板肋式錨桿擋土墻支護(hù)在深基坑工程中的應(yīng)用

王秀婷，張世民，王成宗，李權(quán)波（.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南　00；.浙江大學(xué) 城市學(xué)院，浙江 杭州　005；.中鐵十七局集團(tuán)有限公司，山西 太原　00000；.中冶建工集團(tuán)有限公司，重慶　0008）

板肋式錨桿擋土墻支護(hù)在深基坑工程中的應(yīng)用

王秀婷1，張世民2，王成宗3，李權(quán)波4
（1.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南232001；2.浙江大學(xué) 城市學(xué)院，浙江 杭州310015；3.中鐵十七局集團(tuán)有限公司，山西 太原030000；4.中冶建工集團(tuán)有限公司，重慶400082）

以西南一城市綜合換乘樞紐站改造深基坑支護(hù)工程為例，結(jié)合工程所在區(qū)域的地質(zhì)條件、場(chǎng)地情況和周邊環(huán)境，重點(diǎn)分析了板肋式錨桿擋土墻錨桿、肋柱、擋土板的設(shè)計(jì)方法和施工程序，并建模計(jì)算了支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和加固效果。結(jié)果表明，板肋式錨桿擋土墻支護(hù)能改善基坑整體和局部穩(wěn)定性，可為類似工程提供參考。

深基坑；板肋式錨桿擋土墻支護(hù)；FLAC-3D；穩(wěn)定性分析

在城市化的快速發(fā)展過(guò)程中，城市道路的擴(kuò)建和改建，城市商業(yè)中心和綜合交通樞紐的建設(shè)，以及地鐵工程施工中，?？梢?jiàn)到深基坑。擋土墻作為一種支擋結(jié)構(gòu)可有效維護(hù)基坑及其周邊建筑物的穩(wěn)定，因而工程應(yīng)用日趨頻繁。擋土墻結(jié)構(gòu)可劃分為重力式［1］、懸臂式、扶壁式［2］、減力板式、錨桿式［3］等。其中板肋式錨桿擋土墻由于結(jié)構(gòu)輕便，減少空間占有率，而且可機(jī)械化施工，減少人力成本的特點(diǎn)，被大量運(yùn)用于城市建筑深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)中。廖奇云［4］較早闡明板肋式錨桿擋土墻的施工方法；崔國(guó)慶等［5-6］探討了將板肋式錨桿擋土墻加固方案運(yùn)用在公路邊坡加固工程中的效果；羅江波［7］分析了某邊坡失穩(wěn)原因，在二次支護(hù)中運(yùn)用了錨桿擋土墻支護(hù)，并取得較好的加固效果。

本文以西南一城市綜合樞紐站改造工程深基坑為例，進(jìn)行了板肋式錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，闡明了施工時(shí)序和施工方法，并用數(shù)值模擬進(jìn)行了加固效果預(yù)測(cè)，以期對(duì)類似工程問(wèn)題提供經(jīng)驗(yàn)與借鑒。

1　工程概況

城市綜合樞紐站改造工程深基坑位于西南一城市鬧市區(qū)，屬低丘地貌單元，整個(gè)場(chǎng)地平坦開(kāi)闊，地形坡角多為8°～13°［8-9］。基坑平面見(jiàn)圖1。基坑周圍建筑物較多，距離最近的為2棟33層的商業(yè)購(gòu)物中心?；悠矫娉叽鐬?190 m×180 m，最大開(kāi)挖深度達(dá)到38.1 m。地質(zhì)鉆孔資料顯示，地層自上而下依次為①人工填土；②粉質(zhì)黏土；③砂巖；④泥巖（未鉆透）。

圖1　基坑平面

2　板肋式錨桿擋土墻支護(hù)設(shè)計(jì)

2.1錨桿設(shè)計(jì)

錨筋采用HRB500級(jí)φ32螺紋鋼筋，按水平間距2.5 m，垂直間距2.5 m正方形布置。錨桿以15°錨入到穩(wěn)定巖層中，見(jiàn)圖2。其中錨入長(zhǎng)度從上至下依次為19，18，17，15，14，13，12，10，9和8 m，錨桿錨固體長(zhǎng)度為5 m，直徑不小于120 mm，注漿體強(qiáng)度M25。錨桿嵌入肋板擋土墻深度為22 cm，嵌入段的端頭彎鉤采用φ18的光圓鋼筋，彎鉤長(zhǎng)度不得小于70 cm。

2.2肋柱設(shè)計(jì)

板肋式錨桿擋土墻肋柱采用C30鋼筋混凝土，間距為3 m，高為30 m，橫截面尺寸為900 mm×600 mm。肋柱設(shè)頂梁，截面為正方形，邊長(zhǎng)為600 mm。頂梁采用C25鋼筋混凝土。

圖2　板肋式錨桿擋土墻結(jié)構(gòu)立面

2.3擋土板設(shè)計(jì)

擋土板設(shè)計(jì)采用雙面雙層配筋方案，橫筋 φ12 mm@200 mm，縱筋φ16 mm@150 mm，鋼筋保護(hù)層厚度外筋為35 mm，內(nèi)側(cè)為50 mm，而錨桿連接處設(shè)置加密鋼筋。擋土板采用Ⅰ型板，分段連接，厚度為40 cm。擋土板搭接肋柱的長(zhǎng)度為45 cm，板后按照規(guī)范要求回填透水性材料。

2.4排水設(shè)計(jì)

為防止基坑涌水，擋土板上設(shè)有泄水孔，按間距2.0 m設(shè)置。

2.5施工方法

板肋式錨桿擋土墻施工方案采取逆作法，即自上而下分層、分段跳槽開(kāi)挖+及時(shí)支護(hù)。施工順序：施工前期準(zhǔn)備→布置地表截排水設(shè)施→基坑分段跳槽開(kāi)挖→施工錨桿→澆筑肋柱、擋土板混凝土→混凝土養(yǎng)護(hù)→混凝土強(qiáng)度達(dá)到80%后再進(jìn)行下一級(jí)基坑邊坡開(kāi)挖，如此循環(huán)施工。

3　板肋式錨桿擋土墻支護(hù)效果分析

3.1數(shù)值模型

深基坑三維數(shù)值模型坐標(biāo)系的選取遵循右手正交法：以整個(gè)數(shù)值模型的左下角在水平面上的投影點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，其X軸為東西方向，正向指向東，Y軸為南北向，正向指向北，Z軸以豎直向上為正。為減少邊界效應(yīng)，模型計(jì)算范圍沿 X軸向取190 m，沿 Y軸向取180 m，沿Z軸向取85 m（高程從150～235 m）。計(jì)算模型共有單元24 221個(gè)，節(jié)點(diǎn)26 714個(gè)，其中開(kāi)挖單元數(shù)2 728個(gè)，三維網(wǎng)絡(luò)及概化模型如圖3所示?？紤]基坑所處地質(zhì)地貌條件，模型邊界條件在X向、Y向和底部邊界（Z向）分別取法向支座約束。

圖3　深基坑三維數(shù)值模型

3.2計(jì)算方法及計(jì)算條件

土層和巖層的本構(gòu)模型均采用FLAC-3D自帶的改進(jìn)摩爾-庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算，該準(zhǔn)則是傳統(tǒng)Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則與抗拉屈服準(zhǔn)則相結(jié)合的復(fù)合屈服準(zhǔn)則。其 Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則和抗拉屈服準(zhǔn)則分別為

式中：σ1，σ3分別為第一，第三主應(yīng)力；σt為抗拉強(qiáng)度；c為材料黏聚力；φ為內(nèi)摩擦角。

模型中巖土體及錨桿特性參數(shù)分別見(jiàn)表1和表2。在計(jì)算中，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用 FlAC-3D內(nèi)置的結(jié)構(gòu)單元模擬。其中板肋采用shell結(jié)構(gòu)單元模擬，錨桿采用cable結(jié)構(gòu)單元模擬；其他均采用實(shí)體單元模擬。開(kāi)挖共分5步進(jìn)行，采用“殺死”單元進(jìn)行模擬。

表1　巖土體力學(xué)參數(shù)

表2　錨桿特性參數(shù)

3.3分析結(jié)果

為分析板肋式錨桿擋土墻支護(hù)對(duì)基坑穩(wěn)定的影響，在三維計(jì)算模型中，切割剖面29，30和34以便分析基坑內(nèi)部變形情況，剖面29，30和34的位置參見(jiàn)圖3。

3.3.1邊墻應(yīng)力分析

基坑開(kāi)挖完成后，邊墻最大主應(yīng)力平行于邊坡面，而最小主應(yīng)力垂直于邊坡面。隨著基坑開(kāi)挖深度的增加，各主應(yīng)力也在不斷增加，以致在開(kāi)挖完成后基坑坡腳附近出現(xiàn)壓應(yīng)力集中現(xiàn)象，但應(yīng)力水平總體不高。加固后，最大主應(yīng)力為1 079.7 kPa，最小主應(yīng)力為106.7 kPa。表明基坑開(kāi)挖后，邊墻的應(yīng)力水平小于巖體抗壓強(qiáng)度，加固效果顯著。

3.3.2支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

基坑開(kāi)挖后剖面29錨桿軸力見(jiàn)圖4。由計(jì)算結(jié)果可知，錨桿總體呈受拉狀態(tài)，所承受的最大拉力為46.4 kN，位于第1排錨桿的端部。各層錨桿軸力分布是不均勻的，總體呈靠近端頭部位的軸力最大，錨固端最小。上部開(kāi)挖段錨桿的錨固力整體大于下部開(kāi)挖段錨桿的錨固力。結(jié)合該剖面的地層巖性，由于基坑上層為素填土，變形較大，從而導(dǎo)致該部位的錨桿應(yīng)力比其他部位高［10］。

圖4　基坑開(kāi)挖完成后剖面29錨桿軸力

3.3.3C棟建筑物基礎(chǔ)沉降及水平位移

圖5　基坑開(kāi)挖后建筑物沉降及水平位移

基坑開(kāi)挖完成后C棟建筑物基礎(chǔ)沉降及水平位移見(jiàn)圖5。由圖5可知，最大沉降位移位于剖面34處，最大沉降位移差為0.22 mm，建筑物的傾斜度為0.007‰。由于巖體抗變形能力較強(qiáng)，基坑開(kāi)挖后不會(huì)導(dǎo)致建筑物發(fā)生不均勻沉降?；娱_(kāi)挖完成后，建筑物向基坑方向發(fā)生水平向位移。最大水平位移在剖面29，為0.2 mm，但建筑物基礎(chǔ)最大水平位移差位于剖面30，為0.04 mm。由此產(chǎn)生的基礎(chǔ)底板混凝土附加拉應(yīng)力為37.33 kPa。

4　結(jié)論

本文運(yùn)用板肋式錨桿擋土墻支護(hù)方案對(duì)一車站深基坑工程進(jìn)行加固研究，得到如下結(jié)論：

1）施加支護(hù)措施后，錨桿總體呈受拉狀態(tài)，各層錨桿最大軸力位于端頭部位，最小在錨固端，且上部開(kāi)挖段錨桿的錨固力較下部偏大。

2）基坑開(kāi)挖過(guò)程中，隨著開(kāi)挖深度的增加主應(yīng)力在增加，在基坑坡腳附近出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，而最大主應(yīng)力方向平行于邊坡面，而最小主應(yīng)力方向垂直于邊坡面。

3）基坑開(kāi)挖是應(yīng)力不斷釋放的過(guò)程，使得基坑側(cè)壁的巖土體有向臨空面滑動(dòng)的趨勢(shì)，以致靠近基坑側(cè)壁的地表發(fā)生較大沉降變形，離基坑較近的建筑物最大沉降位于剖面34，最大水平位移位于剖面30，均滿足規(guī)范要求。

4）通過(guò)模擬加固后的深基坑工程可知，板肋式錨桿擋土墻使得基坑變形在工程安全控制標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，錨桿、肋柱和墻體的設(shè)計(jì)也滿足規(guī)范的要求。

［1］姚燕明，趙豫鄂.利用既有車站作為重力式擋墻的換乘車站深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案［J］.鐵道建筑，2015（9）：86-89.

［2］王金艷，張勁松.京津城際鐵路扶壁式擋土墻的設(shè)計(jì)與施工技術(shù)［J］.鐵道建筑，2008（增）：153-155.

［3］顏承柱.擋土墻選型與設(shè)計(jì)［J］.東北水利水電，2011（6）：9-11.

［4］廖奇云.板肋式鋼筋混凝土錨桿擋土墻施工［J］.建筑施工，1996，18（2）：11-12.

［5］崔國(guó)慶.板肋式錨桿擋土墻在高切坡工程中的應(yīng)用［J］.焦作大學(xué)學(xué)報(bào)，2004（3）：111-112.

［6］茍棟元，李海平.板肋式錨桿擋土墻在巖質(zhì)路塹邊坡預(yù)加固中的應(yīng)用［J］.公路與汽運(yùn)，2013（6）：134-137.

［7］羅江波.壁板式錨桿擋土墻典型破壞原因分析及加固措施［J］.工程勘察，2011（6）：19-22.

［8］龔旭東.基于受力計(jì)算的深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法［J］.鐵道建筑，2014（5）：82-85.

［9］楊芮，習(xí)志銳，潘少華.深基坑支護(hù)方案優(yōu)化及其應(yīng)力應(yīng)變分析［J］.水電能源科學(xué)，2013，31（12）：143-146.

［10］王志杰，何晟亞，袁曄.地鐵車站維護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)主體結(jié)構(gòu)內(nèi)力與位移的影響研究［J］.鐵道建筑，2015（7）：65-67.

（責(zé)任審編趙其文）

Application of Ribbed Plate-type Anchored Bolt Retaining Wall Supporting in Deep Foundation Pit

WANG Xiuting1，ZHANG Shimin2，WANG Chengzong3，LI Quanbo4
（1.School of Civil Engineering and Architecture，Anhui University of Science and Technology，Huainan Anhui 232001，China；2.Zhejiang University City College，Hangzhou Zhejiang 310015，China；3.China Railway 17 Bureau Group Co.，Ltd.，Taiyuan Shanxi 030000，China；4.China Metallurgical Construction Engineering Group Co.，Ltd.，Chongqing 400082，China）

T aking the deep foundation pit support reconstruction engineering at the transfer hub station in one southwest city as an example，the bolt，rib-column and retaining plate design methods and construction procedures for ribbed plate-type bolt retaining wall supporting were analyzed.T he internal force and reinforcement effect of support structure were modeled and calculated by considering the regional geological conditions，site conditions and the surrounding environment of the project.T he results show that ribbed plate-type bolt retaining wall supporting could improve the overall and local stability of foundation pit and could provide a reference for similar projects.

Deep foundation pit；Ribbed plate-type bolt retaining wall supporting；FLAC-3D；Stability analysis

王秀婷（1990— ），女，碩士研究生。

TU433；U417.1+16

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.07.24

1003-1995（2016）07-0096-04

2015-12-12；

2016-04-06

浙江省科技廳項(xiàng)目（2013C31041）；浙江省住建廳項(xiàng)目（2015k60，2014Z099）；浙江大學(xué)城市學(xué)院教師基金項(xiàng)目（J-15017）