擴體錨索在軟土深基坑中的極限承載力特性研究

張 翔，羅軍堯，袁慶飛

（1.昆明理工大學(xué)，云南 昆明 650093；2.云南地質(zhì)工程勘察設(shè)計研究院有限公司，云南 昆明 650041）

伴隨著經(jīng)濟的快速增長和城市的迅猛發(fā)展，各大中城市建設(shè)用地銳減，不但房屋建設(shè)施工中基坑開挖深度增大，周邊環(huán)境及地質(zhì)條件愈發(fā)復(fù)雜多樣，基坑工程也迎來了新的挑戰(zhàn)[1-3]?，F(xiàn)深基坑支護工程為對基坑提供足夠的支護力根據(jù)其特點和安全要求衍生出了多種支護手段[4]，目前較為成熟的樁錨支護體系中錨索的承載力需求也隨著基坑穩(wěn)定性及變形控制要求的提高越來越大，但僅依靠增加錨固段提高承載力往往十分有限[5]，故而增加側(cè)摩力以提升承載力的大直徑特殊工藝的擴體錨索逐漸被廣泛使用。近年來，其擴體方法、施工工藝、力學(xué)機制等也逐步在國內(nèi)被廣泛系統(tǒng)的研究。目前現(xiàn)有研究如汪立剛通過工程實例，闡述了擴體錨索在技術(shù)層面的優(yōu)劣勢，分析了擴體段受力機理[6]。胡建林通過抗拔試驗發(fā)現(xiàn)錨索經(jīng)擴孔之后其軸向應(yīng)變會顯著降低，端承作用明顯提高，并得出了承載力水平的增幅值[7]。Celik通過試驗發(fā)現(xiàn)影響錨桿承載力的不僅有錨固段長度，土體參數(shù)以及其性質(zhì)對其極限承載力起著關(guān)鍵作用[8]。趙鶴飛通過對擴體錨桿埋深及錨固段直徑對抗拔承載力的影響建立了頂部阻力對側(cè)摩阻力正向提高的計算公式[9]。郭湧通過有限元分析軟件建立了邊坡與滑裂面的模型，得出了擴體錨桿的最佳傾角度數(shù)[10]等等。除了以上國內(nèi)外研究，短短幾年內(nèi)擴體錨索的研究迅猛發(fā)展，這些理論研究也對擴體錨索的推廣應(yīng)用提供了可靠基礎(chǔ)，但在已有研究中分析擴體錨索相較普通錨索的實用性及工藝參數(shù)的內(nèi)容還相對較少，特別是在軟土基坑中的應(yīng)用實例研究也鮮有涉及，因此本文依托某軟土深基坑工程對擴體錨索的承載力特性進行對比研究，以供類似工程參考。

1 工程概況

擬建項目位于云南省昆明市，基坑周長約765m，現(xiàn)狀地面較平緩，基坑深度為8.25～9.85m，總建筑面積約為535893.00m2，整體下設(shè)2 層地下室。工程場區(qū)臨近滇池盆地，因其處在晚新生代斷陷盆地特殊的沉積環(huán)境，形成了深厚的湖沼相松軟的沉積物，加之其周圍水文地質(zhì)條件，區(qū)內(nèi)多軟土發(fā)育[11]。擬建場地內(nèi)地基土構(gòu)成自上而下為：第四系人工活動層填土（Q4ml），第四系沖、洪積層黏土層（Q4al+pl）包括②1 層黏土和②2 層黏土，第四系湖沼積層（Q4l+h）③1 層淤泥和③2 層黏土（Q4l+h），第四系湖積（Q4l）層包括④1 層黏土、④2 層粉土、⑤1層黏土、⑤2 層粉土和⑤3 層泥炭質(zhì)土。

2 擴體錨索

擴體錨索是經(jīng)由一定工藝形成的較大孔徑錨索，一般分為囊式擴體錨索、傘式擴體錨索及高壓旋噴擴體錨索，因其結(jié)構(gòu)特點不但會提高錨固體與土層間的側(cè)摩阻力，土體還會產(chǎn)生對錨固段端部的正壓力，使得拉力足夠大時，端部土體被擠壓成受壓態(tài)，形成的被動土壓力以提供一定的抗壓阻力，進一步提升錨索的極限承載力[12]，其受力示意圖如圖1 所示。

圖1 擴體錨索力學(xué)模型

式中PD——土體作用于擴體端面的正壓力強度；

τs-鉆孔孔壁摩擦阻力。

3 理論計算

基坑南側(cè)與東側(cè)及東北側(cè)采用單排樁+錨索+樁頂放坡支護形式，考慮基坑南側(cè)及東側(cè)深度最大，以1-1 剖面為例，采用樁長均為28.1m 的?800mm 長螺旋鉆孔壓灌樁，樁間距1.2m，并施加2 道錨索，上部采用1∶2 放坡，坡面掛網(wǎng)噴砼，加設(shè)排樁后采用?650mm 三軸攪拌樁止水帷幕，長度13m（圖2）。

圖2 基坑1-1剖面圖

對1-1 剖面的樁錨支護體系在其他設(shè)計方案參數(shù)不變的情況下分別施加直徑150mm 的普通錨索與直徑300mm 的高壓旋噴擴體錨索，且兩者均采用同等材料強度的1×7 束的鋼絞線，在上述工程場區(qū)地質(zhì)條件環(huán)境下運用深基坑支護設(shè)計軟件計算所得結(jié)果如表1、表2 所示。

表1 普通錨索計算結(jié)果

表2 擴體錨索計算結(jié)果

從上表看出，為提供相當承載力的情況下，擴體錨索相較常規(guī)錨索其索固長度明顯縮短，總長及錨固段長度縮短了近5～6m，兩者相差約75%。

從普通錨索包絡(luò)圖和擴體錨索包絡(luò)圖的計算結(jié)果分析得到在施加的預(yù)應(yīng)力及其他條件不變的情況下，擴體錨索支護體系的位移量、彎矩和剪力變化范圍均小于普通錨索，但兩者位移量僅相差0.62mm，且彎矩與剪力的差值也幾乎可以忽略不計，這表明在軟土深基坑支護體系中兩種錨索提供的支反力都可以有效的傳遞到支護體系中，且均能有效的控制軟土深基坑的變形。但擴體錨索錨固段長度較之普通錨索要短的多，支錨剛度也在長度增長過程中迅速降低，從理論上佐證了擴大直徑是提高錨固體抗拔承載力的有效途徑。

4 加載試驗

為進一步驗證擴體錨索在軟土區(qū)深基坑的優(yōu)越性，采用現(xiàn)場試驗的方法對兩種錨索進行極限承載力對比試驗，結(jié)果如圖3、圖4 所示。

圖3 普通錨索荷載-位移曲線

圖4 擴體錨索荷載-位移曲線

上述試驗是初始荷載為錨桿軸向受拉承載力設(shè)計值Tw的10%，對其多循環(huán)加載，當產(chǎn)生位移不收斂、錨索被標定千斤頂全部拔出、達到破壞標準或試驗荷載達到要求時停止試驗觀測所得的其位移變化，并對兩者的彈塑性位移進行了對比如圖5 所示。

圖5 荷載-彈塑性位移曲線對比圖

從上圖可以看出兩種錨索在循環(huán)加載時，隨著每一循環(huán)最大荷載的施加，位移也隨之增大，與所加荷載量呈現(xiàn)線性關(guān)系，但兩者在循環(huán)從最大荷載降至起始荷載時，都產(chǎn)生了一定的殘余量，說明兩種錨索的位移并不能完全恢復(fù)，故而呈現(xiàn)出了上圖態(tài)勢。試驗發(fā)現(xiàn)普通錨索的抗拔承載力較小為297.7～376.2kN，但位移也在常規(guī)控制范圍內(nèi)，而擴體錨索的極限抗拔承載力可達938.4kN，遠大于常規(guī)錨索，是其約2.5 倍，但相應(yīng)的擴體錨索在循環(huán)加載下位移量也顯著增加，相較普通錨索位移量的是其約9 倍，兩者的在荷載-位移量并不相關(guān)，結(jié)果表明在此類軟土基坑中，錨固體長度的增加會顯著提升錨索的極限抗拔承載力，但增長比例會隨長度增長迅速降低，到達一定限值增長緩慢，且通過錨索直徑的增長幅度較之錨固體長度帶來的作用更為顯著。將上述數(shù)據(jù)匯總?cè)绫? 所示。

表3 試驗計算結(jié)果匯總

5 應(yīng)用監(jiān)測結(jié)果分析

為探究擴體錨索在軟土基坑中的實際應(yīng)用效果，在施工過程中按照相關(guān)要求在代表位置設(shè)立了監(jiān)測點D1、D2，監(jiān)測位移圖如圖6、圖7 所示。

圖6 D1監(jiān)測位移圖

圖7 D2監(jiān)測位移圖

從位移監(jiān)測結(jié)果可以看出，D1 監(jiān)測點期間累積最大位移為28.2mm，D2 監(jiān)測點為最大位移為24.8mm，兩監(jiān)測點累積位移差值為3.4mm，變形發(fā)展較快的階段為6～8 周，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在施工過程中水平位移較小但出現(xiàn)了較大沉降變形，與其他基坑不同變形的最大值出現(xiàn)在錨索施加的過程中，工藝順序?qū)ξ灰屏坑休^大影響。

6 結(jié)論

本文依托云南某深基坑支護工程，采用軟件計算及現(xiàn)場試驗的方法，較為全面地分析了擴體樁錨支護體系相較常規(guī)錨索在軟土地區(qū)的特點與優(yōu)勢，得出以下結(jié)論，可為擴體錨索在類似軟土地區(qū)深基坑的施工參數(shù)選取及效果分析提供參考。

1）昆明市官渡區(qū)擬建項目場地土層多為黏性土、淤泥質(zhì)土、泥炭土等軟土，含水量高、壓縮性大、工程性能差，在此環(huán)境的樁錨支護體系在設(shè)計得當?shù)那疤針跺^支護體系可有效控制軟土深基坑的變形。

2）擴體錨索支護體系的位移量、彎矩和剪力變化范圍均小于普通錨索，為提供相當?shù)某休d力，擴體錨索相較一般的普通錨索其錨索長度明顯縮短，在特定條件下可減小深基坑周圍建筑基礎(chǔ)或環(huán)境的影響。

3）擴體錨索的大孔徑有效增加了承載能力，可以使得所施加錨索的間距增大、長度縮短，相比同等承載力下普通錨索更為經(jīng)濟，也使施工工期大大縮短。

4）由于軟土工程性能差及工藝施工順序的影響，在實際施工過程中變形最大值出現(xiàn)在了錨索施工過程中，應(yīng)避免高壓水泥漿切削周圍土體而使強度喪失，旋噴后也應(yīng)等待新混合體的初凝，實際施工需加強變形監(jiān)測避免造成大規(guī)模坍塌。