深基坑樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)和土體之間協(xié)同作用

黃新

【摘要】現(xiàn)如今，對(duì)于深基坑樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的研究越來越深入，但是，其與土體之間的協(xié)同作用分析比較少。對(duì)此，本文首先對(duì)樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍進(jìn)行介紹，然后樁錨支護(hù)與土體相互作用進(jìn)行詳細(xì)探究。

【關(guān)鍵詞】樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu);支護(hù)特點(diǎn);協(xié)同作用

1、引言

在深基坑施工中，樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)可起到主動(dòng)支護(hù)的作用，能夠有效降低土體結(jié)構(gòu)的下滑力，保證深基坑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。在國(guó)內(nèi)外很多深基坑工程研究中，都有對(duì)于預(yù)應(yīng)力錨索與土體、支護(hù)樁與土體相互作用的研究，但是，對(duì)于樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)與土體之間協(xié)同作用的分析并不全面，因此，亟需對(duì)深基坑樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)和土體之間協(xié)同作用進(jìn)行深入研究。

2、樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)特點(diǎn)和適用范圍

支護(hù)樁與錨桿支護(hù)可作為一種整體加固結(jié)構(gòu)，通過土壓力變化情況，即可顯示出實(shí)際支護(hù)效果。在深基坑開挖施工中，如果樁身結(jié)構(gòu)受到基坑底部水壓力、基坑以外土體等因素的影響，就會(huì)發(fā)生側(cè)向移動(dòng)，同時(shí)還會(huì)向坑內(nèi)發(fā)生傾斜。在支護(hù)樁錨固范圍中，深基坑土體中會(huì)產(chǎn)生被動(dòng)土壓力，同時(shí)，支護(hù)樁也會(huì)向深基坑內(nèi)側(cè)發(fā)生傾斜，二者可發(fā)揮相互抗衡的作用，同時(shí)，錨桿預(yù)應(yīng)力還可有效抵御土體壓力。如果在樁錨施工中，在錨固范圍內(nèi)，錨桿加固與土體被動(dòng)土壓力的綜合大于支護(hù)樁主動(dòng)土壓力，則能夠達(dá)到良好的支護(hù)效果。

3、支護(hù)樁與土體的協(xié)同作用

支護(hù)樁是由錨固段側(cè)向地基巖土抗力抵抗土壓力的橫向受力樁，樁后土壓力的傳遞方式：第一，樁身嵌入基坑坑底以下的部分產(chǎn)生的抵抗矩;第二，樁側(cè)土體與樁身的負(fù)摩阻力。維持基坑的穩(wěn)定是靠多種因素共同決定的，依靠以上兩種方式，將樁后土體壓力進(jìn)行傳遞，直到離樁身較遠(yuǎn)的穩(wěn)定地層，以其未被擾動(dòng)的特性抵消這部分土壓力。支護(hù)樁與土體互相作用可以從以下幾個(gè)方面著手：（1）支護(hù)群樁與土體作用時(shí)產(chǎn)生的土拱效應(yīng)，掌握其荷載的傳遞機(jī)理。（2）支護(hù)樁與土體相互作用時(shí)，作用在樁后土壓力分布形式的確定，不同土質(zhì)條件就決定了其分布形式的不同，矩形是比較常見的形式，此外還有三角形、梯形等分布形式;再加上基坑周邊荷載對(duì)支護(hù)樁的作用，受力形式的簡(jiǎn)化要盡可能準(zhǔn)確。（3）對(duì)樁身內(nèi)力進(jìn)行研究時(shí)，首先要建立一個(gè)恰當(dāng)?shù)挠?jì)算模型，對(duì)樁土相互作用而言，一般是把土體當(dāng)成是土彈簧單元模擬;另外，計(jì)算方法的選取對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響也不可忽略。

4、錨桿與土體的協(xié)同作用

4.1預(yù)應(yīng)力錨桿的基本原理

錨桿加固土體的主動(dòng)性體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面將其施加的預(yù)應(yīng)力通過錨固段、再通過注漿體主動(dòng)傳到穩(wěn)定土層深處;另一方面主動(dòng)抵擋外界壓力或構(gòu)筑物帶來的外荷載，以達(dá)到維持整個(gè)體系平衡穩(wěn)定的目的。從以下幾個(gè)方面對(duì)預(yù)應(yīng)力錨桿加固土體的力學(xué)作用和基本原理進(jìn)行描述：

（1）錨桿的預(yù)應(yīng)力值是通過與之相接觸的土體獲得的，其利用了土體自身的力學(xué)特性。其加固原理可表現(xiàn)為錨桿周圍土體物理性能的改善，圍巖抗剪強(qiáng)度、內(nèi)聚力等參數(shù)都會(huì)隨之增強(qiáng);另外還可以在基坑開挖過程中維持其穩(wěn)定。這就需要被加固的土體自身有足夠的強(qiáng)度，能夠抵抗錨桿施加的預(yù)應(yīng)力。而在深基坑樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)中，錨桿、支護(hù)樁與土體組成了一個(gè)相互作用的整體，錨桿主要起受拉構(gòu)件的作用，支護(hù)樁起主要起受壓構(gòu)件的作用，錨桿通過周圍土體與支護(hù)樁傳遞土壓力，土壓力的大小則決定了整個(gè)體系的受力狀態(tài)。（2）預(yù)應(yīng)力錨桿有許多優(yōu)點(diǎn)：第一，增大了土體軟弱土層的抗剪強(qiáng)度，使其力學(xué)性能優(yōu)勢(shì)有效地發(fā)揮，是保持基坑穩(wěn)定性的前提;第二，改變了支護(hù)樁單獨(dú)支護(hù)土體時(shí)的受力狀態(tài)，將其傳統(tǒng)的懸臂梁式特點(diǎn)改變?yōu)橹ё?jiǎn)化了的梁式受力特點(diǎn)，使其能夠有效加固土體。（3）預(yù)應(yīng)力錨桿在增強(qiáng)了地層穩(wěn)定性的同時(shí)，也改善了巖土體的受力性能。普通支護(hù)樁的受力特點(diǎn)是，不管是樁身自由段還是錨固段，其彎矩值表現(xiàn)形式單一;而預(yù)應(yīng)力錨桿使得樁身彎矩發(fā)生了變化，它把前者正的彎矩值一部分變?yōu)樨?fù)的彎矩值，而且最大彎矩值的位置也發(fā)生了變化（如圖1、圖2），彌補(bǔ)了普通單樁支護(hù)受力上的缺陷，使荷載均勻地分布于整個(gè)支護(hù)樁上。

其實(shí)，當(dāng)土體表面發(fā)生松動(dòng)現(xiàn)象或者使土體本身表現(xiàn)出更大的力學(xué)作用時(shí)，才需對(duì)錨桿施加預(yù)應(yīng)力，以達(dá)到所需目的;對(duì)于普通的土體，錨桿僅僅是一個(gè)加筋效果。這也體現(xiàn)了“加固”二字的意義，對(duì)具體工程而言，并非所有的錨桿都要施加預(yù)應(yīng)力，而是以安全經(jīng)濟(jì)為原則制定施工方案。

4.2預(yù)應(yīng)力錨桿的力學(xué)作用

4.2.1抵抗傾倒的作用

一般來說，建筑結(jié)構(gòu)物轉(zhuǎn)動(dòng)邊上的正、負(fù)彎矩值決定了抵抗傾倒的穩(wěn)定性?？捎孟率鲫P(guān)系式來表現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)物是否穩(wěn)定，或是否會(huì)發(fā)生傾倒。而結(jié)構(gòu)物的重心到基底邊上的距離決定了對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有優(yōu)勢(shì)的負(fù)彎矩值。施加錨固力可謂是有效的改進(jìn)建筑結(jié)構(gòu)物穩(wěn)定性的方法之一。

4.2.2抵抗豎向位移的作用

在基坑工程中，若坑內(nèi)地下水位較高，使得支護(hù)物自身重量小于地下水浮力。則有可能會(huì)發(fā)生豎向變位引起的破壞。這種形式的破壞還常發(fā)生于車庫(kù)、水庫(kù)等水的上浮力比較大的結(jié)構(gòu)中。這種破壞形式是由自然因素和人為因素共同決定的，其一是因?yàn)閷?duì)上浮力的值不能準(zhǔn)確的掌握;其二是由于設(shè)計(jì)師按最不利荷載設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)不經(jīng)濟(jì)性。為了防止這種形式的破壞，可采取增加結(jié)構(gòu)物自身的重量或?qū)⒔Y(jié)構(gòu)物錨固在下臥土層中的方法。

4.2.3控制巖土體變形的作用

基坑開挖會(huì)擾動(dòng)巖土體，使其最初的平衡狀態(tài)發(fā)生變化，比如巖土體松動(dòng)、巖石變形甚至是破壞等。傳統(tǒng)的維持土體穩(wěn)定的方式是采用支架和混凝土等具有一定強(qiáng)度的材料進(jìn)行初襯，這種方式不僅造價(jià)高而且施工進(jìn)度緩慢。新型的錨固方法隨著錨桿技術(shù)的成熟應(yīng)運(yùn)而生：第一，使用普通錨桿來承受一部分拉力和剪力以達(dá)到穩(wěn)定巖土體的目的;第二，從控制變形的角度出發(fā)，新型的預(yù)應(yīng)力錨桿在提高巖土體的相關(guān)性能外，還能起主動(dòng)支護(hù)的效果，有效控制土體位移。

4.2.4防止巖層剪切破壞的作用

剪切破壞通常在邊坡事故中常見，當(dāng)土體的自重力加外荷載力超過使支擋結(jié)構(gòu)物所能承受的抗力限制時(shí)，在軟弱土層界面會(huì)出現(xiàn)這種破壞形式。土體性質(zhì)不同，剪切破壞的位置和形狀也不同。在堅(jiān)硬的土質(zhì)條件下，破壞面會(huì)在一些薄弱層上出現(xiàn)，比如斷層等;在相對(duì)較軟土質(zhì)條件下，破壞面形狀比較平整，而含水量較大的粘土等，破壞面并不平整。為了防止巖層發(fā)生剪切破壞，直觀的方法之一是削坡，直到邊坡土體到達(dá)穩(wěn)定的狀態(tài);另一種方法是再加固。然而這兩種方法是難以實(shí)現(xiàn)的，對(duì)工程造價(jià)有著嚴(yán)峻的考驗(yàn)，采用預(yù)錨支護(hù)體系加固顯然是一個(gè)有效地方法。

結(jié)語：

在樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)中，錨桿、支護(hù)樁可形成完整的支護(hù)體系，本文對(duì)樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)與土體之間的相互作用進(jìn)行了詳細(xì)探究，采用靜力平衡方程分析方式，對(duì)錨桿拉力進(jìn)行解析，另外，在錨桿（索）設(shè)計(jì)拉力計(jì)算中，綜合考慮了樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)與不考慮變形協(xié)調(diào)兩種計(jì)算方式的特點(diǎn)，說明，通過改進(jìn)變形協(xié)調(diào)方程，能夠保證計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況相符合。

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