預(yù)應(yīng)力錨桿微型樁預(yù)支護(hù)深基坑模型試驗(yàn)研究

劉 川， 劉雪玲， 門玉明， 楊 通

（長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，西安 710064）

近年來我國城市化進(jìn)程加快，城市人口劇增，而我國現(xiàn)有的城市土地有限，于是很多城市的新建樓房都趨于高層建筑，導(dǎo)致產(chǎn)生了很多深基坑，進(jìn)而促進(jìn)了我國深基坑支護(hù)技術(shù)的發(fā)展［1-2］.

近年來，微型樁技術(shù)在中小型滑坡防治［3］、公路邊坡支護(hù)［4］以及深基坑的臨時(shí)支護(hù)［5］中的應(yīng)用越來越廣泛.由于微型樁支護(hù)體系具有可承受較大水平作用力［6］、變形小、支護(hù)空間節(jié)約、材料及設(shè)備要求低、安全環(huán)保、經(jīng)濟(jì)可行等優(yōu)點(diǎn)，因此其在深基坑工程中的應(yīng)用也非常廣泛.近年來有一些學(xué)者對微型樁支護(hù)和錨桿微型樁支護(hù)進(jìn)行了研究.丁光文［7］結(jié)合工程實(shí)例提出了微型樁治理滑坡的設(shè)計(jì)步驟，闡述了微型樁的計(jì)算方法.辛建平等［8-9］為了得到土質(zhì)邊坡中微型抗滑樁的破壞機(jī)制及邊坡的破壞模式，通過大型物理模型試驗(yàn)對單排與三排微型抗滑樁加固黏性土邊坡進(jìn)行了研究，并通過有限差分程序FLAC3D對同一排內(nèi)均勻布置的樁心配筋微型樁進(jìn)行了數(shù)值模擬.Cantoni等［10］將滑坡治理結(jié)構(gòu)等效為微型樁群樁，進(jìn)而提出了一套設(shè)計(jì)計(jì)算方案.閆金凱等［11］通過模型試驗(yàn)研究了微型樁的單樁和群樁在治理階段的受力及位移特征.王鵬等［12-13］通過深基坑微型樁支護(hù)物理模型試驗(yàn)，結(jié)合有限元數(shù)值模擬計(jì)算及理論分析，研究了深基坑開挖和周邊加載過程中微型樁的力學(xué)響應(yīng)及破壞特征，為微型樁技術(shù)在深基坑工程中的應(yīng)用提供了參考.滕海軍和劉偉［14］以微型鋼管樁作為排樁，采用彈性支點(diǎn)法對樁身內(nèi)力、位移控制、截面選擇等進(jìn)行了分析.董建華和莊超［15］提出了框架預(yù)應(yīng)力錨桿微型鋼管樁聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)，并分析了此聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力機(jī)理.劉韶華［16］對復(fù)合土釘墻基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)體系中各個(gè)組成部件的受力及變形情況進(jìn)行了模擬分析.楊向前［17］對微型樁預(yù)應(yīng)力錨桿復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一系列數(shù)值模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該支護(hù)結(jié)構(gòu)對于深基坑的支護(hù)效果明顯.宋廣等［18］采用三維非線性有限元模擬了單純土釘支護(hù)和微樁復(fù)合土釘支護(hù)在施工過程中的作用.焦廣瑩［19］對深基坑錨索與微型鋼管樁聯(lián)合支護(hù)進(jìn)行了數(shù)值模擬并分析了其變形情況.閆富有等［20］結(jié)合鄭州某一基坑工程項(xiàng)目，根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)分析了土釘和錨桿軸力隨基坑開挖的變化規(guī)律，同時(shí)運(yùn)用FLAC3D軟件對開挖支護(hù)施工過程進(jìn)行了三維動(dòng)態(tài)模擬分析，結(jié)果表明微型樁能有效控制基坑的穩(wěn)定性與變形并能改善土釘和錨桿的受力狀態(tài).結(jié)合工程概況，封磊［21］對微型樁加錨索組合支護(hù)方案的設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹，并對微型樁加錨索的施工工藝與現(xiàn)場監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行了分析.

目前，雖然關(guān)于微型樁在深基坑工程中的預(yù)支護(hù)應(yīng)用的研究已有很多，但是關(guān)于預(yù)應(yīng)力錨桿微型樁聯(lián)合支護(hù)體系在深基坑工程中的研究還相對較少.為將預(yù)應(yīng)力錨桿微型樁技術(shù)廣泛應(yīng)用于深基坑工程中，本研究通過模型試驗(yàn)研究了預(yù)應(yīng)力錨桿微型樁聯(lián)合支護(hù)體系預(yù)支護(hù)深基坑時(shí)各結(jié)構(gòu)的位移、土體壓力、彎矩以及破壞特征.本研究可為深基坑工程預(yù)支護(hù)設(shè)計(jì)提供參考.

1 試驗(yàn)方案

1.1 相似關(guān)系與模型設(shè)計(jì)

在模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)過程中，微型樁的長度和彈性模量為基本物理量，相似比分別定為5 和3.其他相關(guān)物理量的相似比根據(jù)p 項(xiàng)式和相似準(zhǔn)則方程計(jì)算，表1 即為本次模型試驗(yàn)中各物理量的相似關(guān)系.

表1 模型試驗(yàn)中各物理量的相似關(guān)系及其取值Fig.1 Similarity relationship and value of each physical quantity in model test

模型的尺寸為：長400 cm、寬240 cm、高400 cm，內(nèi)壁鋪設(shè)塑料薄膜以減小摩擦.微型樁采用直徑5 cm、長300 cm 的鋁管灌注樁，填充的漿體為石膏與水等比混合的漿液.樁體埋入深基坑前先通過抗彎試驗(yàn)測試了樁體的抗彎性能，結(jié)果顯示樁體的抗彎性能符合相似理論的要求.連系梁采用方形鋼管，預(yù)應(yīng)力錨桿筋材采用直徑為0.8 cm的鋁桿，錨桿長300 cm，傾角為20°，施加預(yù)應(yīng)力3 kN，灌注的砂漿為M20砂漿.試驗(yàn)中的土體均采用黃土分層填夯，夯實(shí)后的重度為18.52 kN/m3，黏聚力為37 kPa，內(nèi)摩擦角為26°.模型試驗(yàn)的平面布置如圖1（a）所示，現(xiàn)場圖如圖1（b）所示.

圖1 模型試驗(yàn)的平面示意圖及現(xiàn)場圖Fig.1 Plan schematic diagram and field diagram of model test

1.2 開挖方式

深基坑開挖設(shè)計(jì)深度為200 cm，每級開挖40 cm，數(shù)據(jù)穩(wěn)定后繼續(xù)開挖，直至開挖至設(shè)計(jì)深度.

1.3 測試系統(tǒng)

試驗(yàn)中采用位移計(jì)、土壓力盒、應(yīng)變片等測量工具對深基坑土體和預(yù)應(yīng)力錨桿微型樁聯(lián)合支護(hù)體系（簡稱聯(lián)合支護(hù)體系）的位移、土體壓力以及彎矩進(jìn)行量測，具體如下：

聯(lián)合支護(hù)體系的位移通過YHD-100位移計(jì)測量，深基坑地表土體位移、樁體位移通過在深基坑地表、樁頂布設(shè)的位移計(jì)測量，如圖1（a）所示.

采用SZZX-EXX 型土壓力盒測量土體壓力，并采用對應(yīng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，具體如下：在樁體兩側(cè)布設(shè)土壓力盒以測試樁體前后的深基坑土體壓力，土壓力盒埋設(shè)位置及方式如圖1（a）所示.

采用BX120-5AA電阻應(yīng)變片測量樁身的應(yīng)變，微型樁樁頂留出10 cm的區(qū)域，在此之下每隔20 cm對稱地在樁身附近布置一對應(yīng)變片用以測試微型樁的應(yīng)變數(shù)據(jù)，并在深基坑底面適當(dāng)加密布置，然后根據(jù)微型樁的應(yīng)變數(shù)據(jù)即可獲得微型樁的彎矩.

需要說明的是，王鵬［12］的研究中采用的是未加預(yù)應(yīng)力錨桿的微型樁預(yù)支護(hù)深基坑模型，且其余所有的試驗(yàn)條件均與本研究中的試驗(yàn)條件相同，故本研究通過與王鵬［12］的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比來分析添加預(yù)應(yīng)力錨桿和未添加預(yù)應(yīng)力錨桿的微型樁在預(yù)支護(hù)深基坑時(shí)有何不同.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 樁頂及深基坑地表的沉降分析

圖2為深基坑開挖過程中樁頂?shù)某两登€.由圖2可知：在開挖的初期，樁頂沉降可以忽略不計(jì)；當(dāng)開挖深度為80 cm時(shí)，樁頂最大沉降達(dá)到0.3 cm；當(dāng)開挖深度超過120 cm 時(shí)，樁頂沉降呈增長趨勢；當(dāng)開挖達(dá)到設(shè)計(jì)深度（200 cm）時(shí)，樁頂最大沉降約為0.6 cm.根據(jù)王鵬［12］的研究可知，未加預(yù)應(yīng)力錨桿的微型樁預(yù)支護(hù)深基坑時(shí)，樁頂?shù)淖畲蟪两禐?.7 cm，大于0.6 cm，且樁頂沉降的變化幅度更大.

圖2 深基坑開挖過程中樁頂?shù)某两登€Fig.2 Settlement curve of pile top during excavation of the deep foundation pit

開挖過程中深基坑地表的沉降曲線如圖3 所示.分析圖3 中各測點(diǎn)的沉降曲線可知，深基坑地表沉降隨開挖深度的增加而增加，1號測點(diǎn)的沉降最大且增加速率最大，這是由于1號測點(diǎn)靠近深基坑上緣，土體壓力作用于樁體后，導(dǎo)致樁體發(fā)生側(cè)向位移，于是靠近樁身的土體更容易發(fā)生位移，從而使得1號測點(diǎn)的沉降最大且增加速率最大.與未加預(yù)應(yīng)力錨桿的微型樁預(yù)支護(hù)深基坑的試驗(yàn)結(jié)果［12］對比可知，用聯(lián)合支護(hù)體系預(yù)支護(hù)深基坑時(shí)，深基坑地表的最大沉降較小且沉降增加速率相對較小，說明在深基坑開挖過程中，聯(lián)合支護(hù)體系可減少基坑地表的最大沉降以及變化幅度，減弱土體沿著潛在破壞面破壞的趨勢，從而可保障開挖過程中深基坑的穩(wěn)定，由此可證明預(yù)應(yīng)力錨桿在聯(lián)合支護(hù)體系中發(fā)揮了重要作用.

圖3 深基坑開挖過程中深基坑地表的沉降曲線Fig.3 Settlement curve of deep foundation pit surface during excavation of the deep foundation pit

2.2 樁周土體壓力分析

為探究樁體兩側(cè)土體壓力的變化規(guī)律，試驗(yàn)中在1、3、5號樁兩側(cè)布設(shè)土壓力盒以獲取土體壓力數(shù)據(jù).由于獲得的1、3、5號樁的土體壓力曲線規(guī)律類似，因此本文僅對1號樁的土體壓力進(jìn)行分析.規(guī)定樁后側(cè)為深基坑地表，樁前側(cè)為開挖區(qū).

圖4（a）為1號樁后側(cè)（深基坑地表）土體壓力曲線.由圖4（a）可以看出：隨著開挖深度的增加，在同一深度處的土體壓力隨之增加，并且在開挖深度為40 cm時(shí)，各個(gè)深度處的土體壓力達(dá)到最大；在50 cm深度附近各個(gè)開挖深度的樁后側(cè)（深基坑地表）土體壓力均為負(fù)值，其原因是頂部土體向開挖方向發(fā)生了位移變形，導(dǎo)致土壓力盒脫空；在50 cm深度以下的樁后側(cè)（深基坑地表）的土體壓力呈三角形分布，且在靠近深基坑底面處達(dá)到最大，此后在深基坑底面處銳減，這是因?yàn)闃扼w和土體的剛度不同，出現(xiàn)了樁、土分離現(xiàn)象，此時(shí)樁體對土體的約束減弱，從而導(dǎo)致土體壓力銳減.與未加預(yù)應(yīng)力錨桿的微型樁預(yù)支護(hù)深基坑的試驗(yàn)結(jié)果［12］進(jìn)行對比可知，聯(lián)合支護(hù)體系預(yù)支護(hù)的深基坑的樁后側(cè)（深基坑地表）土體壓力的最大值為15 kPa，而未加預(yù)應(yīng)力錨桿的微型樁預(yù)支護(hù)的深基坑的樁后側(cè)（深基坑地表）土體壓力最大值為8 kPa；開挖到200 cm時(shí)，聯(lián)合支護(hù)體系預(yù)支護(hù)的深基坑底面處的土體壓力為5 kPa，而未加預(yù)應(yīng)力錨桿的微型樁預(yù)支護(hù)的深基坑底面處的土體壓力為8 kPa.以上結(jié)果說明，在深基坑開挖過程中，聯(lián)合支護(hù)體系可減弱深基坑底面的土體壓力，減少該處土體破壞的可能，從而可保障開挖過程中深基坑的穩(wěn)定性，由此可證明預(yù)應(yīng)力錨桿在聯(lián)合支護(hù)體系中發(fā)揮了重要作用.

圖4（b）為1號樁前側(cè)（開挖區(qū)）土體壓力曲線.從圖4（b）中可以看出：各個(gè)開挖深度下，樁前側(cè)（開挖區(qū)）土體壓力均隨深度的增加而增加；同一深度處同一測點(diǎn)的樁前側(cè)（開挖區(qū)）土體壓力均隨開挖深度的增加而增加，這與未加預(yù)應(yīng)力錨桿的樁前側(cè)（開挖區(qū)）土體壓力的分布規(guī)律［12］完全相反.同時(shí)通過對比發(fā)現(xiàn)，未加預(yù)應(yīng)力錨桿組在各個(gè)開挖深度下，樁前側(cè)（開挖區(qū)）土體壓力均隨深度的增加呈先減小后增加的趨勢.以上結(jié)果說明，在深基坑開挖過程中，聯(lián)合支護(hù)體系可使樁前側(cè)土體壓力分布更均勻，從而可保障開挖過程中深基坑的穩(wěn)定性，由此可證明預(yù)應(yīng)力錨桿在聯(lián)合支護(hù)體系中發(fā)揮了重要作用.

2.3 樁體彎矩分析

根據(jù)本文1.3小節(jié)中的方法可得到微型樁的應(yīng)變數(shù)據(jù)，然后根據(jù)式（1）可求得樁體各部位的彎矩值.

式中：M為樁身彎矩，N·m；E為樁體的彈性模量，Pa；I為樁體慣性矩，可通過式（2）求得；ε-和ε+分別為各個(gè)深度（即樁身應(yīng)變片的埋藏深度）的對稱應(yīng)變數(shù)據(jù)；h為同一截面處拉壓應(yīng)變的測點(diǎn)間距，對樁體來說即為直徑5 cm.

將樁體不同部位前后對稱側(cè)的應(yīng)變值代入式（1）即可求得微型樁各部位的彎矩值，結(jié)果如圖5所示.從圖5 中可以看出：開挖過程中樁體彎矩均在25～50 cm 深度處出現(xiàn)了拐點(diǎn)，與預(yù)應(yīng)力錨桿的位置相近；當(dāng)開挖到設(shè)計(jì)深度（200 cm）時(shí)，樁身最大負(fù)彎矩約為-48 N·m，出現(xiàn)在錨桿附近，最大正彎矩約為57 N·m，出現(xiàn)在深基坑底面附近；隨著開挖深度的增加，樁體受到的剪切作用加強(qiáng)，作用點(diǎn)發(fā)生變化.與未加預(yù)應(yīng)力錨桿的微型樁預(yù)支護(hù)深基坑的試驗(yàn)結(jié)果［12］進(jìn)行對比可知，未加預(yù)應(yīng)力錨桿的微型樁樁身的最大負(fù)彎矩約為-6000 N·m，遠(yuǎn)小于聯(lián)合支護(hù)體系中樁身的最大負(fù)彎矩，未加預(yù)應(yīng)力錨桿的微型樁樁身的最大正彎矩約為8000 N·m，遠(yuǎn)大于聯(lián)合支護(hù)體系中樁身的最大正彎矩，聯(lián)合支護(hù)體系中樁身彎矩的變化曲線呈現(xiàn)“S”形分布，曲線的波動(dòng)比未加預(yù)應(yīng)力錨桿的微型樁樁身的彎矩曲線小，樁體的穩(wěn)定性有所增加，說明預(yù)應(yīng)力錨桿在聯(lián)合支護(hù)體系中的作用明顯，在深基坑開挖過程中，聯(lián)合支護(hù)體系可減弱樁身受到的剪切破壞作用，增強(qiáng)深基坑的預(yù)支護(hù)效果.

圖5 深基坑開挖過程中樁身各部位的彎矩Fig.5 Bending moment of each part of the pile body during deep foundation pit excavation

2.4 深基坑土體破壞特征分析

圖6為開挖結(jié)束時(shí)的現(xiàn)場圖，在開挖過程中可以觀察到隨著開挖深度的加深，深基坑頂部可看到有少量縱向裂縫產(chǎn)生，但并未貫通，樁體附近土體完整、無土塊脫落，樁體有細(xì)微彎曲.而未加預(yù)應(yīng)力錨桿的微型樁預(yù)支護(hù)深基坑的試驗(yàn)結(jié)果［12］顯示，在開挖過程中，隨著開挖深度的加深，深基坑頂部可看到有數(shù)條縱向裂縫產(chǎn)生，其中少量已貫通，樁體附近有土塊脫落，樁體有彎曲.由此可知，預(yù)應(yīng)力錨桿在聯(lián)合支護(hù)體系中發(fā)揮了重要作用，用聯(lián)合支護(hù)體系預(yù)支護(hù)深基坑時(shí)，可削弱深基坑土體的破壞，進(jìn)而可保障預(yù)支護(hù)體系及深基坑工程的安全和穩(wěn)定.

圖6 開挖結(jié)束時(shí)的現(xiàn)場圖Fig.6 Scene diagram at the end of the excavation

3 結(jié)論

通過模型試驗(yàn)研究了采用預(yù)應(yīng)力錨桿微型樁聯(lián)合支護(hù)體系預(yù)支護(hù)的深基坑在開挖過程中的樁身及深基坑土體的位移和受力情況，并與未加預(yù)應(yīng)力錨桿的微型樁預(yù)支護(hù)的深基坑試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比，主要得出以下結(jié)論：

1）開挖過程中，樁體有局部的位移，有可能是樁后側(cè)（深基坑地表）土體的擠壓以及連系梁的轉(zhuǎn)動(dòng)引起的.隨著開挖深度的增加，深基坑地表沉降隨之增加，這一趨勢與未加預(yù)應(yīng)力錨桿的微型樁預(yù)支護(hù)深基坑的試驗(yàn)結(jié)果一致.與未加預(yù)應(yīng)力錨桿的微型樁預(yù)支護(hù)深基坑的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比可以發(fā)現(xiàn)，聯(lián)合支護(hù)體系預(yù)支護(hù)的深基坑的地表沉降較小，沉降增加的趨勢減緩，說明預(yù)應(yīng)力錨桿在聯(lián)合支護(hù)體系中發(fā)揮了重要作用，聯(lián)合支護(hù)體系對樁頂和深基坑地表土體的沉降有較好的控制作用.

2）在各個(gè)開挖深度下，樁后側(cè)（深基坑地表）土體壓力均隨深度的增加而呈復(fù)雜的變化，且分別在錨桿處、深基坑底面附近出現(xiàn)拐點(diǎn).在各個(gè)開挖深度下，樁前側(cè)（開挖區(qū)）土體壓力均隨深度的增加而增加.與未加預(yù)應(yīng)力錨桿的微型樁預(yù)支護(hù)深基坑的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比可以發(fā)現(xiàn)，采用聯(lián)合支護(hù)體系預(yù)支護(hù)深基坑后，樁后側(cè)（深基坑地表）土體壓力較大，曲線的拐點(diǎn)發(fā)生變化，且在開挖面以上的變化趨勢更加平緩，樁前側(cè)（開挖區(qū)）土體壓力的變化趨勢與未加預(yù)應(yīng)力錨桿的微型樁預(yù)支護(hù)深基坑的試驗(yàn)結(jié)果相反，說明預(yù)應(yīng)力錨桿在聯(lián)合支護(hù)體系中發(fā)揮了重要作用，采用聯(lián)合支護(hù)體系預(yù)支護(hù)深基坑時(shí)，可增加樁周土體壓力，減小樁周土體壓力的波動(dòng)范圍，使樁周土體壓力分布更均勻，避免因土體應(yīng)力集中導(dǎo)致深基坑土體的破壞.

3）樁身彎矩隨深度的變化曲線較為復(fù)雜，總體上各個(gè)開挖深度下樁身彎矩隨深度的變化趨勢相似，且均在錨桿處以及深基坑底面附近出現(xiàn)拐點(diǎn).與未加預(yù)應(yīng)力錨桿的微型樁預(yù)支護(hù)深基坑的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比可以發(fā)現(xiàn)，采用聯(lián)合支護(hù)體系預(yù)支護(hù)深基坑時(shí)，樁身最大彎矩的絕對值較小，彎矩的變化范圍也較小，說明預(yù)應(yīng)力錨桿在聯(lián)合支護(hù)體系中發(fā)揮了重要作用，采用聯(lián)合支護(hù)體系預(yù)支護(hù)深基坑時(shí)，可使樁身彎矩的絕對值降低，且可使樁身彎矩的分布更均勻，從而可增強(qiáng)樁體的穩(wěn)定性和安全性.

4）在深基坑開挖過程中，隨開挖深度的加深，在深基坑頂部出現(xiàn)了少量未貫通的縱向裂縫，但是樁身周圍土體完整無脫落，樁身有細(xì)微彎曲.與未加預(yù)應(yīng)力錨桿的微型樁預(yù)支護(hù)深基坑的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比可以發(fā)現(xiàn)，采用預(yù)應(yīng)力錨桿微型樁聯(lián)合支護(hù)體系預(yù)支護(hù)的深基坑的破壞特征不明顯，說明預(yù)應(yīng)力錨桿在聯(lián)合支護(hù)體系中發(fā)揮了重要作用，聯(lián)合支護(hù)體系在深基坑預(yù)支護(hù)階段可明顯增強(qiáng)整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性.

綜上可知，采用添加預(yù)應(yīng)力錨桿的微型樁聯(lián)合支護(hù)體系對深基坑進(jìn)行預(yù)支護(hù)，可以有效地控制樁體和土體的沉降，改善樁周土體壓力的分布，且可使樁身彎矩的分布更均勻，增強(qiáng)整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，從而可保障預(yù)支護(hù)體系及深基坑工程的穩(wěn)定和安全.