錨索雙排樁深基坑開挖受力特性研究

王義軍

(成都市勘察測繪研究院，四川 成都 610081)

隨著城市的發(fā)展以及城市空間的限制，高層建筑成為現(xiàn)代城市建筑的主體,而高層建筑的深基坑工程也廣泛的出現(xiàn)在城市建設(shè)之中。由于城市建筑密集，基坑變形必須控制在一定范圍之內(nèi)，所以各種新型的支護(hù)方法應(yīng)用于基坑工程之中。由于錨索雙排樁能很好的控制變形[1-2]，所以錨索雙排樁如今被廣泛應(yīng)用于具有較高變形要求的基坑工程之中。

目前雙排樁的研究主要集中于基坑變形及雙排樁的設(shè)計計算，如：王鴻運(yùn)等[1]結(jié)合現(xiàn)場實際監(jiān)測成果，分析了基坑變形性狀以及對周邊建筑物變形的影響；周應(yīng)華[2]研究了門架式雙排樁樁身的內(nèi)力位移分布特征及相應(yīng)的設(shè)計施工技術(shù)；馬鄖等[3]基于Winkler 假定提出了雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)計算方法的改進(jìn)模型；吳剛等[4]考慮了滑移面和排距對作用在前后排樁上的土壓力的影響，在彈性地基梁法的基礎(chǔ)上，提出了一種新的雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計計算模型。這些研究為雙排樁的設(shè)計計算提供了重要參考依據(jù)。

本文通過對錨索雙排樁的受力分析，分析開挖過程中基坑變形特征以及雙排樁的內(nèi)力變化，為雙排樁在實際工程的應(yīng)用提供參考。

1 基坑工程背景概況

1.1 工程概括

工程位于成都市。工程設(shè)四層地下室，南側(cè)局部設(shè)一層地下室，主樓采用筏板基礎(chǔ)，裙樓采用柱下獨立基礎(chǔ)，雙排樁支護(hù)側(cè)基坑周圍建筑物較多，距離基坑10 m有兩棟6層磚砌體結(jié)構(gòu)，采用條形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深2.5 m左右，雙排樁處基坑開挖深度為7.85 m(圖1)。

1.2 工程地質(zhì)概況

場地位于成都市區(qū)，場地范圍內(nèi)采用井點降水，場地降水深度23 m。場地主要土層為卵石土層，土層頂部為粉質(zhì)黏土和雜填土，地層從上至下依次為：

1)人工填土層：灰色，主要由黏性土組成，混少量植物根系、磚瓦塊等，可塑為主，場地人工填土層分布連續(xù)，厚度3.2 m。

圖1 基坑支護(hù)樁平面布置圖Fig.1 Foundation pit support pile plane layout

2)粉質(zhì)黏土：灰、灰黃色。含鐵錳質(zhì)氧化物，鈣質(zhì)結(jié)核；可塑為主，分布基本連續(xù)，厚度3.5 m。

3)細(xì)砂：灰、灰黃色。系長石、石英、云母細(xì)片、巖屑及暗色礦物等顆粒組成，局部相變?yōu)榈[砂或中砂，松散，飽和，呈透鏡體狀及層狀分布于卵石土層頂部，大部分地段分布，厚度1.5 m。

4)卵石：灰、灰黃色，卵石成分系巖漿巖及變質(zhì)巖類巖石組成。多呈圓形～亞圓形。一般粒徑3～6 cm，部分粒徑大于8 cm；上部卵石以弱風(fēng)化為主，一般25 m以下卵石以中～強(qiáng)風(fēng)化為主，充填物以中砂為主,混少量礫石，含量約15%～45%，飽和?？蓪⑵鋭澐譃樗缮⒙咽⑸悦苈咽?、中密卵石和密實卵石4個亞層。卵石層頂板埋深在8.2 m。

表1 地層主要物理力學(xué)參數(shù)
Tab.1 Main physical and mechanical parameters of the stratum

層號土類名稱層厚/m重度/kN·m-3黏聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)1雜填土3.2019.03.0010.002粉質(zhì)黏土3.5019.520.0010.003細(xì)砂1.5019.00.0025.004稍密卵石5.6021.00.0035.005密實卵石5.5023.00.0040.006中密卵石1.0022.00.0038.007中砂0.6020.00.0025.008密實卵石3.7023.00.0040.009中密卵石1.9022.0——

5)中砂：灰、灰黃色，系長石、石英、云母細(xì)片、巖屑及暗色礦物等顆粒組成，松散～稍密，飽和，呈透鏡體狀分布于卵石土層中，部分地段中砂混15%～30%的卵石，卵石粒徑2～5 cm。中砂厚度1 m。

2 雙排樁計算模型

雙排樁的計算模型采用的是平面鋼架模型(圖2)。其外荷載為土壓力。前排樁主要承受被動土壓力，后排樁承受主動土壓力，樁間土壓力可按照靜止土壓力計算，但誤差較大;其次樁間土壓力一般采用土壓力分配模型進(jìn)行計算[5]。雙排樁由于樁間土的作用和“拱效應(yīng)”影響，前后排樁的排列形式對土壓力分布起關(guān)鍵作用。

圖2 雙排樁計算模型Fig.2 Double row pile calculation model

2.1 梅花形布置

由圖3(a)所示，前后排樁均有主動土壓力σa，但是由于樁間土對前后排樁產(chǎn)生土壓力Δσa，則前后排樁的土壓力分別為：

前排樁土壓力:

paf=σa+Δσa

(1)

后排樁土壓力:

pab=σa-Δσa

(2)

Δσa=βσa

(3)

式中：β為比例系數(shù)，由式(4)確定。

(4)

式中參數(shù)由圖4確定。

(a)梅花形排列 (b)矩形排列圖3 雙排樁不同布樁形式時樁間土壓力的傳遞Fig.3 Transmission of soil pressure between piles in different arrangement of double-row piles

圖4 β計算簡圖Fig.4 β calculation sketch

2.2 矩形布置

由圖3(b)所示主動土壓力作用于后排樁上，樁間土壓力為Δσa，則前后排樁的土壓力分別為：

前排樁土壓力：

paf=Δσa=βσa

(5)

后排樁土壓力:

pab=σa-Δσa

(6)

樁體采用基于彈性地基梁m法的彈性抗力法進(jìn)行分析，地基模型采用文克爾(E.Winkler)地基模型。

3 基坑開挖錨拉雙排樁受力分析

3.1 梅花形布置

雙排樁前后排間距2.7 m，護(hù)壁樁直徑1.20 m，樁長21.85 m，嵌固段深度4.0 m，采用矩形布樁方式。前后排護(hù)壁樁樁頂均設(shè)一道1.2 m×0.8 m冠梁，連梁尺寸為1.2 m×0.8 m。雙排樁樁心距2.50 m。前排設(shè)三排預(yù)應(yīng)力錨索：第一排錨索設(shè)置在現(xiàn)場地坪下6.5 m，長20.0 m，預(yù)應(yīng)力為250 kN，錨索為3S15.2鋼絞線;第二排錨索設(shè)置在現(xiàn)場地坪下9.0 m，長20.0 m，預(yù)應(yīng)力為350 kN，錨索為4S15.2鋼絞線；第三排錨索設(shè)置在現(xiàn)場地坪下11.5 m，長20.0 m，預(yù)應(yīng)力為400 kN，錨索為6S15.2鋼絞線；錨索均設(shè)置在樁上。護(hù)壁樁樁芯砼強(qiáng)度C30,樁頂冠梁C30，連梁C30。樁間采用φ8@0.20 m×0.20 m鋼筋網(wǎng)與植筋連接，噴砼護(hù)壁。噴射砼強(qiáng)度等級C20，厚度80 mm(圖5)。

圖5 錨拉雙排樁設(shè)計方案Fig.5 Anchored double-row pile design

3.2 計算結(jié)果分析

基坑的施工順序是影響雙排樁受力的重要因素之一，合理安排施工順序是保證工程施工安全的重要前提。此工程的施工順序為：旋挖成孔—澆筑混凝土—澆筑冠梁—開挖基坑—樁間網(wǎng)噴，施工錨索—開挖基坑。

當(dāng)開挖深度7 m時，土壓力全部由雙排樁承擔(dān)。如圖6 所示，前排樁(紅色曲線)和后排樁(藍(lán)色曲線)土壓力相對較??；雙排樁受冠梁約束，樁頂位移一致，但樁頂以下位移后排樁位移大于前排樁位移，且由于前后排樁剪力零點位置不同，最大彎矩點不同，且最大彎矩方向相反。在6.5 m處設(shè)置第一道錨索，并預(yù)加250 kN預(yù)應(yīng)力(圖7)，則雙排樁內(nèi)力僅剪應(yīng)力有較大變化，彎矩和土壓力無較大變化，造成此受力特征的原因為，錨索在基坑底部，所以對雙排樁上部內(nèi)力和土壓力影響較小。

圖6 基坑開挖深度7 m雙排樁內(nèi)力及土壓力分布Fig.6 Internal force and earth pressure distribution of double-row pile with excavation depth of 7 m

圖7 基坑開挖深度7m加錨索雙排樁內(nèi)力及土壓力分布Fig.7 Internal force of anchored cable double-row pile and earth pressure distribution of foundation pit with excavation depth of 7m

當(dāng)開挖深度9.5m 時，如圖8所示，土壓力進(jìn)一步增大，但前排樁(紅色曲線)在坑底以上為被動土壓力，坑底以下土壓力為較小的主動土壓力，后排樁(藍(lán)色曲線)坑底以上為主動土壓力，坑底以下為被動土壓力。此時雙排樁的位移加大，但曲線形狀未變，最大彎矩點和剪力零點位置下移，且最大剪力值、彎矩值和第一道錨索拉力值增大。在基坑底部9 m處設(shè)置第二道錨索，并預(yù)加350 kN預(yù)應(yīng)力(圖9)，雙排樁內(nèi)力僅剪力曲線有變化，其它曲線未有較大變化。

圖8 基坑開挖深度9.5 m雙排樁內(nèi)力及土壓力分布Fig.8 Internal force and earth pressure distribution of double-row pile with the excavation depth of 9.5 m

圖9 基坑開挖深度9.5 m加錨索雙排樁內(nèi)力及土壓力分布Fig.9 Internal force and earth pressure distribution of anchored cable double-row pile in foundation pit of excavation depth 9.5 m

當(dāng)開挖深度12 m時，由圖10所示，前排樁被動土壓力最大值達(dá)197.8 kN/m，樁后主動土壓力值達(dá)到76.05 kN/m。后排樁最大主動土壓力為411.58 kN/m,最大被動土壓力值為148.44 kN/m，前后排樁的土壓力零點下移。由剪力圖和彎矩圖可知，前排樁最大彎矩點下移較多，但后排樁最大彎矩點變化較小。在11.5 m處設(shè)置第三道錨索并預(yù)加400 kN預(yù)應(yīng)力，位移、彎矩和剪力最大值未有較大變化，但剪力曲線形狀在新設(shè)錨索處發(fā)生變化。

圖10 基坑開挖深度12 m雙排樁內(nèi)力及土壓力分布Fig.10 Internal force and earth pressure distribution of double-row pile with excavation depth of 12 m

圖11 基坑開挖深度12 m加錨索雙排樁內(nèi)力及土壓力分布Fig.11 Internal force and earth pressure distribution of anchored cable double-row pile in foundation pit with excavation depth of 12 m plus

當(dāng)開挖深度17.85 m時，由圖12所示，前排樁約在14 m以上為主動土壓力，在14 m到坑底為被動土壓力，基坑以下為主動土壓力；基坑開挖到設(shè)計深度，前排樁最大位移值為18.54 mm,后排樁最大位移為19.23 mm。最大彎矩點前后排樁位置在15 m處，但方向相反。在坑底前后排樁有方向相反的最大剪力值。

圖12 基坑開挖深度17.85 m雙排樁內(nèi)力及土壓力分布Fig.12 Internal force and earth pressure distribution of double-row pile with excavation depth of 17.85 m

4 結(jié)論

通過對實際深基坑錨索雙排樁支護(hù)計算結(jié)果的分析，可以得到如下幾點結(jié)論:

1)錨索只對雙排樁的剪力分布有較大影響，對彎矩分布、最大彎矩位移的影響較小。

2)受冠梁的約束，前后排樁頂部位移相同，但樁頂以下前排樁的位移小于后排樁的位移。

3)前排樁基坑開挖面以上因為前排樁位移小于后排樁，土壓力為被動土壓力，在基坑開挖面以下土壓力為主動土壓力。

4)后排樁基坑開挖面以上為主動土壓力，在基坑開挖面以下土壓力主要為被動土壓力。