 2003, 23(4): 401-404, 456.

YAO Yanming, ZHOU Shunhua, SUN Wei, et al. Influence of brace stiffness and pre- axial force on the deformation and internal force of foundation pit[J]. Underground Space, 2003, 23(4): 401-404, 456.

[21] 王春艳, 张方涛, 马郧, 等. 基坑圆环支撑体系水平刚度系数计算方法研究[J]. 岩土力学, 2017, 38(3): 840-846.

WANG Chunyan, ZHANG Fangtao, MA Yun, et al. A method for calculating horizontal stiffness coefficient of ring supporting system for foundation pit[J]. Rock and Soil Mechanics, 2017, 38(3): 840-846.

[22] 张戈, 毛海和. 软土地区深基坑围护结构综合刚度研究[J]. 岩土力学, 2016, 37(5): 1467-1474.

ZHANG Ge, MAO Haihe. A new system stiffness of retaining structure of deep foundation pit in soft soil area[J]. Rock and Soil Mechanics, 2016, 37(5): 1467-1474.

(编辑刘锦伟)

收稿日期：2017-04-06；修回日期：2017-07-05

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51708316, 51778312)；山东省重点研发计划项目(2017GSF16107)；山东省自然科学基金青年基金资助项目(ZR2016EEQ08, ZR2017PEE006)；山东省高等学校科技计划项目(J16LG02)；青岛市应用基础研究计划项目(16-5-1-39-jch) (Projects(51708316, 51778312) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2017GSF16107) supported by the Key Research and Development Program of Shandong Province; Project(ZR2016EEQ08, ZR2017PEE006) supported by the Natural Science Youth Foundation of Shandong Province; Project(J16LG02) supported by the Higher Educational Science and Technology Program of Shandong Province; Project(16-5-1-39-jch) supported by the Applied Basic Research Programs of Qingdao)

通信作者：白晓宇，博士，副教授，从事地基基础与城市地下工程研究；E-mail：baixiaoyu538@163.com

摘要：以青岛地区特有的土岩组合地质条件为背景，通过Plaxis有限元模拟和现场监测相结合的方法，探讨土岩组合深基坑中围护桩、钢支撑与锚索组合支护体系的协同作用及基坑变形规律。通过不同支护形式的对比分析得到围护桩桩身水平位移、基坑周边地表沉降分布规律；从开挖步、钢支撑预应力及锚索预应力的变化分析得到围护桩桩身水平位移、弯矩及剪力的分布规律。研究结果表明：基坑变形和周边地表沉降模拟结果与实测值结果吻合较好，基坑的变形主要发生在基坑上部软弱土层，采用桩–撑–锚组合支护体系在青岛地区具有很好的实用性。研究成果可为类似土岩结合地区深基坑支护设计提供参考。