預(yù)應(yīng)力錨拉樁支護下的深基坑變形分析

李子運 劉博明

(1.重慶科技學(xué)院基建規(guī)劃處，重慶 401331;2.重慶科技學(xué)院建筑工程學(xué)院，重慶 401331)

近年來施工中常使用鉆孔咬合樁作為黏性土、沖填土、人工填土等軟土層深基坑的支護結(jié)構(gòu)，咬合樁作為一種新型的深基坑支護結(jié)構(gòu)，其相鄰樁間相互咬合形成的鋼筋混凝土“樁墻”不僅具有良好的受力性和施工性，在一些地形復(fù)雜、地下水位較高的地質(zhì)條件下還可兼?zhèn)渲顾膬?yōu)點［1-5］。預(yù)應(yīng)力錨索加固技術(shù)在提高巖土體承載力和穩(wěn)定性上有顯著效果，并且被廣泛應(yīng)用于工程實踐當(dāng)中［6-7］。

本次研究將咬合樁和預(yù)應(yīng)力錨索加固技術(shù)結(jié)合起來作為綜合支護，通過基坑邊坡的土體預(yù)變形及開挖變形將一部分土壓力傳遞給錨頭，剩余的土壓力則由咬合樁承擔(dān)，由此達到加固深基坑邊坡的目的。研究中對深圳某深基坑在預(yù)應(yīng)力錨拉樁支護下的變形趨勢進行數(shù)值模擬計算［8-10］，并分析開挖過程中樁、錨的受力變化和基坑的變形情況，以驗證該支護方式的可行性。

1 工程概況

深圳某工程部擬在濱海灘區(qū)涂修建250 m超高層建筑(包括3層地下室)，其基坑整體平均開挖深度約為16 m，局部坑中坑開挖深度達25.3 m。該場地原始地貌為濱海灘涂地貌，地勢平坦，現(xiàn)在為人工回填區(qū)。本區(qū)域出露的地層主要有第四系填土層(Qs4)、第四系海陸交互相沉積層(Qmc4)、第四系殘積層(Qel4)、燕山期第四期黑云母花崗巖(γ3(1)5)。地層物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 地層物理力學(xué)指標(biāo)

2 圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計及數(shù)值模型建立

根據(jù)本工程的特點，綜合考慮地質(zhì)條件、周邊環(huán)境、施工技術(shù)等因素，圍護結(jié)構(gòu)形式采用鉆孔咬合樁(見圖1)，A樁為素混凝土樁，B樁為鋼筋混凝土樁，樁徑φ1 200 mm，樁心距1 000 mm，兩相鄰樁咬合量200 mm，樁長17～26 m。根據(jù)開挖步驟，在冠梁上設(shè)置3層預(yù)應(yīng)力錨索，腰梁上設(shè)置2層預(yù)應(yīng)力錨索，在錨索前13 m自由段施加200～300 kN的預(yù)應(yīng)力，后14 m為錨固段。同時，每段土層開挖后即在開挖面層噴射10 cm厚的C20噴射混凝土，以減少開挖面風(fēng)化影響，加強面層土體穩(wěn)定性。

圖1 鉆孔咬合樁平面布置圖

采用FLAC 3D(Fast Lagrangian Analysis of Continua 3D)巖土介質(zhì)有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件進行三維數(shù)值計算［11-13］，模型采用彈塑性的摩爾庫倫模型。本次數(shù)值模擬分析采用三維模型，模型及支護結(jié)構(gòu)如圖2所示，在建模過程中對實際地層參數(shù)進行了一定的簡化，同時基坑開挖前已進行了降水處理，在分析過程中未考慮地下水的影響。根據(jù)現(xiàn)場實際地質(zhì)地形條件和施工方法，計算模型約束左右邊界的X方向水平位移，前后邊界約束Y方向的水平位移和下邊界的豎向位移，上邊界為自由邊界。

圖2 三維模型及支護結(jié)構(gòu)圖

由于基坑平面的不規(guī)則性，為準(zhǔn)確定位基坑各部位的變形情況，在基坑平面內(nèi)布置了20個坐標(biāo)點，將各相鄰兩點連成直線，由此基坑平面即為19條線段組成的輪廓線，每條線的編號由基坑左下方開始逆時針順序編號，即 L1，L2，L3，…，L19。

為更好地了解基坑開挖過程中基坑周邊位移的變化情況，在基坑邊緣設(shè)置4個監(jiān)測點，分別監(jiān)測東南西北4邊中點的水平位移。各監(jiān)測點位置如圖3所示。

3 基坑開挖變形及圍護結(jié)構(gòu)受力分析

根據(jù)施工現(xiàn)場情況及實際要求，基坑采取分層分段的開挖方式，共分7步開挖，開挖深度分別為2.00，-1.00，-4.50，-8.00，-11.50，-16.25，-20.50m，預(yù)應(yīng)力錨拉樁及面層混凝土隨開挖深度的增加而分層加設(shè)。

限于篇幅，此處僅例舉基坑開挖至第5層時的基坑變形云圖，以及咬合樁和錨索的受力圖等。

圖3 監(jiān)測點平面布置圖

基坑的開挖卸荷會引起巖土體應(yīng)力場的重新分布，從而導(dǎo)致基坑周圍土體產(chǎn)生變形甚至垮塌，設(shè)計支護結(jié)構(gòu)的目的就是為了減少這些變形，并將其控制在可靠變形范圍內(nèi)?；又車馏w水平、豎向位移，坑底土體隆起位移和周邊道路、管線變形。使用FLAC 3D數(shù)值分析軟件對開挖過程中基坑周邊巖土體的變形以及支護結(jié)構(gòu)的受力進行監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)是評判支護結(jié)構(gòu)有效性和基坑安全性的重要指標(biāo)，也是尋找基坑支護結(jié)構(gòu)薄弱部位并對其進行優(yōu)化的重要依據(jù)。

3.1 基坑開挖變形分析

基坑開挖至第5層，其頂部四周巖土體的最大水平位移集中在L5靠近L6的端部、L7中段、L8段和L11— L13、L16— L19段，最大變形值為59.0 mm，如圖4所示;基坑四周邊緣土體最大沉降-26.8 mm，基坑底部土體均有隆起現(xiàn)象發(fā)生，其中最大的隆起部位出現(xiàn)在各開挖面的坡腳，最大位移32.1 mm，如圖5所示。巖土體塑性區(qū)集中出現(xiàn)在基坑周邊，塑性區(qū)分部寬度約為開挖深度的1.5～2倍，如圖6所示。由各圖分析可知，L10段為應(yīng)力相對集中區(qū)域，應(yīng)對該處支護結(jié)構(gòu)進行強化;同時，施工過程中嚴(yán)禁超挖坡腳，應(yīng)保證各施工面同時或跳槽開挖，以免局部區(qū)域因開挖深度過大而使坡腳應(yīng)力過度集中，造成開挖面失穩(wěn)。

3.2 支護結(jié)構(gòu)受力分析

基坑開挖至第5層，基坑內(nèi)側(cè)在咬合樁的支護下形成臨空面，南北側(cè)的咬合樁受樁后剪力最大值為163.3 kN，東西側(cè)的咬合樁受樁后剪力最大值為215.0 kN;北側(cè)咬合樁的彎矩最大值為806.1 kN·m;南側(cè)咬合樁的彎矩最大值為-745.4 kN·m，西側(cè)咬合樁的彎矩My最大值為1 086 kN·m，而東側(cè)咬合樁的彎矩My最大值為-922.9 kN·m;從圖7可以看出咬合樁此時的彎矩主要集中在中上部，咬合樁整體受力呈柔性特征。

圖4 基坑水平位移云圖

圖5 基坑豎向位移云圖

圖6 巖土體塑性區(qū)

第5層錨索錨固在腰梁上，并在自由段施加300 kN的預(yù)應(yīng)力，經(jīng)計算，第5層錨索受力最大值為348.7 kN。

圖7 錨索軸力圖

通過深基坑開挖過程三維數(shù)值模擬分析，發(fā)現(xiàn)基坑?xùn)|西側(cè)的位移和圍護結(jié)構(gòu)受力均較南北側(cè)大。如L5段咬合樁的彎矩在第5層開挖時最大值為1 086 kN·m;東側(cè)L11、L12段咬合樁的彎矩在第5層開挖時最大值為-922.9 kN·m。而南北側(cè)咬合樁在第5層開挖時彎矩Mz最大值為806.1 kN·m。支護結(jié)構(gòu)的相對薄弱部位集中在L5、L11、L12段，但是 L7、L8、L16 — L19及基坑突出段也是位移和圍護結(jié)構(gòu)受力較大的部位，因此為保障施工安全及基坑穩(wěn)定性還應(yīng)加強上述部位的支護力度。

3.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

基坑開挖至第7層結(jié)束，圖8為基坑西側(cè)頂部中點的水平位移監(jiān)測曲線圖?？梢钥闯觯擖c水平位移隨開挖深度的增加而增大，直至開挖結(jié)束，其最大位移達到2.2 cm;而當(dāng)基坑開挖至第5層即-11.5 m的深度時，基坑最大水平位移59.0 mm出現(xiàn)在基坑深度中上部;咬合樁的最大彎矩也集中在基坑開挖深度的中上部，同時，各層錨索中第3層預(yù)應(yīng)力錨索(深度 -4.5 m)的受力最大，為355.6 kN;因此，預(yù)應(yīng)力錨拉樁支護下的基坑最大位移及支護結(jié)構(gòu)受力最大部位集中在基坑中上部，并非基坑頂部。

圖8 基坑西側(cè)頂部中點水平位移監(jiān)測圖

4 結(jié)語

本次研究結(jié)合基坑特征，采用摩爾庫侖模型，應(yīng)用數(shù)值模擬計算手段對預(yù)應(yīng)力錨拉樁支護下的深基坑施工過程進行了三維數(shù)值模擬分析。

(1)基坑的開挖造成了巖土體的應(yīng)力重新分布，在開挖面以外2倍開挖深度范圍內(nèi)出現(xiàn)巖土體塑性區(qū)，塑性區(qū)隨開挖深度的增加而增大。

(2)開挖造成巖土體應(yīng)力釋放，預(yù)應(yīng)力錨拉樁有效承擔(dān)了巖土體側(cè)推力，咬合樁的最大剪力達到215.0 kN，預(yù)應(yīng)力錨索最大軸拉力達到348.7 kN;以上支護結(jié)構(gòu)有效控制了巖土體的開挖面變形，使得其最大水平位移僅有59.0 mm。

(3)深基坑開挖過程中及開挖完成后，咬合樁的受力特征均表現(xiàn)為中部受力較大，上部、底部較小，整個咬合樁的受力呈柔性支護特征。

(4)從咬合樁的樁身受力情況來看，素混凝土樁與鋼筋混凝土樁受力協(xié)調(diào)一致，并沒有因其樁間無鋼筋錨固連接而出現(xiàn)受力不均的情況。

(5)從咬合樁及預(yù)應(yīng)力錨索的受力情況可以看出，基坑的水平角點位置易出現(xiàn)應(yīng)力集中，導(dǎo)致該部位的位移較大，支護結(jié)構(gòu)的受力也較大，應(yīng)加強支護措施。

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