樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)在深厚砂層基坑中的應(yīng)用分析

樂(lè)生煊，林禎杰，吳能森，莊鈴強(qiáng)

(福建農(nóng)林大學(xué) 交通與土木工程學(xué)院，福建 福州 350002)

隨著地下基礎(chǔ)建設(shè)研究的不斷深入，SMW工法的出現(xiàn)對(duì)于沿海地區(qū)地下空間開發(fā)與利用起到了重要的作用，具有支擋、止水、成本低、地下空間利用率高的優(yōu)點(diǎn)。單一打樁、噴錨等支護(hù)結(jié)構(gòu)已無(wú)法滿足深大基坑的建設(shè)要求，采用樁錨聯(lián)合支護(hù)在深開挖基坑的變形位移控制上有更好的效果。錨索與SMW工法樁結(jié)合使用，充分發(fā)揮了錨索支護(hù)不影響坑內(nèi)作業(yè)空間的優(yōu)勢(shì)，利用錨索反拉支撐作用，有效減小樁身位移變形，技術(shù)與經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)兼?zhèn)洹?/p>

對(duì)錨索與SMW工法樁聯(lián)合支護(hù)在軟土基坑中的應(yīng)用研究已經(jīng)取得了許多研究成果，如劉新榮等利用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與數(shù)值模型相結(jié)合的方法，分析了錨索預(yù)應(yīng)力在一次張拉和分布張拉不同方案下支護(hù)結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，研究表明采取分布張拉控制措施能有效提高圍護(hù)效果；樓春暉等針對(duì)某超長(zhǎng)基坑工程實(shí)例，對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行系統(tǒng)分析，表明將錨索與SMW工法樁聯(lián)合支護(hù)應(yīng)用于軟土基坑工程，限制變形效果良好；朱志鵬、吳斌等對(duì)不同地區(qū)軟土基坑工程，采用SMW工法樁+錨桿進(jìn)行支護(hù)，通過(guò)有限元建模分析，結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，均表明軟土基坑采用SMW工法樁與錨桿聯(lián)合支護(hù)，可以取得良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果?？墒牵谝苑擒浲翞橹鞯纳詈裆皩踊庸こ讨?，目前錨索與SMW工法樁聯(lián)合支護(hù)的研究較少。為此，依托福建濱海某深厚砂層深基坑工程，通過(guò)原位監(jiān)測(cè)和軟件模擬相結(jié)合的方式，對(duì)錨索與SMW工法樁聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用效果進(jìn)行研究分析。

1 工程概況

該工程項(xiàng)目位于福建省福州市高新區(qū)安置房小區(qū)，主體為7幢27層框剪結(jié)構(gòu)居民樓，擬建項(xiàng)目有兩層地下室，自然地面標(biāo)高為-0.800 m，負(fù)一層地下室樓面標(biāo)高為-5.500 m，負(fù)二層地下室的樓面標(biāo)高為-9.700 m，地下室結(jié)構(gòu)底面標(biāo)高為-10.400 m，地下室總開挖面積約34 400 m。基坑北側(cè)、西南側(cè)均與道路相鄰，路基埋有地下管線，東南側(cè)為12層已建住宅小區(qū)，基坑安全等級(jí)為一級(jí)。

1.1 場(chǎng)地工程地質(zhì)條件

根據(jù)勘察報(bào)告，場(chǎng)地土層自上而下分布如下：①粉質(zhì)黏土，成分以粘粒及粉粒為主，強(qiáng)度與韌性較好，層厚為0.9～3.4 m；②中砂，成分以石英-長(zhǎng)巖和石質(zhì)結(jié)構(gòu)為主，粒徑相對(duì)較大，場(chǎng)地分布普遍，且厚度大，層厚為12.1～20.6 m；③淤泥夾薄層細(xì)砂，成分以黏粒、粉粒為主，夾薄層粉細(xì)砂，層厚為1.65～6.8 m；④粉質(zhì)黏土，成分以黏粒、粉粒為主，含少量的黏土和砂，坡積成因，層厚為1.70～4.90 m。場(chǎng)地中砂層中富存大量潛水，穩(wěn)定水位埋深為3.40～3.90 m。各土層的物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

表1 土層物理力學(xué)指標(biāo)

圖1 基坑典型支護(hù)斷面

1.2 基坑支護(hù)方案

考慮本工程場(chǎng)地中砂層分布范圍廣且厚度較大，可以為錨索提供足夠的錨固力，且場(chǎng)地周邊相對(duì)開闊，為給地下室結(jié)構(gòu)施工提供充分的工作面，提高工效并節(jié)省基坑支護(hù)費(fèi)用，擬采用預(yù)應(yīng)力錨索配合SMW工法樁進(jìn)行基坑支護(hù)。

SMW工法樁的直徑為800 mm，搭接200 mm，以“插二跳一”的方式布置H型鋼水泥攪拌樁。錨索采用可拆卸式預(yù)應(yīng)力錨索，分別于標(biāo)高1.74 m、2.45 m、2.9 m安裝三道預(yù)應(yīng)力錨索，錨索預(yù)應(yīng)力皆為130 kN，錨孔向下的傾斜角為25°，三道錨索的自由段長(zhǎng)度自上至下分別為6 m、4 m、4 m，錨固段長(zhǎng)度分別為15 m、12 m、12 m。為節(jié)省支護(hù)結(jié)構(gòu)工程量，上部1.5 m做1∶1.0放坡，基坑的典型支護(hù)斷面如圖1所示。

2 建模分析

2.1 建模及開挖工況

越來(lái)越多專家學(xué)者通過(guò)有限元建模來(lái)解決大型深基坑開挖過(guò)程中遇到的各種情況，并在基坑工程領(lǐng)域取得了很大的成果。依據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況及開挖工序，通過(guò)有限元軟件建立三維模型可以對(duì)土體的水平位移、周邊的地表沉降、樁身的變形等情況進(jìn)行仿真分析。

根據(jù)本工程實(shí)際情況，取長(zhǎng)70m×寬12m×高50m建立基坑及支護(hù)的有限元模型。為簡(jiǎn)化模型，假定樁錨支護(hù)構(gòu)件為各向同性線彈性材料，依據(jù)等效剛度原理將SMW工法樁簡(jiǎn)化為0.57 m厚的連續(xù)墻，采用板、梁、植入式桁架三種單元分別建立SMW工法樁與素噴混凝土面層、冠梁與鋼圍檁、錨索，坡頂施工荷載取20 kPa?；佑邢拊Ｐ腿鐖D2所示。根據(jù)施工方案的數(shù)值模擬5個(gè)開挖工況如表2所示。

圖2 基坑有限元模型

表2 數(shù)值模擬開挖工況信息

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

(1)土體水平位移。各工況土體水平位移云圖如圖3所示。從圖3可見(jiàn)，在工況二至工況四時(shí)，坑壁土體的最大水平位移均在坑頂處，但當(dāng)基坑開挖到工況五后，坑壁中部土體水平位移最大，呈“鼓肚型”，土體水平位移峰值出現(xiàn)在基坑側(cè)壁6.1 m處，約為0.6倍開挖深度處，土體水平位移峰值為19.3 mm，小于允許限值30 mm。基坑開挖結(jié)束后，基坑水平位移峰值不再出現(xiàn)在坑頂，主要是由于樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)有效限制了上部土體水平位移的發(fā)展。

圖3 各工況土體水平位移云圖

(2)地表沉降。各工況土體豎向位移云圖如圖4所示，周邊地表沉降如圖5所示。從圖4、圖5可見(jiàn)，周邊地表沉降總體呈現(xiàn)出“勺狀”趨勢(shì)，在距離基坑20 m處沉降量趨于平穩(wěn)。當(dāng)工程開挖至基坑底部時(shí)，地表沉降對(duì)周圍土體的影響范圍約為2倍開挖時(shí)深度，距離基坑邊緣4.8 m處，出現(xiàn)地表沉降最大值為5.7 mm。地表沉降主要是由開挖導(dǎo)致的，沉降會(huì)引起周邊管線道路、建筑物土層發(fā)生擾動(dòng)，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

(3)樁身水平位移。各工況樁身水平位移如圖6所示。從圖6可見(jiàn)，各工況樁身水平位移曲線介于直線和拋物線形之間。工況三和工況四分別在-5.3 m和-8.4 m處安裝預(yù)應(yīng)力錨索和腰梁后，約束了開挖面處樁身水平位移，但受樁后土壓力的影響，樁頂處水平位移最大，分別為5.7 mm和10.3 mm，位移曲線特征與懸臂結(jié)構(gòu)類似。工況五開挖至樁頂下9 m處，即開挖至基坑底部，此時(shí)在樁頂下6.1 m處的樁身水平位移最大，達(dá)19.3 mm，而最小位移仍處于樁底。

圖4 各工況土體豎向位移云圖

圖5 周邊地表沉降 圖6 各工況樁身水平位移

圖7 工況五錨索拉力

(4)錨索拉力。工況五的錨索拉力曲線如圖7所示。從圖7可見(jiàn)，錨索拉力曲線呈“駝峰”狀，自錨固端開始，錨索拉力先沿著軸向距離逐漸增大，在錨固端與自由端交接處出現(xiàn)峰值，然后又沿著錨索末端逐漸減小。三道錨索的拉力呈上小下大分布，但差距不大，拉力峰值均達(dá)到160kN以上，說(shuō)明在深厚砂層基坑中，通過(guò)合理設(shè)置錨索錨固段長(zhǎng)度和預(yù)應(yīng)力大小，錨索能夠提供足夠的錨拉作用，進(jìn)而有效地限制基坑和支護(hù)結(jié)構(gòu)變形。

3 數(shù)值模擬與監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

本工程按規(guī)范開展深層土體水平位移(測(cè)斜)和錨索拉力監(jiān)測(cè)：①利用CX-3C測(cè)斜儀，在基坑坡頂，沿著基坑逆時(shí)針走向每隔30～50 m埋設(shè)1根測(cè)斜管，整個(gè)基坑共布設(shè)26個(gè)測(cè)點(diǎn)；②利用CTY-202頻率儀，在基坑工程內(nèi)部共埋設(shè)6個(gè)錨索計(jì)，對(duì)錨索拉力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)預(yù)警值：深層土體水平位移(測(cè)斜)累計(jì)值小于40 mm，且變化速率小于2 mm/d；錨索拉力為70%承載力設(shè)計(jì)值。

基坑典型斷面的第一道錨索(錨索1)的拉力最大值與樁頂水平最大值的模擬結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比情況如表3所示。其中的相對(duì)誤差和絕對(duì)偏差以監(jiān)測(cè)值為基準(zhǔn)計(jì)算。由表3可見(jiàn)，無(wú)論是錨索拉力還是樁身水平位移，模擬值與監(jiān)測(cè)值隨開挖工況的整體變化趨勢(shì)一致，且均在監(jiān)測(cè)預(yù)警值范圍內(nèi)；錨索1最大拉力相對(duì)誤差除工況二稍大外，其余工況均在±5%以內(nèi)；各工況下樁身最大水平位移的模擬值與監(jiān)測(cè)值的量級(jí)相同，絕對(duì)偏差基本控制在±3mm以內(nèi)，其中工況五樁身水平位移最大值不足監(jiān)測(cè)預(yù)警值一半，效果良好。

表3 模擬結(jié)果和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)福建濱海某深厚砂層基坑工程數(shù)值模擬并結(jié)合工程監(jiān)測(cè)分析，得到以下幾個(gè)結(jié)論：

(1)在深厚砂層的基坑工程中應(yīng)用錨索與SMW工法樁組合支護(hù)結(jié)構(gòu)，通過(guò)合理設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨索，能提供充足錨固力，可較好地滿足基坑穩(wěn)定、變形以及止水等要求，具有施工便利、工期短、綜合成本低等技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

(2)在基坑開挖過(guò)程中，隨著錨索預(yù)應(yīng)力的施加，坑壁土體和樁身的水平位移逐漸由“懸臂型”向“鼓肚型”發(fā)展，基坑開挖結(jié)束后其水平位移峰值約出現(xiàn)在0.6倍開挖深度處；基坑周邊的地表沉降曲線為“勺狀型”，地表沉降的影響范圍約為開挖深度的兩倍。

(3)錨索拉力曲線呈“駝峰”狀，在自由段和錨固段交接點(diǎn)處拉力最大。雖然三道錨索的拉力呈上小下大分布，但差距不大，拉力峰值均達(dá)到160 kN以上，錨索能夠提供足夠的錨拉作用，達(dá)到有效限制基坑和支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的效果。