樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計及支護(hù)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測分析

李 芳，李 強(qiáng)，于元峰，宗士昌

(首鋼地質(zhì)勘查院北京愛地地質(zhì)勘察基礎(chǔ)工程公司，北京100144)

0 引言

基坑工程是一個綜合性和實踐性很強(qiáng)的巖土工程。所謂基坑，指為進(jìn)行建(構(gòu))筑物地下部分的施工由地面向下開挖出的空間［1］。隨著城市建設(shè)、工業(yè)化不斷發(fā)展，建筑高度的增加，根據(jù)構(gòu)造及使用要求，基礎(chǔ)埋深也隨之不斷增加，使深基坑工程向大深度和大規(guī)模方向發(fā)展［2］。目前，深基坑的支護(hù)技術(shù)雖已取得了長足的發(fā)展，但由于基坑開挖面積和深度加大，加上深基坑支護(hù)受建筑物的基礎(chǔ)特點、場地水文地質(zhì)條件、場地周邊環(huán)境等諸多因素影響，使得基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計不僅要考慮自身強(qiáng)度控制方面問題，更要從基坑變形控制方面加深設(shè)計。樁錨支護(hù)就是基坑工程中被大量采用的支護(hù)形式，它具有效果好、適應(yīng)性強(qiáng)和施工簡便等特點［3］，樁錨支護(hù)體系主要由護(hù)坡樁、錨桿、腰梁及鎖口梁等幾部分組成［4］，通過樁與錨桿、梁的共同作用，達(dá)到護(hù)坡及控制變形目的?；谝陨?，本文以北京某一基坑護(hù)坡工程為例，從場地工程地質(zhì)條件、周邊環(huán)境、設(shè)計方案優(yōu)化、支護(hù)結(jié)構(gòu)檢測等幾個方面，對深基坑樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計及結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行分析研究，總結(jié)經(jīng)驗，以便對今后類似的深基坑支護(hù)工程起到指導(dǎo)作用。

1 工程概況

1．1 工程簡介

擬建工程場地西側(cè)為交大附屬小學(xué)，建筑物最高為3層，距離本場地約15 m。南側(cè)緊鄰現(xiàn)有校園道路，約12 m外為學(xué)生宿舍樓。東側(cè)為交大二附中，建筑物最高為4層，距離本場地約10 m。北側(cè)為規(guī)劃道路、已有道路、臨建及鐵研專用線。基坑周邊場地有限，施工料場、生活區(qū)等均距基坑上口線較近，對變形控制要求高?；由?2.35～14.85 m?；娱L約142 m，寬約132 m?；悠矫婕爸苓叚h(huán)境如圖1所示。

圖1 基坑平面及周邊環(huán)境示意圖

1．2 場地工程地質(zhì)條件

1．2．1 地層巖性

本工程覆蓋地區(qū)50.0 m深度范圍內(nèi)的地層主要為人工填土層(Q4ml)及一般第四系沖、洪積層(Q4al+pl)。根據(jù)場地的工程地質(zhì)情況，將現(xiàn)場地層劃分為8個大層，各土層主要物理力學(xué)參數(shù)見表1。

1．2．2 地下水

地下水共2層，第一層為上層滯水，主要受大氣降水及地下管道滲漏補(bǔ)給，地下水水位埋深9.5～9.8 m;第二層為層間潛水，主要受大氣降水及地面徑流補(bǔ)給，地下水水位埋深15.6～17.5 m。

2 基坑支護(hù)設(shè)計方案

2．1 方案選取

基坑開挖是卸荷的過程，將引起基坑周邊土體

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

應(yīng)力場變化及地面沉降，支護(hù)結(jié)構(gòu)在兩側(cè)壓力差的作用下產(chǎn)生水平向位移因而導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)后面的土體產(chǎn)生位移，卸荷引起的坑底土體產(chǎn)生向上的位移也會導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)后面的土體產(chǎn)生位移［5］。本基坑周邊環(huán)境復(fù)雜，基坑工程在保證安全的同時主要控制條件為變形控制。

目前規(guī)范提供的支護(hù)結(jié)構(gòu)有支擋式結(jié)構(gòu)、土釘墻、重力式水泥土墻、放坡或采用上述型式的組合［1］。針對本深基坑周邊情況及場地地質(zhì)條件等多因素，選取護(hù)坡樁與預(yù)應(yīng)力錨桿相結(jié)合的支護(hù)結(jié)構(gòu)方案。

2．2 設(shè)計方案簡介

地面超載按q=15～30 kPa考慮。

基坑護(hù)坡均采用護(hù)坡樁+預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)方式，除 DE、KL、MN、NO 段護(hù)坡樁位于地表外，其他處護(hù)坡樁樁頂標(biāo)高位于地表下－3.0 m，樁頂以上3 m砌筑擋墻為370 mm磚墻。

在基坑MN段有一棵古樹需要保護(hù)，在此處加大樁間距至2.0 m，錨桿間距為兩樁一錨;在頂部－0.3 m處做拉錨，水平間距4.0～6.0 m;通過減少古樹范圍內(nèi)水泥注漿量，從而減少對古樹根莖的影響。為避免機(jī)械施工破壞古樹根莖，樁頂以下3 m采用人工挖孔，－3 m至樁底采用機(jī)械成孔。樁長15.35 m，其中嵌固段3 m，樁徑800 mm，樁頂之上做連梁，尺寸 800 mm×500 mm，強(qiáng)度 C25，兩側(cè)各配420HRB335級熱軋螺紋鋼筋，中間上下各加配216HRB335級熱軋螺紋鋼筋，箍筋8@200。錨桿配d15(75)低松弛型鋼絞線，強(qiáng)度1860 MPa。錨桿位置及設(shè)計參數(shù)見表2。(75)低松弛型鋼絞線，強(qiáng)度1860 MPa，錨桿位置及設(shè)計參數(shù)見表2。樁間采用掛網(wǎng)噴射細(xì)石混凝土保護(hù)。樁頂設(shè)鋼筋混凝土冠梁，尺寸700 mm×400 mm(DE、KL、NO段600 mm×400 mm)，錨桿鎖在冠梁或2根25b工字鋼腰梁上，樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面見圖2;樁身及冠梁配筋見圖3;樁身臨坑側(cè)配筋見表3。

圖2 樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面

表2 錨桿位置及設(shè)計參數(shù)

基坑其他段護(hù)坡樁樁長12.35～15.35 m，其中嵌固段3 m，樁間距1.2 m，樁徑600 mm，樁身強(qiáng)度C25。錨桿孔徑150 mm，下傾角15°。錨桿成孔后下入d15

圖3 樁身及冠梁配筋

表3 樁身臨坑側(cè)配筋參數(shù)

樁頂擋墻為370 mm磚墻，采用MU 7．5機(jī)制磚，M5．0水泥砂漿砌筑，擋墻頂設(shè)置370 mm×200 mm混凝土壓頂梁，擋墻中設(shè)置370 mm×370 mm混凝土立柱，立柱間距3600 mm，擋墻中部設(shè)置370 mm×200 mm混凝土腰梁。

3 基坑開挖監(jiān)測

根據(jù)深基坑支護(hù)有關(guān)規(guī)范要求以及本工程項目特殊的位置影響，結(jié)構(gòu)主體地下部分施工階段必須對基坑支護(hù)系統(tǒng)和周邊環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測。

3．1 頂部水平位移以及建筑物沉降監(jiān)測

本基坑按Ⅰ級基坑控制變形，基坑監(jiān)測預(yù)警值、報警值根據(jù)有關(guān)規(guī)范［6］確定，水平變形安全預(yù)警值為19～22 mm，安全報警值為25～29 mm，垂直變形預(yù)警值13～15 mm，安全報警值18～20 mm。自2013年8月12日開始，按規(guī)定的監(jiān)測要求，對布置在支護(hù)結(jié)構(gòu)冠梁頂部的27個水平變形監(jiān)測點進(jìn)行了變形監(jiān)測。監(jiān)測點位置和整個基坑的頂部水平總變形量見圖1，基坑各側(cè)壁實測水平變形最大的監(jiān)測點變形時程曲線見圖4。沉降觀測標(biāo)明，建筑物沉降量都不大，相對沉降量較大的學(xué)生宿舍樓、南側(cè)現(xiàn)狀道路、交大附中的沉降－時間曲線見圖5。

圖4 實測水平變形時程曲線

圖5 學(xué)生宿舍樓、現(xiàn)狀道路、交大附中沉降－時間曲線

3．2 預(yù)應(yīng)力錨桿測試

3．2．1 錨桿檢測

對本工程施工的15根錨桿進(jìn)行驗收試驗。最大張拉荷載拉至1.0倍軸向設(shè)計荷載。檢測錨桿各級荷載下錨頭累計變形結(jié)果見表4，荷載與錨頭累計位移(Q－s)曲線見圖6。

3．2．2 錨桿監(jiān)測

采用經(jīng)率定的安裝在錨頭的負(fù)荷傳感器以及應(yīng)變儀進(jìn)行了錨桿軸力監(jiān)測，基坑各邊第一排錨桿監(jiān)測錨桿的軸力T隨時間t的變化曲線見圖7。

表4 分級荷載下各錨桿錨頭累計位移 mm

圖6 荷載與錨頭累計位移(Q－s)曲線

圖7 錨桿軸力T－t曲線

4 基坑監(jiān)測結(jié)果分析

樁頂水平位移在監(jiān)測點水平變形時程曲線表現(xiàn)為從開始到開挖結(jié)束，樁頂整體趨勢是一直向基坑內(nèi)傾斜的。開挖引起的各側(cè)壁頂部水平變形的增加量均在10 mm內(nèi)。圖中看出，曲線有明顯波動，說明隨著基坑開挖深度加大，支護(hù)結(jié)構(gòu)受到樁后土體的壓力作用變化比較明顯，表現(xiàn)在樁土錨桿之間發(fā)生相互作用，慢慢達(dá)到平衡的過程，后曲線比較平穩(wěn)，是錨桿施工后對支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體拉拽作用，使得支護(hù)結(jié)構(gòu)變形變小并趨于穩(wěn)定。水平變形最大位置處變形量為9 mm(設(shè)計水平變形安全預(yù)警值為19 mm)，經(jīng)分析，此部位因冬季暖氣管道滲漏加上此處上層滯水較大導(dǎo)致局部地方樁間土流失，出現(xiàn)流砂空鼓現(xiàn)象，通過采取自滲井加注漿加固措施，很好的解決了變形問題，確保了基坑穩(wěn)定。

經(jīng)觀察，與基坑緊臨近的現(xiàn)狀道路未出現(xiàn)開裂等異常情況，周邊建筑物相對沉降大的學(xué)生宿舍樓、交大附中，均未出現(xiàn)墻體開裂等異常情況。沉降變形除現(xiàn)狀道路西側(cè)沉降量為8.36 mm(設(shè)計垂直變形安全預(yù)警值為13 mm)外，其他建筑物沉降量均小于5 mm。經(jīng)分析，現(xiàn)狀道路沉降量大的原因，是因為此處回填土較厚，密實度較差，在行駛重車后，造成此處局部下陷，經(jīng)處理后，道路恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)，沉降變形趨于穩(wěn)定。

從錨桿檢測情況看，錨桿受拔時，錨桿錨頭累計變形最小為31 mm，最大為65 mm，平均值為44.33 mm。在圖6(Q－s曲線)中，5根錨桿錨固段基本相同，穿過的地層為粘質(zhì)粉土－砂質(zhì)粉土、施工與注漿工藝也基本相同，從曲線可看出，錨桿錨頭變形相差不大。由于錨桿的抗拔承載力不但與土層和錨固體之間的界面摩阻力有直接的關(guān)系，同時與錨桿的施工質(zhì)量密切相關(guān)［7］，因此，說明本工程施工質(zhì)量比較穩(wěn)定。

錨桿軸力變化與作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的土壓力以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形有關(guān)。從圖7中可看出，所監(jiān)測的錨桿軸力未達(dá)到設(shè)計鎖定值的50%(J1～J4設(shè)計鎖定值分別為 180、180、135、135 kN)，說明支護(hù)結(jié)構(gòu)的土壓力小于計算值;曲線有較為明顯的波動，說明支護(hù)結(jié)構(gòu)在此時間段變形稍有發(fā)展;后曲線趨于平穩(wěn)，說明基坑整體基本穩(wěn)定。

5 結(jié)論

(1)針對樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)特點，本設(shè)計對護(hù)坡樁配筋進(jìn)行了優(yōu)化，即護(hù)坡樁主筋采用不均勻布置方式，在受力大的臨坑側(cè)按受力配筋計算布設(shè)，在臨土側(cè)按結(jié)構(gòu)配筋布設(shè)，在滿足支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求下，減少配筋量;同時經(jīng)理論計算、驗算，樁身彎矩在不同深度大小分布不同，結(jié)合以往類似工程經(jīng)驗，樁身配筋按彎矩大小采取分段配筋方式?；颖O(jiān)測結(jié)果表明，本樁錨支護(hù)設(shè)計方案滿足工程需求。通過以上對設(shè)計方案優(yōu)化，大大減少了護(hù)坡樁配筋量，收到了很好的經(jīng)濟(jì)效益。

(2)由于本工程場地狹小，為了更大限度利用有限空間，樁頂磚墻設(shè)計時，在磚墻中部增設(shè)了370 mm×200 mm混凝土腰梁，提高了磚墻的整體穩(wěn)定性，實踐證明，在坡頂2 m外范圍堆放鋼筋等雜物時，基坑穩(wěn)定且能滿足變形要求。

(3)基坑護(hù)坡范圍內(nèi)，有古樹需要保護(hù)，為了確保古樹生命安全的同時工程順利進(jìn)行，對古樹實行了躲避措施和保護(hù)方案，在設(shè)計時，為了避免機(jī)械施工對古樹根莖破壞，特明確在地面以下3 m范圍內(nèi)采用人工挖孔成孔工藝，在躲過古樹根莖后采用機(jī)械成孔。此方法在保證古樹生命安全的同時保證了施工質(zhì)量，可在基坑開挖范圍內(nèi)有樹木保護(hù)的地方推廣應(yīng)用。

(4)錨桿軸力與作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的土壓力以及支護(hù)結(jié)構(gòu)變形有關(guān)，同時也能間接的反映基坑的整體穩(wěn)定性。

(5)通過基坑開挖監(jiān)測及分析，證明本樁錨支護(hù)設(shè)計是安全可靠的，并具有一定的安全儲備。

(6)樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)能很好有效的控制基坑水平變形，當(dāng)深基坑周邊環(huán)境需要對變形進(jìn)行嚴(yán)格控制時，可選用樁錨支護(hù)方案進(jìn)行處理。

［1］ JGJ 120—2012，建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程［S］．

［2］ 桂國慶，涂鏗．深基坑工程的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］．工程力學(xué)，2000，(S1)．

［3］ 吳恒，周東，李陶深，等．深基坑樁錨支護(hù)協(xié)同演化優(yōu)化設(shè)計［J］．巖土工程學(xué)報，2002，24(4)．

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［5］ 王曙光．復(fù)雜周邊環(huán)境基坑工程變形控制技術(shù)［J］．巖土工程學(xué)報，2013，35(7)．

［6］ GB 50497—2009，建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范［S］．

［7］ ASCE/SEI 7—05，Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures［S］．American Society of Civil Engineers，2006．

［8］ 許錄明，楚麗爽，戴建陽，等．樁錨結(jié)構(gòu)在深基坑支護(hù)中的應(yīng)用分析［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2013，40(6):57 －60．

［9］ 劉利平，劉晶晶，張鵬，等．土釘和樁錨組合式支護(hù)體系受力和變形的數(shù)值模擬［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2014，41(8):53－57．