旋噴預(yù)應(yīng)力錨索在軟土蠕變效應(yīng)下的研究

黃天優(yōu)，徐書(shū)平

（武漢輕工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430023）

1 引言

預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)是在邊坡、深基坑以及隧道等地下施工中比較常見(jiàn)的一種經(jīng)濟(jì)高效的支護(hù)方式，預(yù)應(yīng)力錨桿（錨索）主要分為兩部分：錨固段以及自由段，錨固段是桿件與土體之間相互作用的部分，利用錨固段的長(zhǎng)度來(lái)調(diào)控錨固體極限抗拔力，通過(guò)在自由段施加預(yù)應(yīng)力以及控制錨固段的長(zhǎng)度來(lái)達(dá)到提高錨桿抗拔力的作用。國(guó)內(nèi)外針對(duì)預(yù)應(yīng)力的錨固結(jié)構(gòu)問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。王清標(biāo)、張聰?shù)韧ㄟ^(guò)建立錨索錨固力與巖土體蠕變之間的耦合效應(yīng)模型來(lái)確定兩者之間的計(jì)算關(guān)系式。在《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程JGJ 120-2012》中指出當(dāng)錨固段主要位于軟土層中時(shí)，應(yīng)考慮土的蠕變對(duì)錨桿預(yù)應(yīng)力損失的影響.由此可知，國(guó)內(nèi)外學(xué)者都已意識(shí)到了軟土蠕變對(duì)預(yù)應(yīng)力施加以及整個(gè)樁錨支護(hù)體系的影響，但仍未具體提供在軟土蠕變效應(yīng)作用下預(yù)應(yīng)力的施加范圍。文章通過(guò)軟件模擬旋噴錨基坑支護(hù)工程，施加不同預(yù)應(yīng)力值來(lái)分析軟土蠕變規(guī)律。

2 預(yù)應(yīng)力錨桿承載力分析

預(yù)應(yīng)力錨桿抗拔力的確定：《加筋水泥土樁錨技術(shù)規(guī)程》規(guī)定加筋水泥土錨體的極限抗拔承載力應(yīng)根據(jù)加筋體與水泥土的握裹力，以及加筋水泥土與土的摩擦力確定，取兩者最小值來(lái)定義極限抗拔承載力。在軟土中，錨桿抗拔力主要利用土體與砂漿之間摩阻力來(lái)確定，故錨桿的極限抗拔力可以表示為：

式中：Ru為錨桿的極限抗拔力；D為錨桿錨固體的直徑；L為錨桿的錨固段長(zhǎng)度；qsi為土體與砂漿之間摩阻力。錨固段周圍砂漿與土體之間的平均抗剪強(qiáng)度。由（1）可知，錨固體直徑、有效錨固段長(zhǎng)度、土體與錨固體表面接觸的摩阻力都是直接影響錨桿抗拔力的因素。土層錨桿摩阻力主要取決于沿接觸面外圍的土的抗剪強(qiáng)度，而抗剪強(qiáng)度τ值主要受土層性質(zhì)、錨桿埋深以及施工灌漿、錨桿類型等影響。故：

式中：c為錨固區(qū)土層的粘聚力；φ為錨固區(qū)土層的內(nèi)摩擦角，σ為錨固區(qū)土層法向壓應(yīng)力。

3 工程算例

選取湖北省旋噴錨基坑工程。該基坑土層簡(jiǎn)單，上層為淤泥質(zhì)軟土，下層為粘土層，其組成厚度及相關(guān)力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)表

由于是軟土，選取旋噴錨的基坑支護(hù)體系，樁、錨桿參數(shù)分別為：

表2 樁以及旋噴錨桿參數(shù)表

3.1 模型建立

FLAC3D計(jì)算模型：長(zhǎng)*寬*高為50 m*1.4 m*30 m，模型土體底部約束水平以及豎向位移。兩側(cè)約束水平位移。土體采用Burgers模型，錨桿以及樁采用線彈性模型。Burgers模型彈性模量以及粘滯系數(shù)是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值所確定。根據(jù)等剛度原則，將支護(hù)樁等效為地下連續(xù)墻。

該施工開(kāi)挖至5 m,土方開(kāi)挖工期為60 d，設(shè)計(jì)坑分兩次開(kāi)挖到位。第一次開(kāi)挖至2 m,開(kāi)挖時(shí)間設(shè)置為20 d，中間施加預(yù)應(yīng)力時(shí)間為10 d，第二次開(kāi)挖至5 m,開(kāi)挖時(shí)間設(shè)置為30 d。

圖1 基坑模型建立

3.2 預(yù)應(yīng)力大小的影響分析

本次模擬中，旋噴攪拌加勁樁抗拔承載力Ru=212 kN。采用分別加載預(yù)應(yīng)力的方式，分析樁頂位移水平位移變化，預(yù)應(yīng)力加載量如下表所示。

表3 預(yù)應(yīng)力加載值

圖2所示為土方開(kāi)挖完成后42 d樁頂位移變化情況。在不同預(yù)應(yīng)力條件下，基坑樁頂水平位移不同，預(yù)應(yīng)力為0時(shí)，最大樁頂水平位移為68.4 mm。在21.2 kN預(yù)應(yīng)力下，最大樁頂水平位移為67.4 mm。在42.4 kN預(yù)應(yīng)力下，最大樁頂水平位移為62.3 mm。在63.6 kN預(yù)應(yīng)力下，最大樁頂水平位移為61.3 mm。在84.8 kN預(yù)應(yīng)力下，最大樁頂水平位移為56.8 mm。在106 kN預(yù)應(yīng)力下，最大樁頂水平位移為56.5 mm。在127.2 kN預(yù)應(yīng)力下，最大樁頂水平位移為52.2 mm。在148.4 kN預(yù)應(yīng)力下，最大樁頂水平位移為51.4 mm。在169.6 kN預(yù)應(yīng)力下，最大樁頂水平位移為50.3 mm。在180.2 kN預(yù)應(yīng)力下，最大樁頂水平位移為63.3 mm。在190.8 kN預(yù)應(yīng)力下，最大樁頂水平位移為69.7 mm。在212 kN預(yù)應(yīng)力下，最大樁頂水平位移為84.2 mm。

圖2 樁頂位移與時(shí)間關(guān)系曲線

隨著預(yù)應(yīng)力的增加，樁頂水平位移不斷增大，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力，可以增加墻外側(cè)主動(dòng)土壓力的應(yīng)力水平，當(dāng)土體發(fā)生剪切破壞后，旋噴錨錨固段周圍土體塑性區(qū)不斷增大，應(yīng)變不斷增大，錨固段周圍摩阻力不斷減小，支護(hù)樁水平位移不斷增大。

3.3 錨固段長(zhǎng)度影響分析

在0.8 Ru預(yù)應(yīng)力以及其他情況一定的條件下，在軟土蠕變效應(yīng)作用下通過(guò)施加不同錨固長(zhǎng)度來(lái)分析樁錨支護(hù)體系的變化。設(shè)置錨固段長(zhǎng)度分別為5 m、8 m、10 m、15 m。

表4 土方完成后樁頂側(cè)向位移表

圖3中反映了在軟土蠕變作用下樁頂位移的變化，在時(shí)空效應(yīng)作用下，水平位移不斷增大并逐漸趨于穩(wěn)定。

圖3 樁頂位移-時(shí)間關(guān)系曲線

監(jiān)測(cè)土方施工完成后第12 d支護(hù)樁側(cè)向位移情況，錨固段長(zhǎng)度為5 m時(shí)，最大側(cè)向位移為55.8 mm。錨固段長(zhǎng)度為8 m時(shí)，最大側(cè)向位移為44.8 mm。錨固段長(zhǎng)度為10 m時(shí)，最大側(cè)向位移為37.8 mm。錨固段長(zhǎng)度為15米時(shí)，最大側(cè)向位移為35.8 mm。圖4為四種不同錨固段長(zhǎng)度情況下樁體側(cè)向位移的情況，錨固段長(zhǎng)度不斷增大，位移不斷減小并且也存在一臨界錨固長(zhǎng)度。

圖4 支護(hù)樁側(cè)向位移-深度關(guān)系曲線

通過(guò)以上分析可以看出，樁+旋噴錨支護(hù)結(jié)構(gòu)變形影響因素主要體現(xiàn)在預(yù)應(yīng)力以及錨固段長(zhǎng)度等幾個(gè)方面。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程等中，應(yīng)考慮這幾方面因素，選取合理參數(shù)值。

4 結(jié)論

（1）在軟土基坑中，不能單一將軟土蠕變效應(yīng)與預(yù)應(yīng)力錨桿錨索錨固系統(tǒng)分開(kāi)考慮，應(yīng)基于兩者之間的耦合效應(yīng)進(jìn)行研究。由上述表可知，當(dāng)預(yù)應(yīng)力處處于較低的應(yīng)力水平時(shí)，軟土處于衰減蠕變過(guò)程中，此時(shí)所造成的反向拉力較小，錨固段周圍軟土處于較低的應(yīng)力水平中，因此造成軟土應(yīng)變較小，樁的水平位移變化逐漸趨于平穩(wěn)。隨著預(yù)應(yīng)力不斷增大，當(dāng)軟土處于較高的應(yīng)力水平時(shí)，軟土應(yīng)變處于非衰減蠕變過(guò)程中，軟土摩阻力減小，樁水平側(cè)向位移不斷增大。

（2）在預(yù)應(yīng)力支護(hù)體系中，《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程JGJ 120 -2012》中指出錨桿鎖定值宜取錨桿抗拔力特征值的 0.75～0.9 倍，但在軟土蠕變的基坑工程中，預(yù)應(yīng)力值太大造成較大位移變化.《高壓噴射擴(kuò)大頭錨桿技術(shù)規(guī)程 JGJ/T282-2012》中指出預(yù)應(yīng)力在基坑工程中宜取抗拔力特征值的60%～85%。根據(jù)本次模擬以及軟土規(guī)范所取值，綜合得出在流變軟土工程中，預(yù)應(yīng)力宜取抗拔力特征值的60%～80%。

（3）在軟土蠕變效應(yīng)作用下，錨固段長(zhǎng)度不斷增大，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形不斷減小，并且趨于一定值。