樁錨支護(hù)體系基坑變形特性分析

文｜州省水利水電勘測設(shè)計研究院有限公司 向章波 李凱

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國家大興土木建設(shè)，地下室工程增多， 基坑工程也大大增加，帶來了很好的經(jīng)濟(jì)效益。另一方面，它也帶來了很大的挑戰(zhàn)，如周圍巖土體、支護(hù)系統(tǒng)本身失穩(wěn)，以及引起的變形、地表沉陷等。

樁錨支護(hù)體系是常用的支護(hù)形式，其設(shè)計原理是一定要達(dá)到極限狀態(tài)正常使用和承載能力極限狀態(tài)。承載力極限狀態(tài)是指支撐的主體結(jié)構(gòu)體系自身承載力不足，滿足不了受力需要。正常使用狀態(tài)包括巖土體滑動變形、傾斜等。故基坑監(jiān)測尤為重要，通過監(jiān)測分析基坑在開挖及支護(hù)過程中的變形特性，掌握支護(hù)體系及土體的變形情況，若出現(xiàn)問題及時反饋，便于信息化動態(tài)設(shè)計。

圖1 設(shè)計剖面圖

2 工程概況

本工程基坑安全等級為一級，面積約10000平方米，周長約400米，地下室兩層，開挖深度8.4～12.7米，為復(fù)合基坑支護(hù)型式。場地巖土層上部為第四系人工填土層、第四系沖洪積層及殘積土層組成，下部為泥質(zhì)砂巖。場地內(nèi)各土層簡述如下：

2.1 覆蓋層

第四系人工填土層：雜色，松散，稍濕，主要由粘土、砂土、碎石塊及混凝土組成；沖洪積層：深灰色，流塑～軟塑，飽和，局部含腐殖質(zhì)且具腐臭味，部分鉆孔含淤泥質(zhì)土及貝殼類物質(zhì)。粉質(zhì)粘土：淺紅色，可塑，局部硬塑-堅硬，稍濕，巖芯呈土柱狀，為泥質(zhì)砂巖風(fēng)化殘積土，標(biāo)貫范平均值為24擊。

2.2 基巖

基巖為泥質(zhì)砂巖，棕紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，巖石風(fēng)化嚴(yán)重，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯呈短柱狀或塊狀，局部鉆孔巖芯遇水易軟化。弱風(fēng)化抗壓強(qiáng)度為22.83 MPa。

考慮到基坑周圍環(huán)境的影響，地形和地質(zhì)的深度等，開挖深度8.4～12.7m，本基坑主要采用樁錨體系的支護(hù)型式，樁錨支護(hù)主要由Ф800@1000鉆孔樁和兩排5×7Ф5預(yù)應(yīng)力錨索組成，鉆孔樁樁長17米，第一排錨索長約32米，第二排錨索長約24米。其剖面示意圖如圖1所示。

3 變形特性分析

3.1 監(jiān)測布置

為監(jiān)測基坑變形，將水平位移監(jiān)測點布置在樁頂冠梁處，總共18個點；周邊的地表沉降設(shè)置監(jiān)測點，共42個；樁身水平位移變形監(jiān)測點，共12個；本文僅以基坑?xùn)|南角分析，監(jiān)測點布置如圖2所示。本工程報警值為25mm，位移最大速率控制值≤2mm/d，位移控制值為43mm。若發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，應(yīng)立即報告，參加各方共同討論并提出解決方案，確保基坑邊坡的安全穩(wěn)定。

3.2 冠梁水平位移

在側(cè)向土壓力的作用下，樁產(chǎn)生變形，從某種程度上來說，冠梁的水平位移可以反應(yīng)樁頂?shù)乃轿灰啤Ｈ」诹荷系腤3、W4、W5、W6四個點的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，冠梁水平位移曲線如圖3所示。

圖2 基坑監(jiān)測點平面布置圖

圖3 冠梁水平位移變化圖

由圖3可知，總體來說，冠梁的水平位移隨著開挖時間的進(jìn)行而不斷增大。在第一步開挖階段，水平位移增長幅值較快，這是因為工程起初，工期較緊，挖方量較大，導(dǎo)致土體卸荷較迅速，是冠梁的水平位移增大的較快。最大位移增量為5mm。隨后第一排錨索預(yù)應(yīng)力施加完成，可以看出在第10～16天范圍內(nèi)，冠梁的水平位移增量較小，基本趨于穩(wěn)定。且W3點還出現(xiàn)了一定的回彈現(xiàn)象，這些都是由于錨索張拉施加預(yù)應(yīng)力導(dǎo)致的。在第16～25天范圍內(nèi)先后進(jìn)行了第二級開挖和施加第二排錨索，可以看出，開挖至第二排錨索階段，冠梁水平位移增長幅值不大，這是由于前期開挖已經(jīng)釋放了大部分應(yīng)力。第二排錨索對位移的限制作用也不是那么明顯。在第26～36天范圍內(nèi)，由第二排錨索的位置開挖至基坑底部，可以看出，該階段冠梁的水平位移增長幅值大、速率快。分析其原因為，第二排錨索至坑底深度較大，開挖此范圍內(nèi)的巖土體使應(yīng)力釋放量較大，側(cè)向土體應(yīng)力對樁的擠壓作用越明顯，因此是冠梁的水平位移增加得越快。在第40天～第48天范圍內(nèi)，底板開始澆筑，隨著地下結(jié)構(gòu)的施工和土體的回彈，該階段支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移趨于平緩，變化較小。

由圖3還可以看出，對比四個點的水平位移，W5、W6兩點的水平位移增加的幅值和速率都較W3、W4兩點大，初步分析原因可能為W5、W6兩點附近為工程車運(yùn)輸?shù)栏浇h(huán)的荷載對附近巖土體的位移場有影響，增大了敏感性，使其在開挖作用下水平位移增加得大。

3.3 樁身水平位移

隨著開挖支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行在側(cè)向土壓力的作用下，產(chǎn)生地基變形，當(dāng)變形和位移值超過某一范圍，支護(hù)結(jié)構(gòu)將會失穩(wěn)破壞。下面以Z10點處樁身的水平位移為例，分析整個支護(hù)結(jié)構(gòu)在開挖各階段的位移變化圖。Z10點處樁身的水平位移變化如圖4所示。

由圖4可以看出，樁身的水平位移隨深度變化呈現(xiàn)一定的規(guī)律。隨著開挖時間的增加，土體水平擠壓力向下移，故樁身水平最大位移的位置也相應(yīng)下移，最大值并未出現(xiàn)在樁頂處，而是出現(xiàn)在距樁頂9m的地方。最終基坑最大水平位移值達(dá)到16mm。

由圖4分析可知，樁身變形大致呈S型，第一排錨索很好的限制了樁頂?shù)奈灰疲捎谕翂毫Φ淖饔?，在開挖深度的一半位置處水平推力較大，故變形也較大。第二排錨索張拉后，水平位移得到了很好的控制，樁身變形在規(guī)范允許范圍內(nèi)，基坑較穩(wěn)定。

3.4 錨索軸力

錨索在張拉后，由于在開挖作用下，其軸力會發(fā)生變化。下面以第一排錨索S1、S2、S3、S4四個點的軸力數(shù)據(jù)變化作為對象進(jìn)行分析，設(shè)計軸力為500kN。由于在施工階段的第8天第一排錨索的預(yù)應(yīng)力才施加上，因此從第8天開始分析。四個點錨索的軸力隨時間變化如圖5所示。

由圖5分析可知，隨著開挖的進(jìn)行，錨索軸力的變化大致可以分為三個階段：第一個階段為第8～14天，錨索軸力迅速降低階段；第二個階段為第14～25天，錨軸向力上升階段；用于26～48天第三階段，錨定拉伸力趨穩(wěn)階段。

根據(jù)由力錨軸向力曲線和迅速降低階的情況下，原因如下各階段分析：

（1）在第一階段，第8天錨索張拉完成，此后幾天內(nèi)，錨索軸力迅速下降，軸力損失達(dá)50kN。應(yīng)力出現(xiàn)卸荷現(xiàn)象，該階段內(nèi)土體產(chǎn)生松弛蠕變，土體發(fā)生應(yīng)力集中和消散，錨索的預(yù)應(yīng)力得以損失。此外，損失的軸力值還與錨索材料、張拉方式等有關(guān)。

（2）在第二階段，基坑內(nèi)土體大量開挖，開挖至第二排錨索位置處。該階段土體卸荷速度快，使基坑周圍的土體對支護(hù)體系的側(cè)向壓力增大，導(dǎo)致樁身向基坑內(nèi)部傾斜變形，從而使錨索得到進(jìn)一步張拉，因此其軸力增長迅速，增加至485kN左右。也正是由于該階段，使錨索的作用得以充分的發(fā)揮，限制了巖土體的位移，因此，在位移場方面，才使得第14～25天范圍內(nèi)的位移值增加的較小，充分保證了基坑的穩(wěn)定性。

圖4 樁身水平位移變化圖

圖5 錨索軸力變化圖

（3）在第三階段，第二排錨索張拉完成，開挖第二排錨索以下的巖土體直至基坑底部。該階段第一排錨索的軸力較平穩(wěn)，雖然繼續(xù)開挖增大了側(cè)向土壓力，使樁的變形量增大，但是，由于第二排錨索的預(yù)應(yīng)力作用，分擔(dān)了第一排錨索的軸力，因此第一排錨索在軸力值方面才體現(xiàn)的比較穩(wěn)定。當(dāng)進(jìn)入后續(xù)底板澆筑和結(jié)構(gòu)施做使，錨索的軸力也基本不會發(fā)生變化。

錨索軸力變化最大為50kN，變化值較穩(wěn)定，且錨索軸力的實際變化與理論分析吻合。

3.5 地表沉降變形

周邊環(huán)境的監(jiān)測顯得更為重要，本文將基坑頂部沉降隨開挖時步變化的過程繪成曲線如下圖6所示。

由圖6知，在第一步以及第二步開挖工況下，這是由于開挖卸荷的作用，坡頂處的豎向位移有向上反彈現(xiàn)象，且由于坑底的土體有回彈量，在回彈的過程中產(chǎn)生一個對樁向上的摩擦力，使樁有一定的抬升。隨著開挖，邊坡表面增加的幅度和范圍后定居。由于預(yù)支護(hù)支護(hù)樁，有效降低了結(jié)算支坡土壤表面附近，混凝土表面本身具有一定的粘結(jié)強(qiáng)度和抗彎剛度，兩者共同支持的土壤表面，他起到了支撐作用附近的斜坡。因此，全面解決了“勺”型變形的問題，最大沉降不是在坡頂，而是在距離坑壁6.2m處。第二步至第三步過程，地表沉降增量較大，分析原因為該過程開挖土體方量較大，導(dǎo)致地表沉降量也較大。最后一步開挖后，地面沉降達(dá)最大值，為16.03mm。

為了對比數(shù)值模擬結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)是否吻合，圖7繪制出了利用ABAQUS有限元數(shù)值模擬手段分析得出的最后一步開挖后，巖土體的豎向位移云圖。

由上圖可知，對于地表沉降而言，樁后地表沉降確實呈現(xiàn)為“勺”型，最大沉降量為15.6mm，位于樁后約5m的位置。而實際監(jiān)測的結(jié)果是，最大位移為16.03mm，位于樁后6.2m處，與模擬結(jié)果基本吻合。由此可見，運(yùn)用ABAQUS有限元數(shù)值軟件對樁錨支護(hù)體系基坑的模擬具有一定的可靠性，模擬結(jié)果與實際監(jiān)測結(jié)果吻合。

4 結(jié)論

（1）本文通過對樁錨支護(hù)體系下基坑施工過程中的監(jiān)測得出，冠梁水平位移在開挖后迅速增加，錨索施加后位移得到控制。水平位移與開挖高度呈正相關(guān)，與錨索施加的時效呈負(fù)相關(guān)。

（2）樁身水平位移呈S型曲線，由于第一排錨索作用，最大位移并不是出現(xiàn)在樁頂處，而是在基坑開挖深度的1/2處。錨索張拉前，樁體水平位移增長較快；張拉后，位移變化幅度小且穩(wěn)定。

圖6 開挖結(jié)束后巖土體豎向位移云圖

（3）錨索應(yīng)力損失是因為土體產(chǎn)生松弛蠕變，發(fā)生了應(yīng)力集中和消散。隨著土體大量開挖，支護(hù)體系要限制土體位移，故錨索軸力迅速增加。最后一排開挖時，第二排錨索分擔(dān)了第一排的軸力，故第一排錨索軸力趨于平穩(wěn)。

（4）地表沉降呈漏斗形，沉降最大處并不是樁頂處，而是水平距離為2/3倍基坑深度處。開挖時，地表沉降增加較快。通過最后一步的開挖分析，驗證了利用數(shù)值模擬手動分析基坑的變形特性和實際監(jiān)測數(shù)據(jù)基本吻合。

圖7 地表沉降變化曲線圖