對拉錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)室內(nèi)模型試驗(yàn)研究

吳曙光，彭 朋，韓培宇，鄭華敬

(1. 山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(重慶大學(xué))，重慶 400045；2. 重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院, 重慶 400045; 3.長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010)

對拉錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)室內(nèi)模型試驗(yàn)研究

吳曙光1,2，彭 朋2,3，韓培宇1,2，鄭華敬1,2

(1. 山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(重慶大學(xué))，重慶 400045；2. 重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院, 重慶 400045; 3.長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010)

針對目前關(guān)于對拉錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)理論和試驗(yàn)研究較少的情況，自行設(shè)計(jì)和完成了考慮施工過程的對拉錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)室內(nèi)模型試驗(yàn)。研究表明：對拉錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)支護(hù)樁內(nèi)力及樁頂位移的最大值均出現(xiàn)在施工過程中，而非施工完成狀態(tài)；不同的開挖支護(hù)時(shí)機(jī)對樁身內(nèi)力及土壓力的分布存在較大影響；總結(jié)出了對拉錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)樁身內(nèi)力、土壓力以及擋板土壓力的分布。

巖土工程；對拉錨索；支護(hù)樁；樁身內(nèi)力；土壓力；相鄰深基坑

0 引 言

在城市建設(shè)中，為充分利用地下空間，會涉及大量地下結(jié)構(gòu)的施工。其中不可避免會遇到相鄰深基坑支護(hù)的問題，如何保證相鄰深基坑間邊坡的安全和穩(wěn)定，是現(xiàn)代相鄰深基坑邊坡支護(hù)工程的關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)。在一些實(shí)際工程中由于兩工程基坑相鄰距離過近，且中間坡體中有市政管道、電纜等,不能進(jìn)行挖掘，采取常規(guī)的樁錨體系無法有效進(jìn)行錨固。在這種情況下，運(yùn)用對拉錨索樁錨體系的支護(hù)方式來保證基坑間邊坡的穩(wěn)定和市政管道、電纜箱涵安全的方法便應(yīng)運(yùn)而生。

目前國內(nèi)在對拉錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)研究方面，劉秋芳[1]通過對應(yīng)用對拉錨索排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的深基坑的監(jiān)測結(jié)果的分析，表明了該支護(hù)結(jié)構(gòu)的良好效果。陳海軍等[2]通過對幾個(gè)工程案例的分析，闡明了對拉結(jié)構(gòu)的計(jì)算模式、計(jì)算要點(diǎn)及構(gòu)造組成，明確了計(jì)算方法和設(shè)計(jì)思路。韓風(fēng)雷等[3]根據(jù)重慶市某地鐵車站 45 m 深基坑對拉預(yù)應(yīng)力錨索施工技術(shù)研究和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，利用有限元軟件模擬分析對拉預(yù)應(yīng)力錨索在基坑開挖過程中的受力狀態(tài)規(guī)律，為施工提供安全理論保證。張力等[4]通過對預(yù)應(yīng)力水平對拉錨索的施工工藝的闡述及施工中遇到問題的解決,闡述了預(yù)應(yīng)力對拉錨索與斜拉錨索在施工中的部分差異及施工經(jīng)驗(yàn)。金波等[5]通過介紹預(yù)應(yīng)力水平對拉錨索在實(shí)際工程中應(yīng)用的施工全過程，表明了水平對拉錨索施工的可行性。以上研究主要是關(guān)于對拉錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大多采用的經(jīng)驗(yàn)法，即參考少數(shù)現(xiàn)有的類似工程來進(jìn)行設(shè)計(jì)。關(guān)于對拉錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算理論研究也尚不成熟。以對拉支護(hù)結(jié)構(gòu)的墻后土壓力為例，目前國內(nèi)外多采用庫侖主動土壓力分析拉桿的內(nèi)力。但實(shí)際情況中，對拉式擋土墻內(nèi)的填土并不符合庫侖主動極限平衡狀態(tài),而是處于彈性平衡狀態(tài)[6]。模型試驗(yàn)作為一種重要的科研手段相對于原位試驗(yàn)具有以下特點(diǎn):所需場地小,對加載試驗(yàn)設(shè)備的要求相對低,試驗(yàn)操作性強(qiáng)；可根據(jù)設(shè)計(jì)者的意圖有目的的控制主要參變量不受其他因素的影響，針對性強(qiáng)，試驗(yàn)的可重復(fù)性好[7]。因此模型試驗(yàn)可以作為研究對拉錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要手段。

筆者自行設(shè)計(jì)并完成了對拉錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)的室內(nèi)模型試驗(yàn)。通過該模型試驗(yàn)，總結(jié)分析了對拉錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)支護(hù)樁樁身內(nèi)力、樁頂位移隨施工過程的變化規(guī)律，以及樁身和擋板后土壓力的分布規(guī)律，為后續(xù)的對拉錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)的理論研究和設(shè)計(jì)計(jì)算提供參考和依據(jù)。

1 模型試驗(yàn)

1.1 模型試驗(yàn)箱設(shè)計(jì)

本次模型試驗(yàn)在自行設(shè)計(jì)的模型箱內(nèi)進(jìn)行，模型箱的凈尺寸(長×寬×高)為：1 200 mm×1 000 mm×1 000 mm。箱體框架主要由4根角鋼作為立柱，相鄰立柱之間頂部和底部用角鋼進(jìn)行焊接連接。為了保證箱體的剛度，4個(gè)側(cè)面水平向之間每隔約15 cm焊接一道角鋼。模型箱的兩個(gè)側(cè)板材料為一塊 20 mm 厚防潮木板，試驗(yàn)前木板涂抹一層黃油。另外兩個(gè)開挖側(cè)的側(cè)板根據(jù)試驗(yàn)需要切割成不同高度，以便分層開挖時(shí)取土。兩側(cè)樁前開挖高度為800 mm，分3階開挖。兩側(cè)樁之間共設(shè)3階對拉錨索。模型試驗(yàn)的正立面、側(cè)立面見圖1。

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驼⒚妗?cè)立面Fig.1 Positive and side elevation of the test model

1.2 模型試驗(yàn)材料

根據(jù)相似原理，模型試驗(yàn)需滿足物理相似、幾何相似、應(yīng)力相似和荷載相似。模型試驗(yàn)的原型為重慶江北嘴某相鄰深基坑工程，本次室內(nèi)模型試驗(yàn)沒有嚴(yán)格地按相似率進(jìn)行，而是主要考慮幾何相似性(相似比尺為 10)，即為一次機(jī)制性的模型試驗(yàn)。

對拉錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)包括兩側(cè)支護(hù)樁、對拉錨索、樁間擋板等。模型試驗(yàn)中所選用材料綜合眾多模型試驗(yàn)[8-12]且結(jié)合本試驗(yàn)的內(nèi)容進(jìn)行選擇。

本次室內(nèi)模型試驗(yàn)采用不銹鋼管作為模型樁，鋼管壁厚 0.9 mm，截面尺寸為 50 mm×25 mm。模型樁每排3根，共6根。每根模型樁長為1 100 mm，設(shè)計(jì)懸臂段長800 mm，嵌固長度為200 mm，其頂端超出填料上表面100 mm，以便作為樁頂安放百分表的平臺，樁上預(yù)先加工留孔安放錨索。按照材料力學(xué)測量撓度的試驗(yàn)反算出模型樁抗彎剛度EI=8 566 N·m2。

試驗(yàn)所用擋料采用兩塊長1.0 m,高0.8 m,厚0.8 mm的鍍鋅鐵皮。

模擬錨索的材料選用直徑為2 mm,長為1 000 mm的鋼絲繩。鋼絲繩一端穿過一側(cè)樁上預(yù)先留設(shè)的孔利用鎖具鎖定于不銹鋼管樁上，鎖具和不銹鋼管之間安裝一個(gè)壓力傳感器，用來控制作用在錨索上的預(yù)加拉力，本次錨索預(yù)加拉力值為80 N。鋼絲繩的另一端穿過填料土固定于預(yù)先加工好留孔的100 mm長的螺桿上，螺桿穿過另一側(cè)樁上預(yù)留的錨孔，用螺帽固定在這一側(cè)的鋼管樁上。試驗(yàn)過程中通過擰緊螺帽來施加錨索上的預(yù)應(yīng)力。

模型試驗(yàn)選用嘉陵江河砂進(jìn)行試驗(yàn)，在填料的過程中層層填壓夯實(shí)。其中支護(hù)端的嵌固段用密實(shí)的碎石和砂混合材料嵌固。經(jīng)土工試驗(yàn)測試，測得河砂的物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)為：密度ρ=1 850 kg/m3,含水量W=10.2%，黏聚力c=0 kPa，內(nèi)摩擦角φ=28.7°。

1.3 測試內(nèi)容及方法

兩側(cè)支護(hù)樁身懸臂段彎矩通過在800 mm的懸臂高度內(nèi)對稱布置6對應(yīng)變片，分別編號為1～6和1’～6’、7～12和7’～12’，應(yīng)變片共計(jì)24片。應(yīng)變片尺寸為 2 mm×3 mm，電阻為 120 Ω，其靈敏系數(shù)為 2.0。樁身應(yīng)變片的布置如圖2。

圖2 樁身應(yīng)變片布置Fig.2 Position of strain gauge of model piles

樁身和擋板后土壓力通過在樁后和擋板后布置LY-350電阻應(yīng)變式微型土壓力計(jì)，其中兩側(cè)中間樁后各布置5個(gè)，兩側(cè)擋板后各布置9個(gè)，共計(jì)28個(gè)。土壓力計(jì)的布置如圖3。兩側(cè)中間樁樁頂位移通過在樁頂處安裝百分表測試，錨索預(yù)加拉力值通過壓力傳感器測試，其中土壓力計(jì)和百分表通過全橋連接方式、應(yīng)變片通過半橋連接方式連接到UCAM-60A應(yīng)變采集儀，通過儀器內(nèi)部的實(shí)時(shí)測量系統(tǒng)自動測量并及時(shí)輸出結(jié)果。

圖3 兩側(cè)樁身和擋板土壓力計(jì)布置Fig.3 Position of soil pressure gauges at both sides of model piles and baffle

1.4 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)開始之前，模型樁按設(shè)計(jì)要求安裝到指定位置，對拉錨索及測試儀器在填土?xí)r也安裝到相應(yīng)位置，其中錨索處于未張拉的狀態(tài)，填土層層壓密夯實(shí)至設(shè)計(jì)高度。模型試驗(yàn)開挖模型示意如圖4。

圖4 基坑開挖模型示意Fig.4 Model of foundation pit excavation

本次試驗(yàn)開挖支護(hù)實(shí)施的過程如表1。

表1 基坑開挖支護(hù)的實(shí)施過程

表1中每完成一步后，及時(shí)采集每個(gè)測試儀器的數(shù)據(jù)。試驗(yàn)中開挖支護(hù)完成情況見圖5。

圖5 試驗(yàn)中開挖、支護(hù)完成情況Fig.5 Completion condition of excavating and supporting in model test

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 支護(hù)樁樁身彎矩分析

兩側(cè)支護(hù)樁身在開挖過程中的彎矩分布如圖6，其中樁身彎矩以填土一側(cè)受拉為正。通過圖6可見，在未張拉錨索前，樁身的彎矩隨著懸臂的高度增加而增大,坡腳處達(dá)到最大。在施加對拉錨索預(yù)應(yīng)力后，兩側(cè)樁的最大彎矩有一定的減小，錨固點(diǎn)及樁身彎矩均有減少。繼續(xù)開挖，錨固點(diǎn)部位彎矩略有增加，而開挖部分坡腳部位彎矩值有較大幅度的增加。

圖6 基坑施工過程中D側(cè)樁和B側(cè)樁身彎矩變化曲線Fig.6 Bending moment curve acting on the D side pile and B side pile in the construction process of foundation pit

開挖支護(hù)施工過程中可以發(fā)現(xiàn)，在對拉錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)施工過程中，D側(cè)樁的樁身錨索張拉相對滯后，故在整個(gè)過程中其樁身彎矩值比B側(cè)樁大，最大彎矩比值約為1.5。同時(shí)在對拉錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)逆作法施工過程中，支護(hù)樁內(nèi)力隨著基坑開挖深度的變化而不斷發(fā)生變化，并不是一個(gè)定值。支護(hù)樁內(nèi)力最大值出現(xiàn)在基坑開挖到中下部時(shí)，在該施工過程中產(chǎn)生的最大內(nèi)力比支擋結(jié)構(gòu)施工完畢后的內(nèi)力大20%～25%。因此，對拉支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮到施工方案在某個(gè)施工過程中所產(chǎn)生的最大內(nèi)力，否則有可能會在施工過程中發(fā)生安全問題。

兩側(cè)支護(hù)樁樁身彎矩在支護(hù)結(jié)構(gòu)施工完成后分布規(guī)律如圖7。

圖7 施工完成時(shí)樁身彎矩曲線Fig.7 Bending moment curve of piles at the completion of foundation pit

樁身彎矩沿樁高分為正彎矩和負(fù)彎矩兩個(gè)區(qū)。在樁錨支護(hù)設(shè)計(jì)施工中樁身正負(fù)彎矩的絕對值差值越小對樁身的受力越有利。相比D樁，B樁開挖之后，錨索張拉及時(shí)，其樁身發(fā)生的變形相對較小，所以其樁身正負(fù)彎矩的最值都相對D樁小，D樁的彎矩最大值約為B樁的1.8倍。故對拉錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)施工時(shí)應(yīng)適當(dāng)控制兩側(cè)的開挖高度差。

2.2 支護(hù)樁樁頂位移分析

兩側(cè)中間支護(hù)樁樁頂位移在施工過程中的分布如圖8，位移以朝著開挖方向?yàn)檎?/p>

圖8 基坑施工過程中樁頂位移變化曲線Fig.8 Displacement change curves at the top of pile in the construction process of foundation pit

由圖8可見，在整個(gè)施工過程中，兩側(cè)樁的位移最大值為0.42，0.29 mm，位移值均較小。其中D側(cè)樁頂?shù)淖畲笪灰瓢l(fā)生在D側(cè)開挖兩階未張拉錨索的時(shí)候，B側(cè)樁的最大位移在其懸臂第1階開挖高度的時(shí)候。其后，第1階錨索的張拉一定程度上減少了兩側(cè)樁的樁頂位移。由于對拉錨索支護(hù)對兩側(cè)樁有著較強(qiáng)的約束作用，在后續(xù)的施工過程中，樁頂位移的增量也較少，較為平穩(wěn)。D側(cè)錨索支護(hù)相對滯后開挖，因此其樁頂位移也相對較大。在對拉錨索支護(hù)的實(shí)際施工過程中，應(yīng)盡量減少支護(hù)樁無錨索支護(hù)時(shí)的懸臂高度，及時(shí)張拉對拉錨索，同時(shí)應(yīng)盡量縮小兩側(cè)的開挖高差。

2.3 支護(hù)樁樁背土壓力分析

根據(jù)在樁后布置的土壓力計(jì)測得的數(shù)據(jù)，樁后土壓力的分布如圖9。

圖9 樁身土壓力分布曲線Fig.9 Soil pressure distribution curve of the pile

對拉錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)支護(hù)樁后的土壓力，與Rnakine土壓力理論的三角形分布模式存在顯著差異，呈現(xiàn)出明顯的非線性分布特征。其土壓力值介于主動土壓力和靜止土壓力之間，其中土壓力較大的一側(cè)，樁后土壓力實(shí)測合力值是朗肯理論值的1.27倍,是靜止土壓力的0.72倍。樁身上部高度內(nèi)隨著土層深度的增加，土壓力值增大，增幅較為明顯，但當(dāng)?shù)竭_(dá)一定的深度后土壓力值較為穩(wěn)定，增幅也較小。同時(shí)，在錨頭的位置，土壓力也存在一定的集中現(xiàn)象。

同時(shí)B側(cè)樁的土壓力值比D側(cè)樁的土壓力值整體上偏大。主要原因是試驗(yàn)方案中，D側(cè)作為先開挖一側(cè)，其樁身錨索支護(hù)的時(shí)機(jī)相對滯后，樁身處于弱約束的時(shí)間較大，而B側(cè)樁前土開挖之后錨索及時(shí)張拉，故樁土之間的位移也相對D側(cè)少，故其樁身的土壓力值也相對較大，其值也較為接近靜止土壓力值。對拉錨索支護(hù)中兩側(cè)樁由于錨索支護(hù)的相對時(shí)機(jī)不一致可造成其土壓力的分布不盡相同。

2.4 樁間擋板土壓力分析

根據(jù)整理樁間擋板后沿豎向布置的土壓力計(jì)測得的數(shù)據(jù)，擋板后沿豎向土壓力的分布如圖10。

圖10 擋板沿豎向土壓力分布曲線Fig.10 Soil pressure distribution curve of the baffle in vertical direction

由圖10可見，擋板后的土壓力分布與樁身土壓力分布大致規(guī)律一致，即上部高度隨著土層深度的增加，土壓力值增大，增幅較為明顯，但當(dāng)?shù)竭_(dá)一定的深度后土壓力值較為穩(wěn)定，增幅也較小。不同的是，樁身在錨頭處存在一定的應(yīng)力集中，其值相對較大；而在擋板中，為離錨頭較遠(yuǎn)處的位置處存在一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

在擋板結(jié)構(gòu)中部，樁土相對變形較大，土拱效應(yīng)相對較強(qiáng)；上部及下部，樁土相對變形較小，往往成拱效應(yīng)相對較弱，土拱作用范圍相對較小。測試結(jié)果進(jìn)而表明，擋板后土壓力為非均勻分布，表現(xiàn)為，上部及下部小而樁板中間部位土壓力較大。填料內(nèi)部豎向土拱的存在使土壓力在中間位置不再向下傳遞而直接向兩側(cè)傳遞到支護(hù)結(jié)構(gòu)上，故中部位置較大。

根據(jù)整理擋板后沿水平向布置的土壓力計(jì)測得的數(shù)據(jù)，擋板后沿水平向土壓力的分布如圖11。

圖11 D側(cè)和B側(cè)擋板沿水平向土壓力分布曲線Fig.11 Soil pressure distribution curve of the D side and B side baffle in horizontal direction

由圖11可見，土壓力分布曲線呈拋物線型。擋板離樁1/6跨度處的土壓力對跨中處而言，約為跨中土壓力的50%～60%，這與通常計(jì)算中采用的均布荷載有較大差別。進(jìn)一步分析可知，擋板中水平向的土拱效應(yīng)在沿豎向兩錨頭之間的高度處較為明顯。同樣是由于其距離錨頭較遠(yuǎn)，錨頭對其約束相對較弱，樁土之間的相對位移較大所致。同樣，D側(cè)由于支護(hù)相對滯后，樁土相對位移較B側(cè)大，故其擋板處水平向的土拱效應(yīng)也較為明顯。

3 結(jié) 論

通過對對拉錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)的室內(nèi)模型試驗(yàn)結(jié)果的對比分析，得到以下主要結(jié)論：

1)對拉錨索支護(hù)樁身彎矩沿樁高分為正負(fù)彎矩兩個(gè)區(qū)，兩側(cè)開挖支護(hù)施工工序的差異會造成樁身彎矩極值相差較大。支護(hù)樁內(nèi)力最大值出現(xiàn)在基坑開挖到中下部未施工錨索時(shí)，在該施工過程中產(chǎn)生的最大彎矩比支擋結(jié)構(gòu)施工完畢后的彎矩大20%～25%。

2)對拉錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)可以有效控制樁頂位移，錨索的張拉在一定程度上可以減少兩側(cè)樁的樁頂位移。在對拉錨索支護(hù)的實(shí)際施工過程中，應(yīng)盡量減少支護(hù)樁無錨索張拉時(shí)的懸臂高度，及時(shí)張拉對拉錨索。

3)對拉錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)支護(hù)樁后的土壓力，呈現(xiàn)出明顯的非線性分布特征，其土壓力值略小于靜止土壓力值。其中土壓力較大的一側(cè)，樁后土壓力實(shí)測合力值是朗肯理論值的1.27倍,是靜止土壓力的0.72倍。在錨頭的位置，土壓力存在一定的集中現(xiàn)象。對拉錨索支護(hù)中錨索兩端的樁由于開挖支護(hù)時(shí)機(jī)的不一致造成其土壓力的分布也不盡相同。

4)樁間擋板后沿豎向的土壓力離錨頭較遠(yuǎn)處有一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象，豎向土拱的存在使土壓力中部較大，故擋板后豎向土壓力為上部及下部小而樁板中間部位較大的非均勻分布。樁間擋板沿水平向的土壓力分布曲線呈拋物線型，擋板離樁1/6跨度處的土壓力約為跨中土壓力的50%～60%。

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Indoor Model Test of Pulling Anchor Supporting Structure

WU Shuguang1, 2, PENG Peng2,3, HAN Peiyu1, 2, ZHENG Huajing1, 2

(1. Key Laboratory of New Technology for Construction of Cities in Mountain Area of Ministry of Education, Chongqing University, Chongqing 400045, P.R.China; 2. School of Civil Engineering, Chongqing University, Chongqing 400045, P.R.China; 3. Changjiang Institute of Survey, Planning, Design and Research,Wuhan 430010,Hubei,P.R.China)

In view of little theoretical and experimental research on pulling anchor supporting structure currently, the indoor model test of the pulling anchor supporting structure was designed and completed independently. Analysis of the test results reveals that the maximum values of internal force of pile and the displacement at the top of the pile both appear in the construction process, rather than the completion of the construction. Different time of excavating and supporting has great influence on the internal force of pile and the distribution of soil pressure. The distribution characteristics of the internal force, the soil pressure and the soil pressure of the baffle in the pulling anchor supporting structure are concluded.

geotechnical engineering; pulling anchor; supporting pile; internal force of pile; soil pressure; adjacent deep foundation pit

2015-10-20；

2016-01-15

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(106112015CDJXY200006)；國家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAJ22806-04)

吳曙光(1975—)，男，浙江金華人，副教授，博士，主要從事巖土工程方面的研究。E-mail：wsg1975@163.com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.06.06

U453.4；TU43

A

1674-0696(2016)06-024-06