無支撐前斜后直傾斜雙排樁支護監(jiān)測與分析*

余地華，田 野,2，張 濤，張松波，宋 志,2

(1.中建三局集團有限公司工程總承包公司，湖北 武漢 430064； 2.湖北中建三局建筑工程技術(shù)有限責任公司，湖北 武漢 430070)

0 引言

由于深基坑支護工程為臨時性工程，伴隨著基坑支護結(jié)構(gòu)越來越復雜、支護費用越來越高、支護對環(huán)境的影響越來越嚴重，基坑支護工程也帶來了巨大的資源浪費和環(huán)境破壞。為此，減少基坑支護工程費用的占比、提高基坑支護的綠色、節(jié)約化水平，提倡節(jié)約型新型無支撐或少支撐基坑支護技術(shù)意義重大。

近些年國內(nèi)進行了軟土中無支撐支護技術(shù)的嘗試[1]，鄭剛等提出新型的傾斜樁支護方法，無需水平支撐，用適當角度的傾斜單排樁代替豎直單排樁作為基坑支護結(jié)構(gòu)，從而能夠在相同條件下減小排樁的變形與內(nèi)力[1-4]。

基坑工程中因地層的差異性及周邊環(huán)境的復雜性，導致很多支護結(jié)構(gòu)的工作機理存在不確定因素[5-6]。為研究“前斜后直”傾斜樁在基坑開挖過程中的變形特性及內(nèi)力狀態(tài)，本文以工程實例為基礎(chǔ)，通過設置斜測儀、鋼筋應力計及應變計，采用自動實時監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測支護樁結(jié)構(gòu)內(nèi)力、位移等參數(shù)，并采用有限元方法進行數(shù)值分析，對比不同監(jiān)測方法以及計算值與監(jiān)測值間的差異，研究“前斜后直”雙排樁支護結(jié)構(gòu)的變形及受力特征，探討傾斜樁支護的設計方法，以期為傾斜樁基坑支護設計與施工提供一定的參考。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)條件

表1 地層巖土參數(shù)

1.2 基坑支護方案

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，基坑總體采用三面放坡及坡體加固，另一面采用前排傾斜樁+后排直樁的支護形式，本文主要針對“前斜后直”傾斜樁進行分析研究，支護剖面如圖1所示。前排傾斜樁傾斜15°，直徑1m，間距1.5m，樁長30m；后排直樁直徑1m，間距1.5m，樁長30m。傾斜樁和直樁中心間距3m，樁頂均設置1.2m×0.9m的冠梁，并通過0.9m×0.9m的連梁連接。

圖1 基坑支護典型剖面

2 監(jiān)測內(nèi)容及方法

2.1 監(jiān)測內(nèi)容

依據(jù)監(jiān)測目標及要求，確定本次監(jiān)測項目有：支護樁內(nèi)力、連梁內(nèi)力、深層水平位移。本次監(jiān)測針對特定斷面選擇兩幅共計4根支護樁。監(jiān)測前后樁水平位移、內(nèi)力與連梁內(nèi)力。所有監(jiān)測數(shù)據(jù)整合到同一個自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)內(nèi)，實時監(jiān)控基坑施工過程中支護樁內(nèi)力和支護結(jié)構(gòu)變形，為信息化施工提供數(shù)據(jù)支撐。

2.2 監(jiān)測方法

支護樁內(nèi)力監(jiān)測采用鋼筋計與應變計對比分析監(jiān)測。采用鋼筋計監(jiān)測換算步驟較多，易產(chǎn)生較大的誤差，而應變計施工干擾較大。為了能夠?qū)Ρ确治觯贸龈泳_的支護樁內(nèi)力，采用兩者結(jié)合監(jiān)測，對比分析。在ZX-15幅支護樁中采用鋼筋計監(jiān)測支護樁內(nèi)力及位移，在ZX-12支護樁中采用應變計監(jiān)測支護樁內(nèi)力及位移，對比分析兩種方法得到的監(jiān)測結(jié)果，連梁內(nèi)力采用鋼筋計監(jiān)測。

2.3 監(jiān)測點布設

2.3.1監(jiān)測斷面布設及布點數(shù)量

遠離基坑側(cè)的直樁在②2,③1，④2土層各布設2個監(jiān)測斷面，土層⑤布設1個監(jiān)測斷面，共計7個斷面，4根樁共計28個斷面?？拷觽?cè)的斜樁按4m斷面間距布設7個監(jiān)測斷面，4根樁共計28個斷面。監(jiān)測斷面設置埋深如表2所示，監(jiān)測點平面如圖2所示。

圖2 監(jiān)測點平面

表2 樁內(nèi)力監(jiān)測點埋深 m

2.3.2連梁內(nèi)力監(jiān)測點布設

連梁內(nèi)力監(jiān)測均采用鋼筋計，每根連梁布設8個內(nèi)力監(jiān)測點，埋設在同一斷面上，兩幅共2根連梁，共計16個監(jiān)測點。監(jiān)測斷面監(jiān)測點布設如圖3所示。

2.3.3深層水平位移監(jiān)測

測斜儀按1m間距埋入支護樁內(nèi)，每根樁共埋入30個測斜儀，兩幅共4根樁，總計埋入120個測點，如圖4所示。

圖4 支護結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測剖面

2.4 監(jiān)測設備安放

2.4.1鋼筋計布設

支護樁及連梁內(nèi)力通過鋼筋計進行監(jiān)測。安裝埋設時，將鋼筋按要求的尺寸裁截，然后將鋼筋計對接或?qū)冈阡摻钌?，并保證鋼筋計與鋼筋在同一軸線上，如圖5所示。鋼筋計直接布置在鋼筋籠的主筋上。安裝時應注意盡可能使鋼筋計處于不受力狀態(tài)，特別不應處于受彎狀態(tài)，將鋼筋計的導線逐段捆在臨近鋼筋上，引到外露的測試匣中，灌混凝土后，檢查鋼筋計的電阻值和絕緣情況，做好引出線和測試匣的保護措施。

圖5 鋼筋計安裝示意

2.4.2應變計布設

應變計采用一對不銹鋼管卡固定于2根主筋之間。安裝埋設時，保證應變計軸向與支護樁軸向平行。將應變計的導線逐段捆在臨近鋼筋上，引到外露的測試匣中，灌混凝土后，檢查應變計的電阻值和絕緣情況，做好引出線和測試匣的保護措施，如圖6所示。

圖6 應變計及安裝示意

2.4.3測斜儀布設

深層水平位移通過測斜儀進行監(jiān)測。本試驗使用的測斜儀為中巖科技RSM-CXY(M)微型測斜儀，埋設模式為一次性埋入測量單元，通過x,y,z三軸±180°同時測量，將無線數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，位移變化數(shù)值自動累加計算。

2.4.4導線的安裝及保護

所有埋入樁內(nèi)儀器設備的導線均就近捆綁于鋼筋上，向上牽引，并在距離樁頂3m左右處沿一個方向引出樁外,并在樁身的一個側(cè)面引出。導線引出樁外后，為防止施工過程中，特別是破樁時將導線損壞，所有導線集中于1根不銹鋼導管中，通過導管引出地面。

2.4.5自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

所采用的鋼筋計、應變計屬于振弦類傳感器，故采用振弦式多通道采集儀(RSM-FAS1032)進行數(shù)據(jù)采集上傳。微型測斜儀采用RSM-DAS(M)數(shù)碼控制器及配套設置器進行數(shù)據(jù)采集上傳。

2.4.6監(jiān)測云平臺數(shù)據(jù)管理及分析

通過武漢中巖測控研發(fā)的基坑自動化監(jiān)測系統(tǒng)，可在監(jiān)測云平臺遠程查看監(jiān)測數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行分析，設置自動預報警閾值及報警短信，在線編輯監(jiān)測報告，實現(xiàn)基坑24h實時監(jiān)測，確保基坑工程安全。

3 監(jiān)測結(jié)果分析

3.1 位移監(jiān)測

5月19日開挖至基坑并完成基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)施工，6月15日地下室局部回填。監(jiān)測系統(tǒng)獲取的2組前排傾斜樁及后排直樁的樁身位移如圖7所示。

圖7 支護樁監(jiān)測位移

1)支護樁樁身最大位移總體發(fā)生在樁頂向下的位置，其中隨時間推移或開挖深度增加，樁身最大位移下移趨勢明顯，且傾斜樁相比直樁表現(xiàn)出樁身最大位移下移更明顯，說明傾斜樁表現(xiàn)出一定斜撐效應[4]。

2)12號斜樁樁身最大位移為59.14mm，位于樁頂向下約6m；12號直樁樁身最大位移為41.20mm，位于樁頂向下約1m；15號斜樁樁身最大位移為56.33mm，位于樁頂向下約5m；15號直樁樁身最大位移為43.25mm，位于樁頂向下約3m，斜樁位移略大于直樁位移，且斜樁最大位移位置相比直樁離樁頂更遠。監(jiān)測結(jié)果基本滿足結(jié)構(gòu)安全要求，且采用鋼筋計和應變計監(jiān)測結(jié)果差異并不顯明。

3.2 內(nèi)力監(jiān)測

監(jiān)測系統(tǒng)獲取的2組前排傾斜樁及后排直樁開挖至基底工況下的樁身彎矩如圖8所示。

圖8 監(jiān)測斷面樁身彎矩

1)直樁與傾斜樁樁身彎矩總體一致，即上部分彎矩和下部分彎矩相反，這一變化趨勢與傳統(tǒng)垂直雙排樁一致。

2)15號前排斜樁及后排直樁樁身彎矩均大于12號前排斜樁及后排直樁，可能是由于監(jiān)測點位的差異，也可能是采用鋼筋計監(jiān)測要大于應變計監(jiān)測結(jié)果的原因。同時，傾斜樁樁身彎矩要顯著大于直立樁樁身彎矩。在工程設計中，直樁與斜樁配筋可進行區(qū)分。

12號與15號前斜后直雙排樁中間連梁監(jiān)測斷面彎矩如圖9所示。2幅連梁彎矩相差較大，連梁彎矩最大值≤300kN·m，均出現(xiàn)在基坑開挖至基底后。

圖9 監(jiān)測斷面連梁彎矩

4 數(shù)值計算分析

選取斜樁計算剖面，采用Midas GTS NX有限元計算軟件，按二維平面應變考慮，模型寬度取整體基坑寬度(見圖10)，寬度為130m，高度取6倍基坑開挖深度，高70m。支護地面考慮超載20kPa，除頂面外，其他三面邊界條件設置約束，模型計算方法為修正莫爾-庫侖模型，土體卸載模量對于填土和一般黏性土取3～5倍彈性模量，支護樁、連梁、冠梁等結(jié)構(gòu)單元數(shù)據(jù)參照GB50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》選取。巖土物理力學參數(shù)由勘察報告選取(見表1)。

圖10 有限元模型

4.1 位移結(jié)果分析

分別計算前排斜樁和后排直樁在開挖深度2，4，6，8，10m條件下位移變化，計算結(jié)果如圖11所示。

圖11 位移計算結(jié)果

1)在相同支護深度，位移隨開挖深度的加深而增大，在同一開挖深度，位移隨支護深度的加深先減少后增大，在支護深度為6～10m時達到最大。前排傾斜樁和后排直樁的位移最大分別為39.090mm和36.585mm。

2)計算得到的前排傾斜樁與后排直樁位移形態(tài)相近，而在監(jiān)測中，直樁與斜樁位移形態(tài)存在一定差異，相比斜樁，直樁更傾向懸臂樁位移形態(tài)，計算樁身位移相比實測結(jié)果表現(xiàn)出更強的斜撐效應，并隨開挖深度的加深更加明顯。實測位移量相比計算值略大。

3)計算顯示，“前斜后直”傾斜樁中前排斜樁與后排直樁樁端均產(chǎn)生一定側(cè)移，并隨開挖深度的加深更加明顯，位移量約為6～10mm，前排斜樁與后排直樁均產(chǎn)生了朝向基坑的運動趨勢，二者形成聯(lián)動整體。對比監(jiān)測結(jié)果，樁端位移量約為3～5mm，側(cè)移并不十分明顯，可能由于樁的入土深度較大，被動區(qū)抗力阻擋了樁端位移。工程設計中應注意傾斜樁樁端位移對結(jié)構(gòu)安全的影響，并宜確保足夠的嵌固深度。

4.2 內(nèi)力分析

通過數(shù)值計算，得到開挖深度為8，10m時前排斜樁及后排直樁樁身彎矩情況，如圖12所示。

圖12 計算樁身彎矩

1)與監(jiān)測結(jié)果類似，前排斜樁與后排直樁樁身彎矩相近，并隨開挖深度加深，彎矩先增大后減小。計算樁身彎矩隨深度變化形態(tài)與監(jiān)測結(jié)果相近，計算彎矩值大于監(jiān)測值，且斜樁彎矩大于直樁彎矩，計算反彎點要小于監(jiān)測反彎點位置。

2)在基坑開挖8～10m過程中，樁身彎矩表現(xiàn)出明顯增大，對比監(jiān)測位移與實測位移值，均在基坑開挖8～10m時，位移數(shù)據(jù)明顯增大，說明基坑挖深超過8m時，支護體系內(nèi)力及位移對挖深更敏感，支護結(jié)構(gòu)更接受安全開挖深度。

有限元計算得到的前排斜樁與后排直樁連梁彎矩如圖13所示。計算表明，梁身呈正負彎矩形態(tài)，連梁對前后排樁的位移控制發(fā)揮了比較好的協(xié)同效應，其彎矩最大值與監(jiān)測結(jié)果較接近。

圖13 計算連梁彎矩

通過有限元方法對“前斜后直”傾斜樁支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力及位移的計算，表明監(jiān)測結(jié)果較好地驗證了理論計算，為施工提供了技術(shù)支撐和安全保障，達到了基坑工程安全控制的目的。

5 結(jié)語

采用自動化實時監(jiān)測系統(tǒng)平臺，通過設置鋼筋計和應力計進行“前斜后直”無支護傾斜樁支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移監(jiān)測，并經(jīng)有限元數(shù)值計算結(jié)果對比，檢驗監(jiān)測值與計算值差異，探討“前斜后直”傾斜樁支護結(jié)構(gòu)的有效性，經(jīng)研究得出如下結(jié)論。

1)“前斜后直”傾斜雙排樁樁身最大位移總體發(fā)生在樁頂向下的位置，隨時間推移或開挖深度加大，樁身最大位移下移趨勢明顯，其斜撐效應也更顯著。

2)計算得到的前排傾斜樁與后排直樁位移形態(tài)相近，計算樁身位移相比實測結(jié)果表現(xiàn)出更強的斜撐效應，并隨開挖深度的加深更加明顯。監(jiān)測位移量相比計算值更大。監(jiān)測結(jié)果基本滿足結(jié)構(gòu)安全要求，且采用鋼筋計和應變計監(jiān)測結(jié)果差異并不顯明。

3)監(jiān)測及計算結(jié)果表明，直樁與傾斜樁樁身上部分彎矩和下部分彎矩相反。計算彎矩值略大于監(jiān)測值，且斜樁彎矩大于直樁彎矩。

4)通過有限元方法對“前斜后直”傾斜樁支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力及位移的計算，并與監(jiān)測結(jié)果進行對比，表明監(jiān)測結(jié)果較好地驗證了理論計算，達到了比較好的工程效果。