微型樁-錨桿-土釘復合支護結構相互作用分析

閆富有，高 偉，周同和，郭院成

(1.鄭州大學土木工程學院，河南鄭州450001;2.鄭州大學綜合設計研究院，河南鄭州450002)

0 引言

微型樁的直徑一般小于400 mm，采用鉆孔、強配筋和壓力注漿施工，具有施工面積小、有效降低噪音和施工方便等特點.在深基坑工程中，將微型樁與錨桿-土釘復合支護結構聯合使用，既利用了微型樁造價低廉、對土層適應性好等特點，又彌補了一般錨桿-土釘復合支護結構的許多缺陷和使用上的限制［1］，在深基坑工程中已逐漸得到應用［2～4］.

文獻［5］在進行土釘軸力和邊坡位移測試的基礎上，對土釘支護結構進行了三維數值模擬.文獻［6］討論了樁錨與土釘聯合作用問題，表明其作用機理和設計方法等有待進一步研究.文獻［7-9］應用FLAC分析了土釘支護結構位移場的變化規(guī)律.文獻［10］結合現場試驗研究和數值模擬，研究了單排小樁復合水泥土樁墻支護結構基于整體計算模式的設計計算方法.文獻［11］采用單寬模型，對土釘-微型樁-預應力錨桿支護體系進行了模擬分析.

微型樁復合土釘支護結構是典型的三維問題.將其簡化為平面問題，無法反映支撐軸力和基坑位移的實際情況.目前對設置有微型樁的復合土釘墻支護形式的研究較少，缺乏系統(tǒng)的工程監(jiān)測與模擬計算對比分析.由于工程地質條件以及支護結構的復雜性，將現場監(jiān)測與數值分析方法相結合，是研究本類問題的有效方法.

本文結合鄭州某基坑工程，在現場原位測試的基礎上，對微型樁-錨桿-土釘支護結構進行數值模擬分析，研究其受力變形特征及其相互作用，為該復合支護結構的設計與施工提供技術指導.

1 工程概況

鄭州某醫(yī)院病房樓基坑工程，開挖面積近6 000 m2，基坑深度9.4 m，一側采用微型樁-錨桿-土釘墻復合支護結構.

基坑以1∶0.15的坡度傾斜開挖.土釘傾角為5°，其中1～3層土釘長度為10 m，4～6層土釘長度為9 m.錨桿傾角為10°，長度為15 m，分別與第二、四排土釘沿縱、豎向交錯布置.前五排土釘、錨桿的水平和垂直間距均為1.5 m，最后一排土釘的豎直距離為1 m.土釘采用直徑為18 mm的螺紋鋼筋，鉆孔直徑120 mm;錨桿采用公稱直徑為15.2 mm七絲絞合的鋼絞線，預應力100 kN，鉆孔直徑150 mm;微型樁水平方向的間距為1 m，樁長14 m，樁徑 150 mm.設計支護斷面如圖1所示.

圖1 基坑支護剖面Fig.1 Section of foundation pit

2 現場原位測試分析

2.1 試驗描述

采用分布式光纖應變傳感技術(DSTS)對土釘與錨桿的軸力進行監(jiān)測.選擇基坑一側靠近中部且相距6 m的二個斷面進行測試，分別記為a和b斷面，由于基坑頂部無多余荷載，其受力相關性可以忽略，并能排除其他受力影響因素，以達到數據對比和補充的作用.

2.2 土釘軸力實測分析

基坑開挖完成后，b測量斷面各層土釘的軸力實測結果如圖2所示.

圖2 實測土釘軸力圖Fig.2 Testing force of the soil nail

對比四層土釘軸力的分布可知，各層土釘最大軸力點的位置由上至下逐步向土釘在面層方向的端部移動.第四排土釘軸力最大值是所有四排土釘所受軸力的最大值;第六排土釘中部受力很小，其最大軸力點的位置靠近基坑面層.由于在第四排土釘深度處的土體向坑內變形的趨勢較大，故在基坑開挖過程中應嚴密監(jiān)控該部位土體的水平位移.

2.3 不同工況土釘軸力實測分析

對b斷面第一排土釘在不同工況下所受軸力進行分析.工況1至工況4分別為:第二排錨桿張拉完畢、第四層土方開挖完畢、第五層土方開挖并已布入土釘、第六層土方開挖完畢并布入土釘.不同工況下土釘的軸力分布如圖3所示.

圖3 不同工況下土釘實測軸力圖Fig.3 Testing force of the soil nail in different conditions

對比圖3中的四個工況可以看出，隨著基坑開挖，第一排土釘整體受力呈增加趨勢.前三個工況第一排土釘主要受壓力作用，這是由于在第二排與第四排錨桿施加預應力后，土體將來自錨桿的壓力傳遞給土釘，使土釘受壓，其壓力大小沿土釘長度方向呈減小趨勢，在末端接近于0，其軸力沿土釘長度方向呈兩邊大中間小的分布.

從整體來看，第一排土釘在基坑開挖過程中主要受壓力作用.說明在兩排錨桿的作用下，土釘沒有完全發(fā)揮出抗拉效果.

2.4 不同斷面土釘軸力對比分析

基坑開挖完成后，斷面a和b第一排、第四排和第六排土釘的軸力分布對比如圖4所示.

由圖4可知，在支護形式完全一樣的情況下，兩個斷面的第一排第三排的土釘軸力有明顯差異.其原因主要有兩點:①基坑頂部超載不同，導致兩個斷面第一排土釘受力差別較大;②a斷面第二排錨桿預應力損失較大，對上部土體的約束能力降低，導致第一排土釘受力較大.兩個斷面第六排土釘的軸力分布整體較為類似，基本分布于0點附近，說明這種斷面中的第六排土釘幾乎不受力.

3 數值分析

3.1 計算模型與參數

選取基坑的一段，利用FLAC3D軟件進行計算.參考文獻［7-8］中基坑開挖的影響范圍，模型長度取坑內2倍、坑外3倍基坑深度，并考慮足夠的寬度和高度，其尺寸為50 m×15 m×19.5 m.邊界條件與文獻［7，9，12］相同.土釘與錨桿、微型樁和腰梁分別采用Cable、Pile和Beam結構單元［7-9］.由于假定模擬過程中不會出現結構單元與土體之間的相對滑動或分離，故所建模型不需要在土體和單元之間加入接觸面［5，7-9，11］.

圖4 不同斷面處土釘實測軸力圖Fig.4 Testing force of soil nail in different section

土體的容重γ、黏聚力c、內摩擦角φ和變形模量E0如表1所示.其中變形模量E0參考工程地質勘察報告的原位試驗，取為壓縮模量Es的4倍.

土釘、錨桿和微型樁的結構單元參數見表2.土釘的彈性模量為210 GPa，錨桿彈性模量取205 GPa.微型樁彈性模量為210 GPa，泊松比取0.2.

為了揭示微型樁在復合支護結構中的作用，建立兩種分析模型:微型樁-錨桿-土釘墻支護結構和無微型樁的錨桿-土釘墻復合支護結構模型.模擬過程與基坑施工過程一致，首先設置微型樁，然后每開挖一層即布入土釘或錨桿.

表1 土體物理力學參數表Tab.1 Physico-mechanical parameters of model

表2 結構單元參數表Tab.2 Structure elements parameters of model

3.2 模擬與實測結果比較

為了驗證模擬結果的合理性，將基坑開挖完成后土釘和錨桿實測軸力最大值(b斷面)與模擬結果的軸力最大值進行比較，如圖5所示.

圖5 土釘和錨桿最大軸力實測值與模擬結果比較Fig.5 Comparison between the measured and simulated values

由圖5可知，第四與第六排土釘的實測與模擬結果有一定的偏差.這是由于模擬難以考慮實際中的各種因素，如在施工過程中出現降雨，第四排錨桿的預應力損失嚴重等情況.除第四、六排土釘外，其他各排數據較為吻合，說明模擬結果是正確的.

3.3 土釘和錨桿的軸力

開挖完成后兩種支護結構中土釘和錨桿的軸力計算值如圖6所示.由圖6可知，兩種支護形式的土釘與錨桿軸力分布規(guī)律類似:土釘拉力呈兩頭小中間大，每排土釘軸力最大值自上而下逐漸向基坑側壁方向偏移.錨桿最大拉力在自由段，并在錨固段逐漸減小，各排土釘最大軸力點連線出現在錨桿自由段范圍內.基坑頂部和底部的土釘受力相對較小，中間部位(第三、四排)土釘受力明顯大于其他各排.反映此處土體變形較大，這與基坑水平位移的計算結果一致.

圖6 土釘和錨桿軸力分布Fig.6 Axial force distribution on brads and anchors

對比兩種支護結構土釘錨桿的受力可以看出，布置微型樁后，第二排錨桿軸力降低較大，其他各排土釘軸力降低也較為明顯，表明微型樁對受力較大的支護結構影響比較明顯，除明顯降低土釘和錨桿的軸力外，且能對土釘錨桿受力進行優(yōu)化分配，改善其受力狀態(tài).

3.4 基坑側壁水平位移

兩種支護模型基坑側壁的水平位移比較如圖7所示.由圖7可知，微型樁-錨桿-土釘墻支護形式的基坑側壁最大水平位移值為28.82 mm，符合規(guī)范要求;而未設置微型樁的支護結構的基坑側壁最大位移達到56 mm，超出了規(guī)范規(guī)定范圍.表明微型樁加強了周圍土體的強度，改善開挖后土體的應力場，從而有效地控制基坑側壁的水平位移，提高了邊坡的穩(wěn)定性.

圖7 基坑側壁水平位移圖Fig.7 Distribution of horizontal displacement of side of foundantion pit

3.5 微型樁彎矩分析

基坑開挖完成后，微型樁的彎矩值如圖8所示.由圖8可知，微型樁樁身有3次反彎點出現，在樁長6 m和9 m處分別出現正負彎矩最大值.

在第一至第二個反彎點范圍內，兩排預應力錨桿的主動壓力，經過土體的傳力作用，使微型樁不僅承受主動區(qū)土壓力，還受到錨桿的約束.這樣，微型樁與錨桿的相互作用形成簡支梁受力體系，該體系以微型樁為受力結構、錨桿為約束支座，主要受到土壓力的作用.在此范圍內微型樁受到正彎矩作用，說明錨桿與微型樁相結合成一個整體，充分發(fā)揮了各自的擋土效果.

圖8 微型樁彎矩值Fig.8 Distribution of moment of Micro-pile

4 結論

(1)微型樁可以大大降低基坑側壁水平位移和土釘與錨桿的軸力，改善土釘錨桿受力狀態(tài)，并能有效控制基坑穩(wěn)定性與變形.

(2)在錨桿的作用下，基坑側壁水平位移出現在基坑側壁的中下部，土釘最大軸力點連線出現在錨桿的自由段范圍內，說明支護結構可以充分發(fā)揮錨桿的錨固作用，該基坑結構設計是合理的.

(3)微型樁與錨桿土釘共同作用，使支護結構結合成一個整體，并能充分發(fā)揮各自的效果.基坑側壁水平位移最大處幾乎與微型樁最大正彎矩處重合.微型樁最大負彎矩處為基坑邊壁坡腳處，此處受力狀態(tài)極為復雜，屬于薄弱部位，所以需要加強坡腳處的設計.

［1］ 楊志銀，張俊，王凱旭.復合土釘墻技術的研究及應用［J］.巖土工程學報，2005，27(2):153-156.

［2］ 郭院成，周同和，宋建學.樁錨與土釘聯合支護結構的工程實例［J］.鄭州大學學報:工學版，2003，24(2):26-28.

［3］ 楊志銀，張俊.復合土釘墻技術在深圳的應用與發(fā)展［J］.巖土工程學報，2006，28(S):1673-1676.

［4］ 陳啟輝，張鑫，孫劍平，等.控制鄰近建筑物變形的復合土釘支護技術設計和施工［J］.工業(yè)建筑，2008，38(5):115-118.

［5］ 李志剛，李四清，張冰峰，等.土釘支護現場測試及三維數值模擬分析［J］.工程地質學報，2004，12(01):69-73.

［6］ 郭院成，秦會來，王立明.樁錨與土釘聯合支護結構中的土壓力分配模式［J］.鄭州大學學報:工學版，2004，25(3):52-55.

［7］ 王明龍，萬林海，黃志全，等.基于FLAC3D的土釘內力分析［J］.工程地質學報，2006，14(3):411-418.

［8］ 劉繼國，曾亞武.FLAC3D在深基坑開挖與支護數值模擬中的應用［J］.巖土力學，2006，27(3):505-508.

［9］ 吳忠誠，湯連生，廖志強，等.深基坑復合土釘墻支護FLAC-3D模擬及大型現場原位測試研究［J］.巖土工程學報，2006，28(51):1460-1465.

［10］ 郭院成，王坤，周同和.單排小樁復合樁墻支護結構設計計算方法［J］.鄭州大學學報:工學版，2007，28(4):8-11.

［11］ 趙延林，曹洋，高紅梅，等.復合土釘支護內力與變形的模擬分析［J］.黑龍江科技學院學報，2009，19(6):486-489.

［12］ JINOH W，KWANGHO Y，SANGSEOMJ，et al.Coupled effects in stability analysis of pile-slope systems［J］.Computers and Geotechnics，2005，32:304-315.