長(zhǎng)春市某深基坑工程的預(yù)應(yīng)力錨索軸力分布研究

吳麗萍，楊明月，趙彥星

(長(zhǎng)春工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012)

0 前 言

樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)是近年來被廣泛應(yīng)用的基坑支護(hù)形式，特別適用于周圍有建筑物的狹窄施工場(chǎng)地，能夠有效地保證基坑的安全穩(wěn)定[1]。在樁錨支護(hù)體系中，預(yù)應(yīng)力錨索技術(shù)起到關(guān)鍵作用，能夠有效增強(qiáng)土體的承載力，削弱土體的下滑力，是一種主動(dòng)的支護(hù)形式[2-3]。

目前，相關(guān)學(xué)者已經(jīng)做了大量試驗(yàn)，將錨索預(yù)應(yīng)力的變化分為三個(gè)階段：快速下降階段、波動(dòng)變化階段、穩(wěn)定階段[4-5]，對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索的軸力變化規(guī)律進(jìn)行了一些研究，已取得一定成果。但是對(duì)于錨索自由段和錨固段的軸力分布規(guī)律的研究還有待深入，比如隨著基坑的逐步開挖卸荷，錨索的內(nèi)力分布變化；下一層錨索的施加，對(duì)于上一層錨索軸力產(chǎn)生的影響；當(dāng)施加錨索時(shí)，張拉預(yù)應(yīng)力的大小，對(duì)錨索軸力損失程度的影響等。因此，針對(duì)這些問題，本文以長(zhǎng)春市某深基坑為背景展開研究，并通過Midas GTS NX有限元軟件進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了基坑開挖過程中錨索軸力分布的變化規(guī)律，并與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，為預(yù)應(yīng)力錨索的軸力研究提供了依據(jù)。

1 工程案例

1.1 工程概況

某項(xiàng)目位于吉林省長(zhǎng)春市，是一座超高層建筑的深基坑工程。擬建建筑物為2幢超高層建筑(A塔44F，B塔49F)和4層地下室，場(chǎng)地狹小，基坑周圍環(huán)境復(fù)雜，基坑形狀不規(guī)則，開挖面積約12 003 m2，平均開挖深度約20 m。

1.2 工程地質(zhì)條件

擬建場(chǎng)地內(nèi)地層分布：上層為填土層、第四系黏性土層、砂層，下層為白堊系泥巖，詳細(xì)土體參數(shù)見表1。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

基坑支護(hù)范圍初見水位埋深 4.00～14.00 m，穩(wěn)定水位埋深 4.70～10.40 m，穩(wěn)定水位標(biāo)高 207.49～211.85 m。

1.3 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)

本文選用基坑西側(cè)支護(hù)段進(jìn)行基坑建模，該支護(hù)段采取鋼筋混凝土樁+預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)。支護(hù)樁樁頂標(biāo)高為0.600 m，樁徑0.8 m，樁間距1.2 m，樁長(zhǎng)30.0 m，嵌固深度 5.4 m。從上到下共布置7道預(yù)應(yīng)力錨索，錨索材料采用低松弛高強(qiáng)度鋼絞線，傾角為15°，錨孔孔徑為 0.11 m，注漿采用 M20 級(jí)水泥漿，第1道錨索布置在樁頂往下 2.5 m處，錨索的軸向拉力設(shè)計(jì)值為156 kN，每排錨索的詳細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。

表2 各層錨索設(shè)計(jì)參數(shù)

地面超載取作用寬度為8 m的均布荷載，荷載值為15 kPa。

2 數(shù)值模型建立

考慮到支護(hù)場(chǎng)地的地質(zhì)條件、支護(hù)形式及周圍環(huán)境，將數(shù)值模擬過程簡(jiǎn)化，為了方便計(jì)算，采用基本假定如下。

1)假定各類土體均為理想的彈塑性材料。

2)假定各結(jié)構(gòu)單元均為完全彈性體。

3)假定不考慮地下水對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響。

取依托工程西側(cè)中部建立二維模型，建模時(shí)考慮基坑影響深度為基坑開挖深度的3～5倍，影響寬度為基坑寬度的3～5倍，故建立高為72 m，寬為155 m的二維平面模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

巖土體采取修正摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型，微型鋼管樁采取梁?jiǎn)卧?，錨索采取植入式桁架單元，有限元模型如圖1所示。

圖1 有限元模型圖

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 錨索軸力分布規(guī)律

本工程數(shù)值模擬中共分為7步開挖，共布置7排錨索，分步開挖，每開挖至錨索標(biāo)高位置下0.5 m處，施加1道預(yù)應(yīng)力錨索。針對(duì)這7排錨索，進(jìn)行數(shù)值模擬，分析錨索軸力沿錨索長(zhǎng)度方向分布規(guī)律，可以看出各排錨索軸力變化規(guī)律基本一致，模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2 各排錨索軸力分布圖

從圖2可以看出：①錨索軸力均勻分布在自由段上，且軸力值基本穩(wěn)定，在錨固段呈曲線型并呈下降趨勢(shì)，整根錨索軸力分布類似錐形；②在自由段內(nèi)，錨索軸力表現(xiàn)為直線型，軸力值最大；③在錨固段內(nèi)，錨固段起始端0～3 m位置應(yīng)力高度集中，軸力值相對(duì)較大，3 m位置以后，軸力值迅速降低，末端軸力值幾乎為0，軸力值最小。

分析認(rèn)為產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因?yàn)椋孩僭谧杂啥蝺?nèi)，鋼絞線不直接承受土體側(cè)阻力，相當(dāng)于一端固定、一端自由的桿件，錨索軸力為均勻分布；②在錨固段內(nèi)，由于泥漿對(duì)鋼絞線的約束，由泥漿、錨索、土體共同組成的錨固體將錨索軸力分擔(dān)給周圍土體，因此，錨索軸力逐漸減小，并最終趨于0。

3.2 錨索軸力隨基坑開挖的變化規(guī)律

隨著基坑開挖及下層錨索施工，上層錨索軸力值也會(huì)發(fā)生變化，依據(jù)數(shù)值模擬分析結(jié)果，記錄得到錨索軸力隨開挖的變化規(guī)律如圖3所示(以四排錨索為例)。

從圖3可以看出：①開挖完成后，自由段軸力值增量較小，變化區(qū)間為8～20 kN，錨固段軸力值增量較大，變化區(qū)間為 45～65 kN，可見錨索軸力逐漸向錨固段集中，錨固段受力越來越大；②預(yù)應(yīng)力錨索施工后，發(fā)生較大的軸力損失，隨著土體開挖及下層錨索的施工，軸力首先呈下降趨勢(shì)，然后又呈上升趨勢(shì)，到達(dá)一定值后又逐步趨于穩(wěn)定。

具體的錨索軸力損失情況見表3所示，由表3可知：本工程錨索軸力損失率比較大，從上到下，隨著錨索軸力設(shè)計(jì)值依次增大，錨索軸力的初期損失率和開挖完成損失率均增大，可以看出，錨索軸力越大，損失率越大。

表3 錨索軸力開挖損失率

第1排錨索軸力初期鎖定值為82.82 kN，第2排錨索施加后，其錨索軸力下降5.24 kN；第2排錨索軸力初期鎖定值為81.82 kN，在第3排錨索施加后，其軸力僅下降0.42 kN，第3排錨索初期鎖定值為93.37 kN，但在施加第4排錨索后，第3排錨索軸力增加3.5 kN，此時(shí)，下排錨索的施工已經(jīng)不會(huì)導(dǎo)致上層錨索軸力損失?？梢钥闯觯^索位置越靠近樁頂，受下層錨索施工影響越大，損失現(xiàn)象越明顯。

分析認(rèn)為，產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因?yàn)椋涸谑┘渝^索初期，錨索預(yù)應(yīng)力對(duì)土體產(chǎn)生主動(dòng)作用力，使土體發(fā)生背離基坑方向的變形，因此，錨索顯示出一定的軸力損失，但隨著基坑的不斷開挖，土體在主動(dòng)土壓力的作用下向基坑方向變形，使錨索軸力增長(zhǎng)，并趨于穩(wěn)定。

3.3 監(jiān)測(cè)與模擬對(duì)比

依據(jù)對(duì)實(shí)際工程的監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)值與模擬值比較分析，以第1排錨索監(jiān)測(cè)為例，兩種結(jié)果的軸力變化曲線如圖4所示。可以看出：模擬結(jié)果值偏大，而實(shí)際監(jiān)測(cè)值偏小，這是由于實(shí)際工程又具有諸多可變性，然而，該模型沒有考慮地下水和周圍環(huán)境對(duì)基坑的影響，數(shù)值模擬具有一定的有限性，計(jì)算出的錨索軸力結(jié)果是錨索分段后的平均軸力，結(jié)果小于模擬值。但兩種結(jié)果變形趨勢(shì)大致相同，錨索軸力皆表現(xiàn)為快速下降、波動(dòng)上升、趨于穩(wěn)定三個(gè)階段，證明了Midas GTS NX數(shù)值模擬分析基坑工程的可實(shí)行。

圖4 第一排錨索軸力變化曲線

4 結(jié) 論

1)依據(jù)對(duì)模型計(jì)算結(jié)果的錨索軸力隨基坑開挖的變化規(guī)律分析，可以看出,模擬結(jié)果與實(shí)際工程的監(jiān)測(cè)結(jié)果基本一致，證明了Midas GTS NX數(shù)值模擬分析基坑工程的可實(shí)行。

2)整根錨索軸力分布類似錐形，錨桿軸力均勻分布在自由段內(nèi)，在錨固段中，應(yīng)力高度集中在錨固段開始處0～3 m位置，3 m位置后，軸力值迅速減小，末端軸力值幾乎為0。計(jì)算和實(shí)測(cè)結(jié)果表明，錨固段在一定長(zhǎng)度內(nèi)發(fā)揮作用，超出一定長(zhǎng)度后軸力為0，錨固段已不再發(fā)揮作用。

3)隨著土體開挖及下層錨索的施工，錨索軸力逐漸向錨固段集中，錨固段受力越來越大，由上向下呈遞增趨勢(shì)。同時(shí)，下一層錨索的施加會(huì)對(duì)上一層錨索造成軸力損失，且錨索越靠近樁頂位置，損失現(xiàn)象越顯著。在基坑施工過程中，錨索軸力先呈下降趨勢(shì)，隨后又呈上升趨勢(shì)，到達(dá)一定值后又逐步趨于穩(wěn)定，這與前文提到的相關(guān)學(xué)者對(duì)于錨索軸力變化規(guī)律的研究吻合。本工程錨索軸力初期損失率較大，約46.9%～58.1%，開挖完成損失率約24.9%～41.7%，且軸力越大、損失越大。故為減少軸力損失、避免軸力損失產(chǎn)生的影響，設(shè)計(jì)時(shí)可適當(dāng)提高軸力設(shè)計(jì)拉力值。