理正深基坑軟件有關(guān)預(yù)應(yīng)力施加問題的探討

張磊 張穎

(1.中勘冶金勘察設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，河北保定 071069; 2.邯鄲市成祥房地產(chǎn)開發(fā)有限公司，河北邯鄲 056000)

1 概述

在深基坑支護(hù)體系中，樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理，因此在深基坑支護(hù)中得到迅速發(fā)展和應(yīng)用。然而理論遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于工程實踐，錨桿預(yù)應(yīng)力施加的大小對支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和位移的影響有待進(jìn)一步研究，本文結(jié)合“理正”深基坑設(shè)計軟件，對目前樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計中常遇的錨桿預(yù)加力的取值及最終鎖定值的問題進(jìn)行探討分析。

目前“理正”軟件中對錨桿預(yù)應(yīng)力的施加值與最終的鎖定值都處于半經(jīng)驗半理論的階段，目前常用的方法有兩種:一種是結(jié)合以往經(jīng)驗，先在軟件中預(yù)設(shè)一定的預(yù)應(yīng)力值，然后由軟件自動計算出錨桿的長度，最后出施工圖時，錨桿的預(yù)應(yīng)力的鎖定值先按(錨桿筋體的抗拉強(qiáng)度;錨固段筋體與砂漿之間的粘結(jié)強(qiáng)度;錨固段周圍土體與砂漿之間的粘結(jié)強(qiáng)度)這三者之間的最小值，計算出錨桿極限抗拔承載力標(biāo)準(zhǔn)值Rk，再由JGJ 120—2012建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程［1］公式Rk/Nk≥Kt(Kt為錨桿抗拔安全系數(shù))求出Nk(錨桿軸向拉力標(biāo)準(zhǔn)值);錨桿預(yù)應(yīng)力最終鎖定值取(0.75 ～0.8)Nk。

第二種方法首先計算錨桿長度，錨桿長度由非錨固段和錨固段兩部分組成，錨桿非錨固段長度按如下式求得:

式中:lf——錨桿非錨固段長度，m;

a——錨桿傾角;

a1——錨桿的錨頭中點至基坑底面的距離;

a2——基坑底面至基坑外側(cè)主動土壓力強(qiáng)度與基坑內(nèi)側(cè)被動土壓力強(qiáng)度等值點的距離;對成層土，當(dāng)存在多個等值點時應(yīng)按其中最深的等值點計算;

d——擋土構(gòu)件的水平尺寸;

φm——等值點以上各土層按厚度加權(quán)的等效內(nèi)摩擦角。

求出錨桿非錨固段長度，然后結(jié)合當(dāng)?shù)毓こ探?jīng)驗給定錨桿錨固段長度。錨桿長度選定好后，結(jié)合以往工程經(jīng)驗對錨桿施加一個預(yù)應(yīng)力值，然后通過計算滿足支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定、最大位移滿足規(guī)范限制的規(guī)定，錨桿預(yù)應(yīng)力的最終鎖定值按施加的預(yù)應(yīng)力值進(jìn)行鎖定。

由上可以看出對樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力施加值目前處在半經(jīng)驗半理論的階段，缺乏經(jīng)驗的設(shè)計人員，對錨桿預(yù)應(yīng)力施加值及最終鎖定值的確定可操作性差，本文通過“理正”深基坑設(shè)計軟件的試算比較，對軟件施加預(yù)應(yīng)力的原理做簡單分析，為設(shè)計人員在今后利用“理正”軟件做樁錨支護(hù)設(shè)計時，對錨桿預(yù)加力的施加值及最終鎖定值的確定給出些建議。

2 錨桿有效預(yù)應(yīng)力及對土壓力平衡分析

樁錨支護(hù)體系中，施加的預(yù)應(yīng)力由支護(hù)樁及支護(hù)樁背后的主動土壓力來平衡，李元勛、朱彥鵬等［2-4］提出錨桿有效預(yù)應(yīng)力計算模型:首先由樁土之間的變形協(xié)調(diào)關(guān)系，可知施加預(yù)應(yīng)力引起的支護(hù)樁的位移δ與樁后土體產(chǎn)生的位移相同。錨桿有效預(yù)應(yīng)力的計算模型如下(如圖1所示)。

式中:P——錨桿上施加預(yù)應(yīng)力;

δ——錨桿施加預(yù)應(yīng)力后引起的樁土位移;

θ——錨桿的傾角;

K——土彈簧剛度;

FZ——預(yù)應(yīng)力作用下排樁在該作用點處產(chǎn)生的抗力;

H——錨桿作用點至基坑底的距離。

圖1 樁錨支護(hù)體系力學(xué)模型

排樁屬于柔性支擋結(jié)構(gòu)，柔性支擋結(jié)構(gòu)剛度小，支擋結(jié)構(gòu)在自身的工作狀態(tài)下變形較大，基坑開挖后及錨桿施加預(yù)應(yīng)力之前，支擋結(jié)構(gòu)隨主動土壓力向基坑內(nèi)側(cè)發(fā)生較大的變形，錨桿發(fā)揮著懸掛的作用，錨桿承受著一定的拉力，把作用于樁上的荷載傳遞到穩(wěn)定的地層中。對錨桿施加預(yù)應(yīng)力將支護(hù)樁與樁后穩(wěn)定土體連接在一起，使樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)體系形成一主動受力支護(hù)體系，使支護(hù)樁后穩(wěn)定土體由主動土壓力變成靜止土壓力，隨著預(yù)應(yīng)力的增加由靜止土壓力再轉(zhuǎn)變?yōu)楸粍油翂毫?，?dǎo)致土體中產(chǎn)生應(yīng)力增量，減小了支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的位移，錨桿在整個變化過程中(支護(hù)樁后穩(wěn)定土體由主動土壓力變成被動土壓力的過程中)承擔(dān)著懸掛作用時的軸向拉力及施加鎖定后的預(yù)加力之和。

結(jié)合工程實例來更好的說明樁錨支護(hù)中，錨桿所受到的力的狀態(tài)，算例如下。

3 工程算例

北京市某基坑工程項目，基坑周邊環(huán)境復(fù)雜，場地狹小，基坑深度8.0 m，分段采用排樁預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)。地下水埋藏較深可不考慮地下水，建設(shè)場地內(nèi)分布兩層土，雜填土和卵石，土體參數(shù)如表1所示。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

選取基坑北側(cè)支護(hù)段進(jìn)行計算分析研究，支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖2所示。排樁樁徑0.8 m，間距1.5 m，樁長12.4 m，嵌固端埋深5 m，樁間采用鋼筋網(wǎng)片+噴射混凝土進(jìn)行封堵。在冠梁頂往下3 m深度處設(shè)置一道預(yù)應(yīng)力錨索，錨索采用低松弛高強(qiáng)度鋼絞線fptk=1 860，1×7標(biāo)準(zhǔn)型鋼絞線公稱直徑 d=15.2 mm，傾角為 15°，錨孔孔徑為0.15 m，注漿采用純水泥漿，水灰比0.5，錨固體設(shè)計強(qiáng)度30 MPa，其余參數(shù)見支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖(見圖2)。地表超載取值為20 kPa，作用寬度為24 m。

圖2 支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖

選用“理正”軟件［5］分別計算錨桿施加預(yù)應(yīng)力為0 kN，50 kN，100 kN，150 kN，200 kN時錨桿軸向內(nèi)力標(biāo)準(zhǔn)值、樁承擔(dān)的抗力標(biāo)準(zhǔn)值、施加預(yù)應(yīng)力對錨桿軸向內(nèi)力標(biāo)準(zhǔn)值的增加值及樁頂位移最大值，計算結(jié)果如表2所示。

表2 不同情況下計算結(jié)果

經(jīng)對比可以看出，伴隨著錨桿施加的預(yù)應(yīng)力值的增加，樁頂位移最大值減小，分析原因，樁身上錨桿的作用是把作用于樁面板上的荷載傳遞到更遠(yuǎn)的穩(wěn)定的地層中，嚴(yán)格講可把錨桿當(dāng)成彈性支座，樁身是支承在一系列彈性支座上，可得到預(yù)應(yīng)力錨桿位置處其節(jié)點水平位移為:

式中:P——錨桿施加的預(yù)應(yīng)力值;

F——錨桿支座處的水平支座反力;

Lf——錨桿非錨固長度;

E——錨桿筋體彈性模量;

A——筋體的截面面積。

當(dāng)對錨桿施加的預(yù)應(yīng)力值為0 kN時，錨桿承受的軸向內(nèi)力標(biāo)準(zhǔn)值為164.31 kN(懸掛力)，對錨桿施加的預(yù)應(yīng)力一部分由支護(hù)樁分擔(dān)，而且伴隨著預(yù)應(yīng)力值的增加支護(hù)樁承擔(dān)的抗力標(biāo)準(zhǔn)值增加(支護(hù)樁的剛度為，伴隨著錨桿施加的預(yù)應(yīng)力值的增加，錨桿位置處預(yù)應(yīng)力引起的樁體位移δ增加，可知樁承載的抗力δ增加)，還可得知樁承擔(dān)的抗力標(biāo)準(zhǔn)值與施加預(yù)應(yīng)力對錨桿軸向內(nèi)力標(biāo)準(zhǔn)值的增加值之和等于對錨桿施加的預(yù)應(yīng)力值。

樁錨支護(hù)體系中對錨桿主要承受的軸力有:

1)主動土壓力作用下引起的拉力;

2)為控制位移施加的預(yù)應(yīng)力值。對于土體來分析，伴隨著錨桿施加預(yù)應(yīng)力值的增大，由施加預(yù)應(yīng)力之前的主動土壓力變化為被動土壓力的趨勢，這過程中經(jīng)歷了靜止土壓力。通過對土體施加預(yù)應(yīng)力來平衡一部分主動土壓力(錨桿施加預(yù)應(yīng)力可以把一部分主動土壓力通過錨桿錨固段傳遞到遠(yuǎn)處較穩(wěn)定的土層中)，利用穩(wěn)定土體來加固不穩(wěn)定土體，使排樁擋土結(jié)構(gòu)與土體協(xié)同工作來保持樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

本文從已有樁錨支護(hù)體系中，錨桿有效預(yù)應(yīng)力計算模型研究入手，結(jié)合實際工程對“理正”軟件中預(yù)應(yīng)力的施加值及作用進(jìn)行了分析研究，得出以下幾點結(jié)論:

1)深基坑樁錨支護(hù)體系中，對錨桿施加的預(yù)應(yīng)力值越大，支護(hù)體系的控制位移越明顯，對基坑周邊環(huán)境的影響越小;

2)“理正”軟件中施加的預(yù)應(yīng)力值，一部分作用在支護(hù)樁上，一部分平衡支護(hù)結(jié)構(gòu)后的主動土壓力值(減少支擋內(nèi)力和水平位移)，使支護(hù)體系后面的主動土壓力通過錨桿傳到更遠(yuǎn)的穩(wěn)定土層中);

3)“理正”軟件中最后計算結(jié)果中，錨桿軸向內(nèi)力標(biāo)準(zhǔn)值由懸掛力和施加預(yù)應(yīng)力值(扣除作用在樁上的力)兩部分組成;

4)有關(guān)錨桿預(yù)應(yīng)力的最終鎖定值，《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定可按照錨桿軸向拉力標(biāo)準(zhǔn)值Nk的0.75～0.9鎖定，鎖定值偏大不合理，實際工程中錨桿預(yù)應(yīng)力的最終鎖定值可按P/cosθ鎖定(其中，P為實際施加的預(yù)應(yīng)力值;θ為錨桿的傾角);

5)文中以單排錨桿施加的預(yù)應(yīng)力及最終鎖定值的確定進(jìn)行了分析研究，對多排錨桿預(yù)應(yīng)力值作用機(jī)理有待進(jìn)一步研究。