框架預(yù)應(yīng)力錨桿聯(lián)合微型鋼管樁新型支護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)值分析

牛世平 莊超 董建華

（1甘肅第三建設(shè)集團(tuán)公司，甘肅 蘭州 730030；2蘭州理工大學(xué)西部土木工程防災(zāi)教育部工程研究中心，甘肅 蘭州 730050；3多維聯(lián)合集團(tuán)有限公司，北京 100000）

0 引言

目前，國內(nèi)城市化仍然在高速進(jìn)行，基礎(chǔ)建設(shè)也較為廣泛地開展，由于土體資源的日益緊缺，高層建筑、超高層建筑越來越多，使得基坑的規(guī)模以及深度不斷增大，且在城市建設(shè)中，高層建筑大多建設(shè)于建筑較為密集的地段，基坑的開挖場地較為狹小，相鄰的新修建筑可能存在回填土沒有固結(jié)的情況，周圍土體土質(zhì)松散，并且基坑場地受限，這使得傳統(tǒng)的單一形式的支護(hù)形式難以在這種情況下安全、高效地應(yīng)用。針對這一工程問題，應(yīng)當(dāng)考慮結(jié)構(gòu)形式上的創(chuàng)新。

框架錨桿結(jié)構(gòu)是一種較為常用的支護(hù)結(jié)構(gòu)，廣泛地應(yīng)用于公路、鐵路邊坡地支護(hù)中。李忠等[1]學(xué)者提出了框架錨桿結(jié)構(gòu)基于過程的穩(wěn)定性計算方法。這種結(jié)構(gòu)是單一形式的傳統(tǒng)支護(hù)結(jié)構(gòu)，通過“被動”地受力維持坡體地穩(wěn)定。一些學(xué)者提出了多種結(jié)構(gòu)形式聯(lián)合的加固支護(hù)方式，許宏發(fā)等[2-6]對多種的聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了系統(tǒng)地研究。孫鐵成等[7]對水泥攪拌樁復(fù)合土釘聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了室內(nèi)模型試驗(yàn)研究，并取得了良好的效果，但是仍不能解決狹小場地應(yīng)用的問題。楊向前等[8,9]對微型樁預(yù)應(yīng)力錨桿復(fù)合土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，該結(jié)構(gòu)形式對限制基坑變形具有良好的效果；由于單一形式的結(jié)構(gòu)難以有效地解決復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境下的支護(hù)問題，聯(lián)合支護(hù)體系[10-13]越來越受到關(guān)注與應(yīng)用，但已有的這些聯(lián)合體系其支護(hù)思路都是單一地從“被動”承受土壓力地角度出發(fā)，往往經(jīng)濟(jì)成本較大。

目前，已有的支護(hù)形式難以解決深基坑工程中施工空間狹窄、土體自身強(qiáng)度低的問題。針對這一問題，考慮“被動”和“主動”相結(jié)合的加固思路。提出一種既能通過受力滿足抗力要求，又能“主動”改善松散土體的特性使其強(qiáng)度增大，減小支護(hù)結(jié)構(gòu)成本的結(jié)構(gòu)——框架預(yù)應(yīng)力錨桿聯(lián)合微型鋼管樁新型支護(hù)結(jié)構(gòu)[14]。該結(jié)構(gòu)將錨桿錨固技術(shù)、鋼管自鉆及注漿加固措施相結(jié)合，能夠改善土體的物理性質(zhì)。而新型結(jié)構(gòu)的工作機(jī)理以及力學(xué)性能的表現(xiàn)，目前還缺乏定量的研究與分析，使得其適用范圍和技術(shù)特點(diǎn)不夠明確。因此，本文針對框架預(yù)應(yīng)力錨桿聯(lián)合微型鋼管樁新型支護(hù)結(jié)構(gòu)的組成、工作機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)闡述，對力學(xué)特性進(jìn)行了數(shù)值研究，以期為工程上的應(yīng)用提供一些必要的技術(shù)支持。

1 框架預(yù)應(yīng)力錨桿微型鋼管樁聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的組成

新型聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)成，主要分為上部的框架預(yù)應(yīng)力錨桿，以及下部的自鉆式微型鋼管樁錨，結(jié)構(gòu)圖見圖1、2。

圖1 框架預(yù)應(yīng)力錨桿微型鋼管樁聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)立面示意圖

圖1中，上部的框架錨桿結(jié)構(gòu)由錨桿、橫梁和豎梁組成，三者協(xié)同受力維持坡體穩(wěn)定，屬于“被動”加固結(jié)構(gòu)。而框架錨桿結(jié)構(gòu)的下部，即為自鉆式微型鋼管樁錨結(jié)構(gòu)，該部分是新型結(jié)構(gòu)的核心部分，也是新結(jié)構(gòu)“主動”加固思路的體現(xiàn)所在；其由微型鋼管樁、樁頂?shù)墓诹杭板^桿組成，節(jié)點(diǎn)的約束使得上述3個構(gòu)件可以協(xié)同工作受力。自鉆微型鋼管樁底部嵌固于土體內(nèi)，其樁身有注漿、泄?jié){孔，利用壓力注漿技術(shù)，改善樁身周圍的土體性質(zhì)，從而提高樁的嵌固穩(wěn)定性。

圖2 框架預(yù)應(yīng)力錨桿微型鋼管樁聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖

冠梁留有通道，錨桿可固定于冠梁上，下部的微型鋼管的管身留有孔道，內(nèi)部有鉆桿，見圖3所示。上部的框架錨桿底部受到冠梁的約束，而下部的微型樁其本身也固定于冠梁，因此，整個結(jié)構(gòu)成為一個整體。

圖3 自鉆式鋼管結(jié)構(gòu)示意圖

框架預(yù)應(yīng)力錨桿結(jié)構(gòu)對坡體具有良好的錨固作用，而自鉆式鋼管樁可以自鉆成孔，對周圍土體擾動小，同時壓力注漿能對樁周土體產(chǎn)生附加應(yīng)力作用，使得土體密實(shí)，強(qiáng)度增高。

2 框架預(yù)應(yīng)力錨桿微型鋼管樁聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的工作機(jī)理

新型結(jié)構(gòu)主要由上部的框架錨桿結(jié)構(gòu)和下部的自鉆式微型鋼管樁組成，從受力的角度來看，兩部分均具有“被動”加固的能力，通過冠梁處的約束連接，使得整體上可以協(xié)同受力；鋼管樁自身的泄?jié){孔可以通過壓力注漿，擠壓周圍土體，“主動”改善土體力學(xué)特性。因此，依據(jù)新型結(jié)構(gòu)的組成以及各部分結(jié)構(gòu)的特性，其工作機(jī)理主要可分為三個方面。

2.1 框架錨桿錨固機(jī)理

該部分結(jié)構(gòu)將土壓力對于結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的拉力，通過框架將其傳遞到錨桿上，將錨桿上的壓力通過錨固段傳遞到穩(wěn)定的地層當(dāng)中去，從而使得坡體的下滑力得到有效地控制，維持坡面的穩(wěn)定；此外，當(dāng)對錨桿施加預(yù)應(yīng)力后，一方面這種反壓力使得潛在滑面處摩擦力增大，另一方面其本身可以抵消一部分下滑力，進(jìn)一步地限制坡體位移。

2.2 微型鋼管樁的工作機(jī)理

新型結(jié)構(gòu)中的微型鋼管樁是結(jié)合了自鉆技術(shù)和壓力注漿技術(shù)的一種加固支護(hù)結(jié)構(gòu)，其本身除了“被動”受力外，還可以“主動”改善樁周土體性質(zhì)，具有“主動”加固的功能。具體表現(xiàn)在兩個過程：1）鋼管樁通過自鉆技術(shù)打入土體，樁的進(jìn)入本身就可以對土體進(jìn)行擠密，提高土體強(qiáng)度；2）樁的自鉆完成后，進(jìn)行壓力注漿，一方面注漿壓力也會對周圍土體產(chǎn)生擠密效果，另一方面，泥漿可以滲透到周圍土體中，使其發(fā)生部分固化，進(jìn)一步的改善了土體性質(zhì)。樁與樁之間、樁與土之間的整體剛度增大，協(xié)同性能更好。

2.3 結(jié)構(gòu)卸荷機(jī)理

新型結(jié)構(gòu)通過上部、和下部的結(jié)構(gòu)相互協(xié)同配合，構(gòu)成一個空間協(xié)同支護(hù)體系。上部的框架錨桿結(jié)構(gòu)的放坡作用，可以降低土體壓力對下部鋼管樁的作用，而通過冠梁處的連接，可以使得坡體的土壓力一部分由錨桿傳遞到穩(wěn)定地層進(jìn)行分擔(dān)，一部分傳遞到鋼管樁處的穩(wěn)定地層進(jìn)行分擔(dān)，結(jié)構(gòu)受力更加均勻，有效降低各分部的承載力設(shè)計參數(shù)。

3 新型結(jié)構(gòu)工作特性的數(shù)值研究

目前，該新型結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性還未有定量的研究，其工作性能表現(xiàn)還缺乏研究，使得應(yīng)用中缺乏技術(shù)依據(jù)，因此采用數(shù)值模擬的手段對該新型結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力性能的分析。

采用有限元軟件建立框架預(yù)應(yīng)力錨桿微型鋼管樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的模型，同時為了探究新型結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，同時建立樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的分析對象，以做對比分析。

該問題為二維平面應(yīng)變問題，整個對象幾何特性為50m×30m，坑深14m，土體為理想彈塑性模型，其屈服準(zhǔn)則為Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，流動準(zhǔn)則為不相關(guān)流動準(zhǔn)則，剪脹角為度0°；結(jié)構(gòu)構(gòu)件均采用線彈性模型；錨桿為ADINA中的一維rebar單元彈性模量E=2×108kPa，泊松比μ=0.3，微型鋼管樁的等效彈性模量取E=1.48×107kPa，泊松比μ=0.2，為beam單元；有限元模型見圖4。

圖4 有限元模型

3.1 注漿半徑的影響

為了探究注漿半徑對新型結(jié)構(gòu)支護(hù)特性的影響，在上述模型的基礎(chǔ)上，設(shè)置3種注漿半徑，分別為10cm、20cm以及30cm，并進(jìn)行數(shù)值分析。

基坑開挖后，坑底的隆起情況，見圖5、6和7所示。

圖5 基坑開挖后豎向位移（注漿半徑10cm）

圖6 基坑開挖后豎向位移（注漿半徑20cm）

圖7 基坑開挖后豎向位移（注漿半徑30cm）

在不同注漿半徑工況下，基坑開挖后，坑底的豎向位移會隨著注漿半徑的增大而減小，但是位移場分布的規(guī)律基本不變，改變的只是位移幅值。在三種情況下，基坑底部最大隆起量分別46.6mm、39.24mm以及34.5mm，注漿半徑為30cm時，隆起量最小，見圖8所示；此外，開挖后，注漿半徑的不同也會影響到基坑坡后土體的豎向位移，如圖9所示，在30cm的注漿半徑影響下，坡后豎向位移在整個開挖過程中都是最小的，但是位移曲線的變化規(guī)律總體一致。數(shù)值結(jié)果顯示出，注漿半徑的增大可以有效地控制基坑的位移變形。

圖8 基坑隆起位移曲線

圖9 不同注漿半徑下坡后豎向位移曲線

微型鋼管樁的注漿技術(shù)，可以有效地改善樁身周圍土體的性質(zhì)，使其更為緊密，強(qiáng)度更高，這一局部的改變，在協(xié)同工作下，必定會對整體產(chǎn)生影響。3種情況下，上部框架錨桿結(jié)構(gòu)錨桿軸力見表1。

可以看出，四排錨桿中，第三排的錨桿軸力在各種情況下都最小，對于同一位置處的錨桿，注漿半徑越大，錨桿的軸力則越小。

表1 錨桿軸力

注漿半徑的不同，除了會影響到上部的錨桿外，框架的彎矩也會受到影響，見圖10所示。在30cm注漿半徑下，框架的彎矩在整個坡體內(nèi)都處于最小。

圖10 樁身彎矩

底部的微型樁，在不同注漿半徑影響下，其內(nèi)力值也會有明顯不同，見表2所示，隨著注漿半徑的增加，同一位置處的樁內(nèi)力值會減小，并且各排樁的內(nèi)力值越來越接近，這意味內(nèi)力分布的越均勻，受力協(xié)同性更好。

表2 樁內(nèi)力信息

因此，依據(jù)上述模擬結(jié)果可知，注漿半徑的增加，不僅能夠有效地的控制基坑開挖后的變形，而且對于新型結(jié)構(gòu)的工作力學(xué)特性也會產(chǎn)生影響，注漿半徑增大，構(gòu)件的內(nèi)力分布更為均勻，新型結(jié)構(gòu)的協(xié)同性越強(qiáng)。

3.2 支護(hù)深度比的影響

新型結(jié)構(gòu)從支護(hù)的形式上來看，具體可以分為上部的框架錨桿以及下部的樁錨形式，因此，在設(shè)計時，就會遇到上部深度和下部深度到底該如何確定的問題，為了探究這一問題，在基本的模型上，分別設(shè)置了3種支護(hù)深度比，1:2、1:1以及2:1。

在該種情況下，基坑坡后的豎向位移曲線見圖11，可以看出2:1工況下，位坡后豎向位移是3種情況下最小的，最值為18.9mm，但是，依據(jù)圖12所示，在3種工況下，坡后豎向位移的變化非常小；改變上、下支護(hù)深度對上部坡體的豎向位移影響較小。同理，依據(jù)圖12所示，基坑底的地面隆起3種情況下變化也非常小。

圖12 基坑隆起位移

不同深度比下，上部框架錨桿結(jié)構(gòu)內(nèi)力值也會受到不同程度的影響，錨桿軸力見表3所示。可以看出隨著深度比的增加，各排錨桿軸力的都會增大，特別是第三排錨桿，其軸力變化幅度較大，接近100%。這是由于上部的坡體高度的增大，使得土壓力會增大，框架錨桿結(jié)構(gòu)分擔(dān)的內(nèi)力也會增大。通常，在實(shí)際應(yīng)用中，上下結(jié)構(gòu)的高度選擇是受到場地條件限制的，因此，對于場地較小時，難以進(jìn)行較大尺度放坡時，需要提高上部錨桿的承載力設(shè)計參數(shù)。

表3 深度比工況下的錨桿軸力值

深度比對下部微型樁的內(nèi)力影響見表4所示：隨著深度比的增大，各排樁的內(nèi)力值呈現(xiàn)出了先增大后減小的變化規(guī)律，深度比1:2增大到1:1時，樁的內(nèi)力值時呈增大的趨勢，從1:1到2:1時，內(nèi)力值出現(xiàn)了降低。新型結(jié)構(gòu)是一種協(xié)同工作的支護(hù)結(jié)構(gòu)，在考慮深度比時，除了考慮上部結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布外，也應(yīng)該考慮到對于下部樁內(nèi)力的影響。

表4 樁身內(nèi)力信息

結(jié)合基坑開挖后的位移變形以及上部框架錨桿的內(nèi)力和下部微型鋼管樁的內(nèi)力變化可知，深度比的不同，對于新型結(jié)構(gòu)的工作特性影響較小，在實(shí)際應(yīng)用時，深度比主要受到場地的限制。

3.3 排樁數(shù)的影響

前述的研究分析中，下部的微型樁為3排布置方案，為了探究樁數(shù)量對于新型結(jié)構(gòu)工作力學(xué)特性的影響，設(shè)置了2排樁布置方案以作對比。

錨桿軸力信息見表5所示，在雙排情況下，上部坡體中錨桿的軸力均大于三排布設(shè)時的錨桿軸力，其中第二排錨桿軸力變化幅度最大，相對于三排時，軸力變化約為42.25%，因此，在實(shí)際的設(shè)計應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)考慮排樁數(shù)量對于上部錨桿內(nèi)力的影響。

表5 深度比工況下的排樁軸力值

樁身內(nèi)力值計算結(jié)果見表6。從彎矩值來看，雙排布設(shè)下，最大彎矩值出現(xiàn)在前排樁處，為91.56 kNm，前排樁彎矩值較后排樁大13.4%；三排形式下，前排樁彎矩值最大，為77.08kNm；剪力值的變化規(guī)律與彎矩基本一致，排樁數(shù)的增加可以有效降低樁身的內(nèi)力幅值；因此，在設(shè)計選擇方案時，不僅需要從經(jīng)濟(jì)成本上考慮，還應(yīng)當(dāng)考慮排樁數(shù)的減小對于支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響。

表6 樁身內(nèi)力信息

4 結(jié)論與建議

1）依據(jù)新結(jié)構(gòu)的組成和連接情況，新型結(jié)構(gòu)的工作機(jī)理主要分為三個方面：框架錨桿支護(hù)、微型鋼管樁支護(hù)和結(jié)構(gòu)的卸荷機(jī)理。

2）建立了有限元分析模型，通過數(shù)值模擬研究了注漿半徑對新結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的影響，注漿半徑的增大可以降低基坑的變形，同時可以抑制上部坡體的位移，并且使結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布更為均勻，新結(jié)構(gòu)個構(gòu)件的協(xié)同工作能力得到加強(qiáng)。

3）支護(hù)深度比的增大，會引起基坑的變形的降低，但使得上部坡體中錨桿的軸力增大，對下部排樁的內(nèi)力影響較小，整體來看，深度比對于新結(jié)構(gòu)的影響較小。

4）排樁數(shù)量對于上部錨桿的軸力影響較大，隨著排樁數(shù)的增大，錨桿軸力分布更加均勻，且內(nèi)力幅值會降低，下部排樁的內(nèi)力分布也更為均勻。