超前排樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的樁頂變形特性分析

劉一宏　袁超

摘 要：超前排樁錨組合支護(hù)體系作為一種新型支護(hù)結(jié)構(gòu)體系，多被應(yīng)用于土巖組合深基坑的支護(hù)中。本文依托某城市實(shí)際開(kāi)挖的大型深基坑工程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)該支護(hù)體系的變形特性進(jìn)行了探討，通過(guò)非線(xiàn)性模型最小二次估計(jì)，擬合出位移隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，為類(lèi)似工程提供參考。

關(guān)鍵詞：深基坑;超前樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu);變形

中圖分類(lèi)號(hào)：TU473.1? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2019）01-0052-03

1前言

超前排樁錨組合支護(hù)體系是在樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上優(yōu)化的一種支護(hù)方式，由于超前樁的施加可以使基坑分階支護(hù)，避免錨拉式樁板擋墻高度不宜大于25m的規(guī)定和支護(hù)樁入土深度過(guò)深造成的成本過(guò)大，同時(shí)可以使樁體和錨桿錨索組成的拉錨體系應(yīng)用于更深的基坑工程，具體的工法是：在邊坡或基坑開(kāi)挖前在地面上以人工挖孔或機(jī)械形成樁孔，下鋼筋籠并澆注混凝土形成樁身，然后開(kāi)挖基坑到預(yù)應(yīng)力錨桿或錨索位置時(shí)，制作錨桿或錨索應(yīng)用于土巖組合場(chǎng)地時(shí)，超前制作的樁體長(zhǎng)度小于基坑深度，略大于土層厚度[3]，當(dāng)開(kāi)挖到聯(lián)梁設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，開(kāi)始施工聯(lián)梁同時(shí)進(jìn)行下排樁的制作，待下排樁澆筑完成，再沿下排樁垂直分部開(kāi)挖，當(dāng)開(kāi)挖到基坑深度大于超前樁長(zhǎng)度后，會(huì)有兩種情況，第一種是超前樁的錨固段過(guò)短或前端巖土體過(guò)薄，此時(shí)樁也可以稱(chēng)為柱，發(fā)揮著與肋梁類(lèi)似的作用，第二種即是保留超前樁足夠的錨固段，樁體仍然發(fā)揮樁的作用。

2工程概況

本基坑工程位于城市中心地帶，周邊環(huán)境較為復(fù)雜，破壞后果極為嚴(yán)重，該建設(shè)場(chǎng)地分為地塊一、地塊二、地塊三，其上擬建7棟單體建筑，場(chǎng)區(qū)東側(cè)緊鄰公園，交通便利。此次分析針對(duì)地塊二擬開(kāi)挖基坑進(jìn)行。根據(jù)場(chǎng)地周邊現(xiàn)狀地面標(biāo)高及基坑開(kāi)挖標(biāo)高，基坑開(kāi)挖后北側(cè)將形成高34.3～38.3m的基坑邊坡，基坑南側(cè)將形成高27.5～30.4m的基坑邊坡，屬于超限基坑邊坡，該基坑邊坡為土巖組合邊坡。上層覆蓋層為雜填土與紅粘土，下層為強(qiáng)風(fēng)化白云巖與中風(fēng)化白云巖。該支護(hù)體系采用兩階支護(hù)，超前樁錨支護(hù)體系， 樁徑為1.5m，在臺(tái)階處采用三角形連梁與下階樁連接，基坑典型支護(hù)剖面圖見(jiàn)圖1。基坑邊坡北側(cè)既有建筑外輪廓線(xiàn)距離擬建建筑地下室外輪廓線(xiàn)距離約為15米，無(wú)放坡空間;基坑邊坡南側(cè)緊鄰瑞花巷道路，人員較為密集，生產(chǎn)生活活動(dòng)較為頻繁，地下管網(wǎng)較多，無(wú)放坡空間。

3監(jiān)測(cè)結(jié)果

為了解超前排樁錨支護(hù)體系的變形特性，在基坑的地塊二即包括超前樁布置范圍南北方向分別布置測(cè)點(diǎn)，在基坑超前樁冠梁布置44個(gè)測(cè)點(diǎn)（依次編號(hào)為N1，N6，...，N44），基坑監(jiān)測(cè)點(diǎn)見(jiàn)圖2。

3.1樁頂位移

3.1.1水平位移

南側(cè)超前樁頂部的各測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)時(shí)間與累計(jì)水平位移關(guān)系見(jiàn)圖3，N6為最大水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，最大位移量為26.3mm。南側(cè)測(cè)點(diǎn)最大累計(jì)水平位移值與時(shí)間關(guān)系如圖4。最大水平位移值同警戒值相比，警戒值均大于水平位移值。實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明該支護(hù)形式對(duì)樁頂水平位移的控制效果較好，能有效控制樁頂水平位移的發(fā)展。

3.1.2豎直位移

南側(cè)超前樁頂部各測(cè)點(diǎn)累豎向計(jì)位移與監(jiān)測(cè)時(shí)間關(guān)系見(jiàn)圖5，N6為最大豎直位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，最大位移量為豎直向下7.3mm。南側(cè)測(cè)點(diǎn)最大累計(jì)豎直位移值與時(shí)間關(guān)系如圖6。

數(shù)據(jù)采集時(shí)間南側(cè)從2015年11月到2017年1月，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果可知：

（1）超前樁樁頂位移2015年11月到2016年2月為緩慢增長(zhǎng)期，2月到6月增長(zhǎng)速率最快，6月以后增長(zhǎng)再次放緩，最后趨于平穩(wěn)并達(dá)到峰值。

（2）基坑開(kāi)挖至第四階前，是雜填土、紅黏土土層，分級(jí)施工有效控制了超前樁的位移量，當(dāng)開(kāi)挖到土巖結(jié)合面時(shí)也即第5階，超前樁樁頂?shù)奈灰谱兓俾书_(kāi)始增大，當(dāng)開(kāi)挖到基坑設(shè)計(jì)標(biāo)高后，樁頂位移達(dá)到最大值。

4實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合分析

4.1非線(xiàn)性模型最小二乘法估計(jì)

非線(xiàn)性回歸分析法是研究確定事物間關(guān)系的一種有效方法。最小二程法為一種優(yōu)化方法，通過(guò)數(shù)據(jù)誤差的最小平方和計(jì)算，求取最可能反應(yīng)實(shí)際情況的匹配函數(shù)。

對(duì)于樣本，通過(guò)關(guān)系式，得到數(shù)據(jù)，采用線(xiàn)性擬合，得到，根據(jù)最小二乘法原理：

假定一組與時(shí)間對(duì)應(yīng)的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，其中為各階段時(shí)間，為各時(shí)間對(duì)應(yīng)的變形位移，對(duì)數(shù)據(jù)采用多項(xiàng)式擬合?；貧w方程為：

式中n為多項(xiàng)式冪指數(shù)。越大擬合度越高，一般即滿(mǎn)足工程運(yùn)用需求。

公式為：

則為矩陣，求逆矩陣，則

利用上述方法，求出式中A的待定系數(shù)。

4.2超前樁頂部位移擬合

本工程基坑開(kāi)挖時(shí)間從2015年11月到2016年12月，總計(jì)410天，其中北側(cè)基坑監(jiān)測(cè)時(shí)間基本貫穿基坑施工全過(guò)程，變化到第8階后趨于平穩(wěn)，為了更直觀、較普遍地反應(yīng)基坑位移與監(jiān)測(cè)時(shí)間的變化關(guān)系，現(xiàn)將第1階段至第8階段監(jiān)測(cè)時(shí)間20等分，作為時(shí)間段變量，并將樁頂水平位移與時(shí)間段進(jìn)行擬合，得到擬合曲線(xiàn)如圖7。

由圖7擬合曲線(xiàn)，推導(dǎo)出水平位移與時(shí)間段經(jīng)驗(yàn)公式為：

由圖7可知二者相關(guān)系數(shù)為，表明二者擬合度較高。

由4.2章節(jié)同理分析基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部豎直位移與時(shí)間關(guān)系，將樁頂豎直位移與時(shí)間段進(jìn)行擬合，得到擬合曲線(xiàn)如圖8。

由圖8擬合曲線(xiàn)，推導(dǎo)出豎直位移與時(shí)間段經(jīng)驗(yàn)公式為：

二者相關(guān)系數(shù)為，表明二者擬合度較高。

綜上可知，對(duì)于實(shí)際工程中，利用經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)分別預(yù)測(cè)超前樁水平、豎直位移隨時(shí)間關(guān)系的變化趨勢(shì)，對(duì)工程中預(yù)報(bào)險(xiǎn)情、指導(dǎo)施工具有一定的實(shí)際意義。

5結(jié)論

（1）在對(duì)土巖結(jié)合基坑邊坡開(kāi)挖至超前樁樁底階段， 超前樁的受力特征類(lèi)似于樁錨體系，支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部的水平位移和豎向位移均較小，在開(kāi)挖至樁底以下以后，超前疏排樁底部前排部分巖體被挖除，端部約束部分減少，水平位移和豎向位移開(kāi)始增長(zhǎng)，在設(shè)計(jì)中應(yīng)預(yù)留足夠的錨固段前端巖土體。

（2）通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)可知，在開(kāi)挖至土巖結(jié)合面時(shí)，樁頂位移開(kāi)始較快增大，內(nèi)因是基坑邊坡部分錨索預(yù)應(yīng)力損失較大，錨索對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)水平約束作用減弱。外因是巖層爆破施工對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的不利影響。

（3）超前樁樁頂位移峰值發(fā)生在開(kāi)挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，并且受水、土壓力的影響，支護(hù)結(jié)構(gòu)變形不能立即收斂。隨著地下結(jié)構(gòu)的施加，變形逐漸趨于穩(wěn)定，變形收斂。

（4）基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合的經(jīng)驗(yàn)公式能在一定程度上反映超前樁位移隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，可為類(lèi)似地層條件下的支護(hù)結(jié)構(gòu)變形提供參考。

（5）在土巖組合地層中，采用超前樁錨支護(hù)體系，能較為有效地控制基坑位移，有利于安全施工。

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