復(fù)合支護(hù)體系中土釘?shù)氖芰μ攸c(diǎn)

金紅偉，郭院成，史科

(鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，河南鄭州450002)

復(fù)合支護(hù)體系中土釘?shù)氖芰μ攸c(diǎn)

金紅偉，郭院成，史科

(鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，河南鄭州450002)

結(jié)合鄭州一基坑工程項(xiàng)目，利用分布式光纖應(yīng)變傳感技術(shù)監(jiān)測(cè)基坑開挖過(guò)程中及開挖后排樁預(yù)應(yīng)力錨桿復(fù)合土釘支護(hù)體系中土釘?shù)妮S力。在試驗(yàn)基礎(chǔ)上，利用ABAQUS有限元分析軟件建立排樁預(yù)應(yīng)力錨桿復(fù)合土釘支護(hù)體系的三維基坑開挖模型，研究土釘在復(fù)合支護(hù)體系中的作用。結(jié)果表明，這種復(fù)合支護(hù)體系中土釘和預(yù)應(yīng)力錨桿能很好地協(xié)同工作，充分發(fā)揮二者錨固和支護(hù)的作用。排樁能有效降低土釘?shù)妮S力，顯著改善預(yù)應(yīng)力錨桿復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體受力狀態(tài)。

排樁 預(yù)應(yīng)力錨桿 土釘 復(fù)合支護(hù)體系 數(shù)值模擬

隨城市化進(jìn)程加快，高層、超高層建筑大量涌現(xiàn)，建筑基礎(chǔ)開挖深度和面積越來(lái)越大，對(duì)基坑的開挖和支護(hù)提出更高的要求。由不同支護(hù)體系組合而成的各種聯(lián)合支護(hù)體系，在實(shí)際工程中也得到越來(lái)越多的應(yīng)用。研究者們根據(jù)不同的地質(zhì)條件、聯(lián)合支護(hù)形式和支護(hù)體系特點(diǎn)，分別采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、模型試驗(yàn)、理論分析和數(shù)值模擬等手段，對(duì)聯(lián)合支護(hù)體系進(jìn)行了深入細(xì)致的研究。

排樁預(yù)應(yīng)力錨桿復(fù)合土釘支護(hù)體系經(jīng)工程實(shí)踐檢驗(yàn)是一種合理的支護(hù)結(jié)構(gòu)。但該支護(hù)體系的工作機(jī)理較為復(fù)雜且現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試資料不足，尤其是被動(dòng)受力的土釘和主動(dòng)受力的錨桿共同工作時(shí)，兩者的協(xié)同工作機(jī)制尚缺乏足夠的試驗(yàn)和理論研究，沒(méi)有形成完備的理論體系。

本文結(jié)合鄭州一基坑工程，對(duì)排樁預(yù)應(yīng)力錨桿復(fù)合土釘支護(hù)體系進(jìn)行了足尺寸的現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)。依據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，深入分析了排樁預(yù)應(yīng)力錨桿復(fù)合土釘支護(hù)體系在實(shí)際工程中的受力和變形，探討土釘在復(fù)合支護(hù)體系中的受力特點(diǎn)，并在現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)排樁預(yù)應(yīng)力錨桿復(fù)合土釘支護(hù)體系進(jìn)行數(shù)值模擬分析，為該復(fù)合支護(hù)體系的設(shè)計(jì)、施工與監(jiān)測(cè)提供理論依據(jù)。

表1 土體基本參數(shù)

1 試驗(yàn)概況

1.1 工程概況

擬建工程位于河南省鄭州市，基坑開挖深度10.25 m，以1∶0.15的坡度開挖，開挖面積6 000 m2，土體特征參數(shù)見表1?；硬捎门艠额A(yù)應(yīng)力錨桿復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)。排樁樁長(zhǎng)16 m，樁徑600 mm，間距1.5 m，樁頂通過(guò)冠梁連接。土釘采用直徑22 mm的螺紋鋼筋，鉆孔直徑120 mm;土釘傾角5°，水平間距均為1.5 m。豎直方向土釘分為4層，其中第1排土釘長(zhǎng)11 m，距基坑上邊緣2 m，第2～3排土釘長(zhǎng)12 m，距上層土釘3 m，第4排土釘長(zhǎng)10 m，距上層土釘1.5 m。錨桿自由端長(zhǎng)5 m，錨固端長(zhǎng)20 m，采用公稱直徑為15.2 mm的七絲絞合鋼絞線，預(yù)應(yīng)力100 kN，鉆孔直徑150 mm，錨桿傾角10°，水平間距均為1.5 m。豎直方向錨桿分為2層，分別布于第1～2排和第2～3排土釘之間，距土釘?shù)拈g距1.5 m。面層厚100 mm，由鋼筋網(wǎng)和噴射混凝土構(gòu)成，鋼筋直徑8 mm、間距200 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20?；又ёo(hù)剖面見圖1。

圖1 基坑支護(hù)剖面(單位:mm)

1.2 試驗(yàn)設(shè)置

選擇基坑一側(cè)靠近中部的截面作為試驗(yàn)點(diǎn)。利用分布式光纖應(yīng)變傳感技術(shù)(DSTS)監(jiān)測(cè)基坑開挖過(guò)程中及開挖后土釘?shù)膽?yīng)力應(yīng)變。將光纖呈U形拉緊用電氣膠帶綁扎至鋼筋上，鋪設(shè)過(guò)程中盡量使光纖保持挺直，并用鐵絲每隔2 m對(duì)光纖進(jìn)行加固。

基坑開挖共分為6層，每層開挖面位于土釘或錨桿下0.5 m。基坑開挖至第2層，錨桿1張拉6 d后的測(cè)試值用工況1表示;開挖至第4層，錨桿2尚未張拉時(shí)的測(cè)試值用工況2表示;開挖至第5層、第6層及第6層開挖后一個(gè)月的測(cè)試值分別用工況3、工況4和工況5表示。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 同一工況下不同土釘?shù)妮S力

工況5下不同土釘?shù)膶?shí)測(cè)軸力如圖2所示。由圖2可以看出，土釘1沿長(zhǎng)度方向軸力不斷增大，在距面層2.8 m以內(nèi)為負(fù)值，即土釘受壓，這是由于第1排錨桿主動(dòng)作用使其附近靠近面層的土體受壓。土釘2沿長(zhǎng)度方向軸力變化較大，主要是因?yàn)橥玲?除受錨桿1的影響以外，還受到錨桿2的約束作用。土釘3的受拉段主要位于土釘靠近面層的范圍內(nèi)，其最大正軸力變化點(diǎn)位于距面層4.9 m處，距面層6.4 m至土釘末端范圍內(nèi)土釘軸力為負(fù)值，主要是由于該段位于錨桿的錨固作用范圍內(nèi)。土釘4軸力沿長(zhǎng)度方向變化較小，最大正軸力為9.1 kN，位于土釘外端部，這是由于土釘4距基坑底較近，受力較小。因此，工程中最后一排土釘長(zhǎng)度一般設(shè)計(jì)得較短。

2.2 不同工況下同一土釘?shù)妮S力

不同工況下土釘1的實(shí)測(cè)軸力如圖3所示。由圖3可以看出，工況1下土釘?shù)妮S力先減小后增大，在0～2.18 m范圍內(nèi)為負(fù)值，其后為正值。這是由于錨桿1張拉后對(duì)主動(dòng)區(qū)的土體產(chǎn)生擠壓力，使其有向穩(wěn)定區(qū)偏移的趨勢(shì)，進(jìn)而使土釘1處于主動(dòng)區(qū)的部分產(chǎn)生向里的摩擦力，因此土釘1受到的應(yīng)力較錨桿張拉前有所減小。主動(dòng)區(qū)土體的土壓力要靠穩(wěn)定區(qū)土體來(lái)承擔(dān)，隨著土壓力不斷增大，當(dāng)土體進(jìn)入塑性狀態(tài)后，應(yīng)力逐漸向強(qiáng)度更高的土釘轉(zhuǎn)移，使土釘1在穩(wěn)定區(qū)的軸力增大。工況2～5下土釘?shù)妮S力變化均與工況1下呈現(xiàn)出相同的特點(diǎn)，僅在軸力大小上略有變化，也主要是由于降雨、地表水蒸發(fā)等原因造成的。這說(shuō)明排樁預(yù)應(yīng)力錨桿復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)能很好地維持邊坡穩(wěn)定性，隨開挖深度增大，各層土釘和錨桿能很好地分擔(dān)支護(hù)結(jié)構(gòu)的荷載，最上層土釘?shù)妮S力無(wú)顯著變化。

圖2 工況5下不同土釘?shù)膶?shí)測(cè)軸力

圖3 不同工況下土釘1的實(shí)測(cè)軸力

3 數(shù)值分析

3.1 模型與參數(shù)選取

利用ABAQUS有限元分析軟件建立排樁復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)的三維基坑開挖模型，模型長(zhǎng)60 m、高40 m、厚1.50 m，開挖深度10.25 m，分6步開挖，第一步開挖2.50 m，第2至第5步均開挖1.50 m，第6步開挖1.75 m，土釘和錨桿布置與試驗(yàn)相同。模型的邊界條件為:上表面自由，底部為固定鉸支座，4個(gè)側(cè)面為滑動(dòng)支座。

土體選用8節(jié)點(diǎn)的修正劍橋模型，土體的重度為18 kN/m3，泊松比為0.35，等向固結(jié)壓縮曲線在e-lnP平面上的斜率λ為0.15，多孔介質(zhì)彈性對(duì)數(shù)體積模量，即e-lnP平面上回彈曲線斜率κ為0.01，臨界狀態(tài)線在p-t平面上的斜率M為1.20，初始孔隙比e0為1.20，e-lnP上lnP=0對(duì)應(yīng)的孔隙比e1為3.00。排樁、錨桿、土釘均選用彈性本構(gòu)模型，彈性模量分別取為210，210，205 GPa，重度均取25 kN/m3，泊松比均為0.2。

3.2 土釘軸力

為研究排樁在復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)中的作用，對(duì)比分析了排樁預(yù)應(yīng)力錨桿復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力錨桿復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)兩種數(shù)值模型。基坑開挖完成后兩種支護(hù)結(jié)構(gòu)中土釘1～4的軸力計(jì)算值見圖4。

圖4 土釘計(jì)算軸力

由圖4可見，兩種支護(hù)形式中各土釘?shù)妮S力分布規(guī)律相似，均呈現(xiàn)出兩頭小中間大的特點(diǎn)，且每排土釘軸力最大值自上而下逐漸向基坑側(cè)壁方向偏移。對(duì)比圖4(a)和圖4(b)可知，排樁預(yù)應(yīng)力錨桿復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)中各土釘軸力最大值較預(yù)應(yīng)力錨桿復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)小很多，且相對(duì)于軸力最大值，土釘釘頭處的軸力值較大。主要原因是排樁分擔(dān)了較大部分的土壓力，有效減小了支護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)移值，使土釘最大軸力值大大減小。同時(shí)，土釘和排樁復(fù)合形成統(tǒng)一的整體結(jié)構(gòu)，隨排樁向基坑內(nèi)變形，土釘也處于拉拔狀態(tài)，因此土釘釘頭處呈現(xiàn)出相對(duì)較大的軸力。

4 結(jié)論

1)在排樁預(yù)應(yīng)力錨桿復(fù)合土釘支護(hù)體系中，被動(dòng)受力的土釘和主動(dòng)受力的預(yù)應(yīng)力錨桿能夠很好地協(xié)同工作，顯著降低土釘?shù)妮S力。

2)隨基坑開挖，新加入的土釘或錨桿能很好地分擔(dān)支護(hù)結(jié)構(gòu)的荷載，上層土釘?shù)妮S力無(wú)顯著變化。

3)預(yù)應(yīng)力錨桿的張拉會(huì)使相鄰?fù)玲敐撛诨衙嬉詢?nèi)的部分受到的軸力減小，土釘距錨桿越遠(yuǎn)，其軸力受錨桿張拉的影響越小。

4)排樁可以顯著降低土釘?shù)妮S力，改善預(yù)應(yīng)力錨桿復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體受力狀態(tài)，從而有效控制基坑的變形和穩(wěn)定性。

［1］郭院成，童懷峰，秦會(huì)來(lái).受限的樁錨與土釘聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算模式［J］.鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2004，25(3):28-31.

［2］呂建國(guó)，夏華宗，王貴和.復(fù)合土釘墻模型試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)的研究［J］.鐵道建筑，2008(2):61-64.

［3］郭院成，劉建偉，李峰.樁錨與土釘聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的概念優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.河南科學(xué)，2006，24(2):233-236.

［4］李校兵，王軍，鄭國(guó)棟.土釘支護(hù)基坑的變形監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬研究［J］.鐵道建筑，2008(11):60-62.

［5］孫鐵成，張明聚，楊茜.深基坑復(fù)合土釘支護(hù)模型試驗(yàn)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23(15):2585-2592.

［6］吳忠誠(chéng)，楊志銀，羅小滿，等.疏排樁錨—土釘墻組合支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，25(增2): 3607-3613.

［7］王輝，郭院成，郜新軍.改進(jìn)的桿系有限元法在預(yù)應(yīng)力錨桿復(fù)合土釘支護(hù)中的應(yīng)用［J］.鐵道建筑，2014(11):132-135.

［8］李志剛，李四清，張冰峰，等.土釘支護(hù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及三維數(shù)值模擬分析［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2004，12(1):69-73.

Axial force in soil nails of composite supporting system

JIN Hongwei，GUO Yuancheng，SHI Ke
(School of Civil Engineering，Zhengzhou University，Zhengzhou Henan，450002，China)

T he axial force in soil nails of composite supporting system of soldier pile with prestressed anchors and soil nails during and after pit excavation is monitored by distributed optical fiber sensing technology in a foundation pit engineering project in Zhengzhou.Based on the test，the function of soil nails in this system is studied by using a three-dimensional excavation model which is established by ABAQUS.T he results show that soil nail and prestressed anchor can work cooperatively and give full play to the role of anchoring and supporting in the composite supporting system.T he soldier pile can effectively reduce the axial force as well as notably improve the entire stress.

Soldier pile;Prestressed anchor;Soil nail;Composite supporting system;Numerical simulation

TU94+2

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.12.25

1003-1995(2015)12-0093-04

(責(zé)任審編趙其文)

2015-05-22;

2015-08-27

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50978235)

金紅偉(1967—)，男，高級(jí)工程師，工學(xué)博士。