深基坑開(kāi)挖中樁錨支護(hù)研究

黃 睿

(廈門(mén)興海灣監(jiān)理咨詢有限公司)

1 排樁—錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)成

拉錨式圍護(hù)結(jié)構(gòu)由擋土結(jié)構(gòu)與外拉系統(tǒng)組成。其擋土結(jié)構(gòu)與懸臂式圍護(hù)結(jié)構(gòu)相同,主要為地下連續(xù)墻和鋼筋混凝土排樁,這些在拉錨式圍護(hù)結(jié)構(gòu)中統(tǒng)稱作圍護(hù)樁。拉錨式圍護(hù)結(jié)構(gòu)之所以具有上述優(yōu)點(diǎn)主要是因?yàn)閲o(hù)樁與外拉系統(tǒng)共同作用,并同時(shí)充分調(diào)動(dòng)了地層的自穩(wěn)能力,使得地層既是圍護(hù)結(jié)構(gòu)荷載來(lái)源,也成為了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的組成部分,滿足了“新奧法”施工設(shè)計(jì)的要求。由于外拉系統(tǒng)的存在,圍護(hù)樁所承受的大部分荷載通過(guò)錨拉系統(tǒng)傳遞到處于穩(wěn)定區(qū)域中的錨固體上,再由錨固體將傳來(lái)的荷載分散到周?chē)€(wěn)定的巖土層中,從而充分發(fā)揮地層的自承能力。一般大型較深的基坑,鄰近有建(構(gòu))筑物而不允許有較大變形的基坑,以及不允許設(shè)內(nèi)撐的基坑,均可考慮選用拉錨式圍護(hù)結(jié)構(gòu)。拉錨式圍護(hù)結(jié)構(gòu)的適用范圍為:

(1)地層密實(shí)的砂土、粉土、硬塑至堅(jiān)硬的粘性土,如果基坑臨近具有更好的土層或巖層,可以更好的承受外拉系統(tǒng)傳遞來(lái)的外載。

(2)如果基坑臨近范圍內(nèi)存在不允許損壞的設(shè)施或場(chǎng)地時(shí)應(yīng)慎用。排樁一錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)體系主要由排樁圍護(hù)體系、錨桿錨固體系和擋水體系三部分組成。

1.1 排樁圍護(hù)體系

沿深基坑邊緣,通過(guò)機(jī)械鉆孔、人工挖孔等施工方法灌注混凝土樁或通過(guò)錘打、擠壓等施工方法擠入混凝上或鋼制預(yù)制樁,一般呈單層排列。

1.2 錨固體系

錨固體系的組成己在前面章節(jié)中詳細(xì)介紹過(guò),這里需要強(qiáng)調(diào)的是腰梁必須有足夠的高度以便將排樁所承受的土壓力有效地傳遞到桿體并傳到土層深處。在實(shí)際工程中為了施工方便和節(jié)約造價(jià),通常采用雙槽鋼作為腰梁。

1.3 擋水體系

對(duì)于地下水位較高的深基坑,由于排樁之間存在間隙,因此單獨(dú)使用排樁無(wú)法滿足深基坑對(duì)降水的要求。通常采取深層攪拌水泥樁墻,高壓旋噴、擺噴樁墻,深井降水等措施達(dá)到防滲、擋水的效果。

2 排樁—錨索支護(hù)的工作機(jī)理

在深基坑周?chē)翂毫?、地下水壓力及深基坑周?chē)ㄖ锏雀郊雍奢d作用下,排樁體有向深基坑內(nèi)側(cè)傾倒的趨勢(shì)并產(chǎn)生相對(duì)側(cè)向位移,深基坑底面排樁嵌固深度范圍內(nèi)的土體由于受到樁體側(cè)向位移的影響而產(chǎn)生被動(dòng)土壓力來(lái)抵抗樁體承受的部分主動(dòng)土壓力,另外作用在深基坑上部樁體上的錨桿由于預(yù)應(yīng)力作用(對(duì)于無(wú)預(yù)應(yīng)力錨桿由于樁體的側(cè)向位移作用會(huì)產(chǎn)生抗力)也會(huì)為阻止樁體位移而抵抗部分主動(dòng)土壓力。因此支護(hù)樁體所受的主動(dòng)土壓力由被動(dòng)土壓力和錨桿錨固力共同承擔(dān)。當(dāng)主動(dòng)土壓力小于等于被動(dòng)土壓力和錨桿極限錨固力時(shí),圍護(hù)樁體無(wú)側(cè)向位移,即支護(hù)體系有效;當(dāng)主動(dòng)土壓力大于被動(dòng)土壓力和錨桿極限錨固力時(shí)圍護(hù)樁體產(chǎn)生側(cè)向位移,當(dāng)位移超出允許位移時(shí)支護(hù)體系失效。另外,要保證樁體本身具有足夠的強(qiáng)度,以免在最大剪力處出現(xiàn)剪切破壞,在最大彎矩處撓度過(guò)大。錨桿在正常工作狀態(tài)下,由于涉及拉桿、注漿體、土體等各部分的相互作用,受力情況復(fù)雜,所涉及的各部分材料性能差異很大,所以對(duì)錨桿體系的工作機(jī)理一時(shí)還難以分析清楚。一般認(rèn)為錨桿的錨固力通過(guò)非錨固段傳到錨固段,當(dāng)錨固段錨桿受力后,首先通過(guò)錨桿(通常為粗鋼筋或鋼絞線)與周邊水泥砂漿之間的粘結(jié)力傳到錨固體中,然后通過(guò)錨固體與周?chē)馏w的摩擦力傳到土體深處。實(shí)踐己表明:單根錨桿的承載力除錨桿必須具有足夠的截面積以承受極限拉力外,主要受兩個(gè)因素控制:一個(gè)是錨固段的膠結(jié)材料同孔壁的粘結(jié)力,另一個(gè)是膠結(jié)材料同鋼絲或鋼絞線的握裹力。由于鋼材同水泥漿之間的握裹力比水泥漿同孔壁的粘結(jié)強(qiáng)度大近一倍,所以鋼材同水泥漿的握裹力在錨桿設(shè)計(jì)中可不考慮。實(shí)際上,錨固體同土層的摩阻力并不是均勻分布的,許

多研究和試驗(yàn)成果表明,錨固段沿孔壁的剪應(yīng)力呈倒三角形分布,其分布是不均勻的,它是沿錨固段長(zhǎng)度迅速遞減,并不是錨固段越長(zhǎng),其錨固力越大,當(dāng)錨固段長(zhǎng)到一定程度,錨固力提高并不顯著,因此確定錨固段長(zhǎng)度便是基坑開(kāi)挖支護(hù)的首要技術(shù)問(wèn)題。

3 以工程為背景進(jìn)行有限元模型分析

3.1 工程地質(zhì)水文條件

(1)地層條件(見(jiàn)表 1)

表 1 地層地質(zhì)概況

(2)地下水

在第三層局部見(jiàn)上層滯水;第五層圓礫層為弱承壓性地下水,穩(wěn)定水位 63.45～65.85m,滲透系數(shù) 1.5～2.5m/d。

3.2 深基坑幾何尺寸

本基坑為重慶地鐵一號(hào)線石油路明挖車(chē)站基坑,寬為50m,長(zhǎng)為 125m,深 20m。

3.3 有限元模型的建立及分析

本次采用 ANSYS有限元對(duì)錨樁支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析,采用BEAM 3梁?jiǎn)卧M鋼管灌注樁,采用 LINK1桿單元模擬錨索,采用 PLANE42實(shí)體單元模擬巖土,對(duì)錨索和鋼管灌注樁的參數(shù)進(jìn)行迭代計(jì)算,最終以表二參數(shù)為優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

表 2 深基坑支護(hù)參數(shù)

從圖 1可知,鋼管灌注樁最大彎矩出現(xiàn)在基坑底部,最大值為 12 kNm,錨索受力情況分析如表 3所示:

表3 錨索軸力分析

4 監(jiān)控量測(cè)及分析

由于地下工程的不可預(yù)知性,目前尚不能找到一種模型全面而準(zhǔn)確地表達(dá)各種情況下圍巖狀態(tài)及其與支護(hù)系統(tǒng)的相互關(guān)系,有必要在施工開(kāi)挖過(guò)程中及時(shí)對(duì)圍巖應(yīng)力應(yīng)變變形進(jìn)行監(jiān)測(cè),及時(shí)調(diào)整、確定支護(hù)參數(shù)。

錨索應(yīng)力和鋼管灌注樁均監(jiān)測(cè)采用振弦式鋼筋應(yīng)變計(jì),利用鋼弦張緊力與諧振頻率成單值函數(shù)關(guān)系設(shè)計(jì)而成的,采用與之配套的應(yīng)力頻率計(jì)聯(lián)合使用。觀測(cè)頻率:從開(kāi)始埋設(shè)檢測(cè)儀器 1～7d內(nèi),每天 1～2次;第 7～14d內(nèi),每 2d 1次;15 d以后,每周 1～2次;一月后,每月 1～2次。當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常位移變化時(shí),適當(dāng)增加監(jiān)測(cè)頻率。根據(jù)監(jiān)測(cè)換算后的數(shù)據(jù),基坑周邊圍巖穩(wěn)定后得到第一層錨索最大軸力為 337 kN,第二層錨索最大軸力為 459 kN,第三層錨索最大軸力為 576 kN;灌注樁底層最大換算彎矩為 11.912 kNm。由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知,每層錨索軸力與有限元模擬計(jì)算結(jié)果基本相符,鋼管灌注樁彎矩值也基本與有限元模擬計(jì)算相符,由此可證明本基坑支護(hù)參數(shù)合理,進(jìn)一步說(shuō)明根據(jù)樁錨工作原理進(jìn)行支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)的可靠性,也充分證實(shí)了樁錨結(jié)構(gòu)與圍巖的力學(xué)行為的準(zhǔn)確性。

5 小 結(jié)

根據(jù)工程實(shí)例,通過(guò)對(duì)錨索和鋼管灌注樁的設(shè)計(jì)計(jì)算分析、在實(shí)際工程中的應(yīng)用,以及在基礎(chǔ)施工過(guò)程中對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè),證明排樁一錨桿支護(hù)體系對(duì)于深基坑支護(hù)是有效的。樁—錨支護(hù)體系是對(duì)松軟土層深基坑施工的一次改良及嘗試。該方法不僅保證了該項(xiàng)目安全快速的施工,縮短了工期而且節(jié)約了費(fèi)用,取得了較為明顯的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。目前該工程項(xiàng)目已經(jīng)竣工,它安全快速的運(yùn)營(yíng)足以證實(shí)設(shè)計(jì)的合理性。

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