土釘墻-樁錨聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)分析

宋建學(xué)，龐宏飛

(1．鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 鄭州450001;2．泰宏建設(shè)發(fā)展有限公司，河南 鄭州450000)

0 引言

近年來，土釘墻-樁錨聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)在基坑工程中得到大量推廣應(yīng)用．土釘墻支護(hù)使基坑側(cè)壁滑裂面向后、向下推移，使支護(hù)結(jié)構(gòu)受力更合理［1］．圖1 即為土釘墻-樁錨聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖．

圖1 土釘墻－樁錨聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖Fig．1 The sketch of compound soil retaining structure

為了推動土釘墻-樁錨聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用，國內(nèi)學(xué)者已有一些探索和總結(jié)． 郭院成等［2］(2004)認(rèn)為土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)的最佳支護(hù)高度和土質(zhì)特性、放坡情況有關(guān)．相對于單純樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)中的支護(hù)樁彎矩分布不均勻，最大彎矩也有比較大的增加． 吳忠誠、湯連生等［3］(2007)以及朱彥鵬等［4］(2009)通過實(shí)際測量得出了支護(hù)結(jié)構(gòu)后面的土體沉降呈現(xiàn)出勺狀分布，沉降值的最大點(diǎn)發(fā)生在滑裂面附近． 張麗麗等［5］(2011)通過試驗(yàn)研究表明土釘與樁錨聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)中土釘?shù)氖芰β孕∮谕瑯訔l件下單一土釘墻中土釘?shù)氖芰Γ?/p>

筆者通過典型案例現(xiàn)場實(shí)測和數(shù)值模擬相結(jié)合，研究土釘墻-樁錨聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體工作機(jī)理，分析土釘墻高度、錨索鎖定值及排樁剛度等設(shè)計(jì)參數(shù)對支護(hù)結(jié)構(gòu)變形性狀的影響．

1 工程實(shí)例及現(xiàn)場試驗(yàn)

1．1 工程概況

河南省出版產(chǎn)業(yè)基地3 期地塊項(xiàng)目基坑深度為15．8 m，平面尺寸165 m ×140 m．基坑典型支護(hù)剖面(南側(cè)壁)見圖2．

圖2 典型支護(hù)剖面圖Fig．2 Typical Soil Retaining Structure

1．2 現(xiàn)場試驗(yàn)及成果

本工程與典型支護(hù)剖面對應(yīng)位置處坡頂沉降監(jiān)測成果如圖3 所示． 支護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移監(jiān)測成果見圖4．

圖3 坡頂沉降圖Fig．3 The settlement on top of soil nail wall

圖4 各工況下深層水平位移圖Fig．4 The deep horizontal displacement in excavation stages

2 工程模型化及驗(yàn)證

筆者以ABAQUS 軟件為平臺，構(gòu)建數(shù)值模型進(jìn)行計(jì)算分析．

(1)模型尺寸．考慮到基坑的對稱性，模擬采用了二維對稱的基坑模型，寬度方向取220 m，深度方向取60 m，整個區(qū)域?yàn)?20 m×60 m．

(2)模型邊界條件、網(wǎng)格劃分．模型左右兩邊采用水平方向約束，底部采用水平和豎向約束．為了提高分析精度，在受力集中部位劃分網(wǎng)格比較細(xì)． 土體單元采用平面應(yīng)變減縮積分單元CPE4R，錨索、土釘采用T2D2 二節(jié)點(diǎn)桿單元，支護(hù)樁采用二維梁單元B21．

(3)模型參數(shù)、接觸類型．土釘與土體按嵌入方式連接;樁和土體采用接觸關(guān)系，摩擦系數(shù)為0．3，法線方向?yàn)閯傂?錨索錨固段與土體建立綁定約束，自由端端部綁定在樁上．土體采用M—C塑性模型，錨索、土釘采用線彈性模型，彈性模量為3．0 ×1011Pa，泊松比為0．2;支護(hù)樁的彈性模量為2．0 ×1010Pa，泊松比為0．31．為了便于分析，將鉆孔灌注樁按照抗彎剛度等效原則轉(zhuǎn)化為地下連續(xù)墻進(jìn)行模擬，對樁徑為D、樁中心距為d 的灌注樁，換算為連續(xù)墻后的厚度為

通過對每個工況進(jìn)行模擬計(jì)算，得到各個工況條件下的變形結(jié)果，再與實(shí)測成果進(jìn)行比較分析．圖5 是坡頂沉降模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果對比．圖6 是深層水平位移的模擬結(jié)果和實(shí)測結(jié)果對比．

圖5 坡頂沉降對比圖Fig．5 Compare of settlement on top of Soil Nail Wall

圖6 深層水平位移對比圖Fig．6 Compare of deep horizontal displacement

從圖5 和圖6 可以看出:ABAQUS 數(shù)值分析結(jié)果整體上和實(shí)測結(jié)果基本吻合，表明所選的模型及參數(shù)符合工程實(shí)際，可以以此模型為平臺，進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)，以便分析設(shè)計(jì)參數(shù)對這種支護(hù)結(jié)構(gòu)變形性狀的影響規(guī)律．

3 虛擬設(shè)計(jì)及參數(shù)分析

3．1 土釘墻高度

土釘墻不同高度時的坡頂水平位移如圖7 所示．從圖7 可以看出，隨著土釘墻高度的增大，純土釘墻坡頂水平位移略有增加，而土釘墻-樁錨聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)坡頂水平位移增加較快，當(dāng)土釘墻高度為5．8 m 時，坡頂水平位移已經(jīng)超過規(guī)范［6］規(guī)定的預(yù)警值．考慮到此種結(jié)構(gòu)中冠梁起的作用等，建議土釘墻-樁錨聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)中土釘墻高度宜限制在6 m 以內(nèi)．

圖7 土釘墻不同高度時的坡頂水平位移Fig．7 The top horizontal displacement under different soil nail wall height

3．2 錨索鎖定值

虛擬分析所采用的3 組錨索鎖定值如表1所示．不同錨索鎖定值時支護(hù)樁的水平位移如圖8 所示．從圖8 可以看出，隨著錨桿鎖定值的增大，支護(hù)樁樁身水平位移整體變大，但水平位移增量都較小．

表1 虛擬設(shè)計(jì)各組錨索鎖定值Tab.1 Each anchor force in the virtual design kN

圖8 不同錨索鎖定值時支護(hù)樁的水平位移Fig．8 The horizontal displacement under the different pre-stress value

不同錨索鎖定值時排樁的變形值如表2 所示．從表2 可以看出，當(dāng)錨桿鎖定值從100 kN 提高到300 kN 時，基坑坡頂水平位移和沉降均無明顯變化．規(guī)范［7］規(guī)定錨桿鎖定值宜取錨桿軸向拉力標(biāo)準(zhǔn)值的0．75 ～0．9 倍，因此實(shí)際工程中錨桿鎖定值的變化范圍較?。谏鲜稣J(rèn)識，針對土釘墻-樁錨聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)中特定的樁、錨剛度比例，錨索鎖定值改變對坡頂?shù)乃轿灰坪统两涤绊懕容^小．

表2 不同錨索鎖定值時基坑的變形值Tab.2 The deformation of excavation under the different pre-stress value

3．3 樁徑

不同樁徑經(jīng)軟件模擬換算厚度如表3 所示［8］．不同樁徑下支護(hù)樁水平位移如圖9 所示．從圖9 可以看出，隨著樁徑的增大，支護(hù)樁樁身位移整體變小且增量也變?。?/p>

不同樁徑條件下基坑的變形值如表4 所示．分析表4 可知，改變樁徑(樁間距不變)對坡頂水平位移、坡頂沉降都有明顯影響．考慮到安全和經(jīng)濟(jì)的因素，建議在實(shí)際支護(hù)設(shè)計(jì)中應(yīng)保證支護(hù)樁具有適當(dāng)剛度．

表3 不同樁徑換算厚度Tab.3 The equivalent thickness of wall corresponding to different pile diameter

圖9 不同樁徑條件下支護(hù)樁水平位移Fig．9 The horizontal displacement of retaining pile under with different diameters

表4 不同樁徑基坑的變形值Tab.4 The deformation of excavation under different pile diameters mm

4 結(jié)論

對土釘墻-樁錨聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析表明:

(1)土釘墻-樁錨聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)中土釘墻高度宜限制在6 m 以內(nèi)．

(2)錨索鎖定值改變對坡頂?shù)乃轿灰坪统两涤绊戄^?。?/p>

(3)排樁直徑對支護(hù)結(jié)構(gòu)變形影響顯著． 在實(shí)際支護(hù)設(shè)計(jì)時應(yīng)保證支護(hù)樁具有適當(dāng)?shù)膭偠龋?/p>

［1］ 尹驥，李象范．上部土釘、下部樁錨結(jié)構(gòu)的復(fù)合型圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算方法的探討［J］． 巖土錨固工程，2008，12(4):26 -30．

［2］ 郭院成，楊慶，黃廣華，等．樁錨與土釘聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化選型［J］．河南科學(xué)，2004，22(3):363-366．

［3］ 吳忠誠，湯連生，劉曉綱，等．復(fù)合土釘墻大型現(xiàn)場測試及變形性狀分析研究［J］． 巖土力學(xué)與工程學(xué)報，2007，26(z1):2974 -2980．

［4］ 朱彥鵬，夏晉華，司亞蔚．深基坑樁錨與土釘墻聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測分析［J］． 甘肅科學(xué)學(xué)報，2009，21(1):117 -120．

［5］ 張麗麗，張欽喜，馬慶迅． 樁錨-土釘組合支護(hù)中土釘受力規(guī)律［J］． 北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2011，37(9):1338 -1342．

［6］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部． GB 50497—2009，建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范［S］．北京:中國計(jì)劃出版社，2009．

［7］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部． JGJ 120—2012，建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2012．

［8］ HORVATH R G，KENNEY TC，KOZICK P．Method of improking the performance of drilled in weak rock［J］．Canadian Geotechnical Journal，1983，20:758 -722．