埃塞俄比亞國家銀行基坑樁錨支護(hù)位移分析

喻 杰1，張 梁2

（1.中國十五冶金建設(shè)集團(tuán)有限公司，黃石 435000；2.武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，武漢 430070）

1 工程概況

WEGAGEN銀行大樓位于埃塞首都亞的斯亞貝巴市中心，是一棟集辦公、購物、餐飲為一體的高層建筑。建筑總高度為109.67m，總建筑面積為32159m2，地下室基底最大深度15.2m。該工程為現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架－剪力墻結(jié)構(gòu)。根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)勘察報告，總結(jié)得到場地的土層分布信息可見表1。

該工程的基坑支護(hù)方案如下：基坑平面為不規(guī)則的近似長方形平面，依次分為ab、bc、cd、de、ef、fg、ga七段?；娱_挖深度為13.07～13.67 m，采用混凝土灌注樁加預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)形式，支護(hù)樁徑為1000mm，樁長為22m，樁心距為1.3m，混凝土強(qiáng)度采用C35。錨桿四排，局部區(qū)域加密。錨桿采用φ25鋼筋，水平間距為2.6m。豎向間距多為2.5m，根據(jù)實際情況有加大和減小。錨桿總長、自由段、錨固段長度因不同區(qū)域不同。錨桿孔徑為160mm，傾角為15°，樁頂設(shè)置鋼混冠梁，每層錨桿均設(shè)置腰梁。預(yù)應(yīng)力根據(jù)設(shè)計要求不同部位取值不同。該文取bc段的樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行計算，具體信息見表2。

表1 土層計算參數(shù)

表2 撐錨結(jié)構(gòu)信息表

2 計算模型

該文所提出的方法和計算模型是把支護(hù)樁當(dāng)成垂直放置的多跨連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，將預(yù)應(yīng)力錨桿當(dāng)做彈性支座。將其簡化成結(jié)構(gòu)力學(xué)模型利用矩陣位移法，考慮錨桿的剛度對支護(hù)樁剛度的影響和預(yù)應(yīng)力對結(jié)構(gòu)位移的影響。建立矩陣位移方程，將支護(hù)樁、錨桿和土體的共同工作統(tǒng)一起來進(jìn)行計算。通過列出矩陣位移方程建立支護(hù)樁的內(nèi)力和變形位移的聯(lián)系，通過求解方程來得出支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移。在建立模型之前根據(jù)工程實際經(jīng)驗，先給出以下假定［1－3］：

1）坑底以上作用在支護(hù)樁上擋土側(cè)的水平土壓力為主動土壓力，嵌固段擋土側(cè)為主動土壓力，基坑內(nèi)側(cè)為被動土壓力。

2）預(yù)應(yīng)力錨桿所在的位置在對其施加預(yù)應(yīng)力之前的水平位移應(yīng)為零。

3）考慮預(yù)應(yīng)力錨桿的變形，將預(yù)應(yīng)力錨桿考慮成彈性支座。

4）支座樁在平衡狀態(tài)下嵌固段有彎矩零點存在，在彎矩為零處將梁斷開以簡支計算?？稍诖它c處加入一個固定鉸支座，繪制支護(hù)結(jié)構(gòu)計算簡圖，見圖1。

根據(jù)工程實際情況結(jié)合給定的假定繪制結(jié)構(gòu)計算簡圖，繪制土層分布和荷載情況，按照施工及設(shè)計情況確定支護(hù)樁的樁長和嵌固深度以及預(yù)應(yīng)力錨桿的布置。

單元剛度計算矩陣及預(yù)應(yīng)力錨桿水平剛度系數(shù)KT的公式如下［4］

式中，E為混凝土的彈性模量，L為每個單元長度，I為截面慣性矩，EI為樁身抗彎剛度；A為桿體截面積，Es為桿體彈性模量，Ec為錨固體組合彈性模量，Ac為錨固體截面面積，Lf為錨桿自由段長度，La為錨桿錨固段長度，α為錨桿水平傾角，Em為在錨固體中注漿體的彈性模量。

根據(jù)對固端約束力求解和從局部坐標(biāo)系到整體坐標(biāo)系的整合就可以得到支護(hù)樁即連續(xù)梁的整體剛度矩陣和等效節(jié)點荷載。之后就可以依據(jù)矩陣位移法的基本原理 ，得到樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)共同作用的總的平衡方程［5］。在利用MATLAB軟件編制相應(yīng)的求解程序后，就可以帶入數(shù)據(jù)運(yùn)行計算出各開挖完成后樁身各處的水平位移如下表。通過同樣的大量計算可得到其他段和整個基坑工程在采用樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)情況下的位移的特點。

表3 bc段支護(hù)樁的水平位移計算值

3 位移監(jiān)測

該工程按照監(jiān)測方案對基坑的樁頂水平位移、基坑周圍土體的沉降和樁身的不同深度水平位移進(jìn)行觀測，時間從2013年1月1日起至2013年3月26日，時間范圍涵蓋了整個基坑開挖支護(hù)的各個施工階段。對所取得的數(shù)據(jù)繪制趨勢圖，作出各種位移隨時間變化的典型特征曲線，見圖2～圖5。

樁頂?shù)乃轿灰瓶梢灾苯臃磻?yīng)出樁體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，水平位移數(shù)值的大小有助于確定土體和支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定狀態(tài)［6］。該工程按各個方向的基坑邊分類來繪制基坑的樁頂水平位移曲線。

在該工程中，自西向東順時針布置測斜點，依次編號X1號到X6號?？紤]施工過程中的影響結(jié)合測試得到的數(shù)據(jù)，分別作出X1、X3、X4、X6四個測斜點的支護(hù)樁水平位移在各個工況時間段隨深度變化的曲線，其中X1、X3、X4、X6分別位于基坑的南、西、北、東側(cè)，見圖6～圖9。

在基坑開挖的過程中，按照監(jiān)測方案對基坑的地表沉降進(jìn)行測量，收集數(shù)據(jù)結(jié)合工程施工過程按基坑開挖過程分四步，對基坑地表土體在遠(yuǎn)離基坑邊距離方向的沉降趨勢進(jìn)行繪制，見圖10。

4 結(jié) 語

該文提出的對超深基坑多支點樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移進(jìn)行計算的方法，利用MATLAB編制相應(yīng)的程序求解方程來得出支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移。通過工程的實際監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析得到了深基坑多支點樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移和土體沉降的規(guī)律。

支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生水平位移主要在基坑的開挖階段，在開挖深度不深和還未進(jìn)行錨桿施工的情況下，各個支護(hù)樁的水平隨深度變化位移呈現(xiàn)“倒三角形”分布。當(dāng)基坑開挖較深，開挖完畢和錨桿支護(hù)完成后，樁身的水平位移曲線已基本趨于穩(wěn)定，各個支護(hù)樁的水平位移隨深度呈現(xiàn)出弓字形變化，樁身水平位移的最大值也由初始的樁頂位置逐步向下移動到支護(hù)樁的中部位置。同一基坑的不同方位支護(hù)樁的位移由于受到不同的外部荷載影響會呈現(xiàn)不同的變化幅度，導(dǎo)致在整個基坑四周的支護(hù)結(jié)構(gòu)向基坑內(nèi)的水平位移和沉降會有大有小。地表土體的沉降與其距基坑邊的距離有關(guān)，距離基坑的距離越遠(yuǎn)，受到的影響和擾動越小，所以在距離基坑邊較遠(yuǎn)的位置土體還能保持整體的穩(wěn)定發(fā)生的沉降很小甚至不發(fā)生沉降。在靠近基坑邊的位置沉降由于支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用沉降并不是最大位移位置，最大的位移出現(xiàn)在距離基坑邊大約一倍基坑深度的地方，這使得地表沉降呈弓字形變化且距離基坑的距離越遠(yuǎn)其沉降越小。

由于時間和水平的限制，文中還存在很多的問題需要進(jìn)一步的完善和研究。為了簡化模型便于計算，該文暫未考慮基底以下樁與土的作用。實際工程中樁身在彎矩零點以下還受到被動土壓力，計算中將這段的影響考慮進(jìn)去將會使結(jié)果更加精確。

［1］黃 強(qiáng).深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)實用內(nèi)力計算手冊［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1995.

［2］劉云霞.基坑支護(hù)系統(tǒng)的變形機(jī)理及施工控制的研究［D］.北京：北京交通大學(xué)，2011.

［3］俞建霖，龔曉南.基坑工程變形性狀研究［J］.土木工程學(xué)報，2002，35（4）：86－90.

［4］中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程（JGJ 120－2012）［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

［5］龍馭球，包世華.結(jié)構(gòu)力學(xué)教程［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［6］謝才軍，林賢根.基坑變形監(jiān)測與VB編程［M］.杭州：浙江大學(xué)出版社，2012.