基坑吊腳墻支護中鎖腳錨索的設(shè)計方法探討

陳富強，楊光華, ，周沛棟，李支令，喬國龍

(1.廣東省水利水電科學研究院，廣州 510635； 2.廣東省巖土工程技術(shù)研究中心，廣州 510635；3. 華南理工大學土木與交通學院，廣州 510640；4.廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院有限公司，廣州 510635；5.廣東粵海珠三角供水有限公司，廣州 511458)

1 概述

一般情況下，基坑工程中的擋土結(jié)構(gòu)(地連墻或樁)的嵌固深度需要滿足整體穩(wěn)定性驗算、抗隆起驗算、抗傾覆(踢腳破壞)穩(wěn)定性驗算和嵌固段基坑內(nèi)側(cè)土反力驗算的要求，當坑底以下為軟土時，其嵌固深度還需要滿足繞最下層支點為軸心的圓弧滑動穩(wěn)定性的要求。然而，當遇到上覆土層，下部巖層埋藏淺且強度很高的土巖組合地質(zhì)條件，或者當基坑開挖很深，基坑底面已處于中風化甚至微風化的硬巖層中時，在基坑支護設(shè)計時，綜合考慮到支護的經(jīng)濟性、工期和施工的難度等因素，通常采用“吊腳墻(樁)”支護。廣東省地質(zhì)條件多樣性，決定了某深基坑工程支護形式的多樣性，各種支護形式都在應用[1]，其中吊腳式支護結(jié)構(gòu)在高層建筑(如廣州東塔)、城市地鐵(如廣州地鐵、東莞地鐵)等的基坑工程中廣泛應用[2-10]，但是其設(shè)計計算理論卻還不成熟，國家和地方的基坑規(guī)范規(guī)程尚未有相關(guān)的設(shè)計條文。吊腳式支護的通常做法，為了保證“吊腳墻(樁)”墻(樁)腳的安全，在墻(樁)入巖面以下預留一定寬度的巖肩固定墻(樁)腳。但由于施工爆破等方面的影響，預留巖肩可能會被破壞，損失了對墻(樁)腳的支撐作用，此時，為了防止腳根不穩(wěn)，導致造成墻底塌方，產(chǎn)生危險，往往會在吊腳墻(樁)底增加鎖腳錨索來固住墻(樁)腳，可見，鎖腳錨索的設(shè)計在吊腳墻(樁)支護設(shè)計中是至關(guān)重要的。李棟[11]等采用強度折減法研究了吊腳支護，指出護樁彎矩隨工況的變化趨勢，表明在基巖垂直開挖后，需重點關(guān)注鎖腳錨桿軸力和預留巖肩的完整程度對二元巖土基坑穩(wěn)定性的控制作用。

在吊腳墻(樁)設(shè)計計算的研究方面，劉建偉[12]根據(jù)吊腳樁支護體系受力原理和分步開挖工況，提出系統(tǒng)的“吊腳樁”支護體系計算模型，上部樁錨結(jié)構(gòu)按“零嵌固”排樁模型計算，鎖腳錨索通過抗踢腳穩(wěn)定性計算其承載力，下部巖層基坑分別按復合土釘墻模型進行圓弧穩(wěn)定性驗算和巖質(zhì)邊坡模型進行平面穩(wěn)定性驗算。徐濤[13]等介紹了吊腳樁在廣州地鐵中的應用，將“吊腳樁”組合圍護體系分成兩部分，分別采用彈性增量法計算分析。從已有資料來看，若鎖腳錨索的設(shè)計拉力通過極限平衡分析(如抗踢腳穩(wěn)定)確定尚不合理，因為未考慮施工過程的影響，若以巖肩頂面處作為分界線，按“零嵌固”彈性支點法計算錨索拉力，則可能導致計算的錨索拉力偏小。因此，為了保證吊腳式支護結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定，進一步完善鎖腳錨索的設(shè)計方法是非常必要的。為此，本文對吊腳墻支護中鎖腳錨索的設(shè)計方法進行了研究，提出了符合施工過程的設(shè)計計算方法，可供設(shè)計人員參考使用。

2 鎖腳錨索設(shè)計計算原理

根據(jù)增量法的計算原理，在多支撐支護結(jié)構(gòu)中，支撐或錨桿都是先開挖后支撐的，即支撐前結(jié)構(gòu)已變形，且不同過程中其計算的力學體系也是不同的，為此，對多支撐的支護結(jié)構(gòu)的受力，采用增量法進行計算才符合實際[14-15]。

為了分析方便起見，以圖1的吊腳式支護體系為例，說明鎖腳錨索的設(shè)計計算原理。與通常的做法一樣，將吊腳式支護體系分成上、下兩部分進行分析計算，為了分析鎖腳錨索拉力的計算，取上部結(jié)構(gòu)進行分析，計算模型如圖2所示，即取巖肩頂面處的標高作為基坑的底面標高，支護墻(樁)按實際長度，計算模型中不加鎖腳錨索，根據(jù)施工過程，用增量法計算至基坑底面，采用等效替代思想，此時基坑開挖面以下，巖層對支護墻(樁)坑底以下的抗力之和即為鎖腳錨索需要提供的水平向拉力之和，可以理解為后期由于巖肩內(nèi)側(cè)的開挖，原本由巖肩對支護墻(樁)提供的抗力轉(zhuǎn)移至了鎖腳錨索，即力的轉(zhuǎn)移，不考慮巖肩對支護墻(樁)的有利作用，將其作為安全儲備考慮，設(shè)計計算的鎖腳錨索的拉力是偏大的，故設(shè)計方案是偏安全，因此，采用此方法計算，可以避免判斷按極限平衡分析確定的錨索拉力是否安全可靠的問題，避開了采用極限分析方法的缺點，且設(shè)計計算的錨索拉力是考慮了施工過程影響的，更符合基坑的受力和變形實際。

圖1 吊腳式支護結(jié)構(gòu)示意

圖2 吊腳式支護結(jié)構(gòu)(上部結(jié)構(gòu))示意

可見，由水平方向的靜力平衡條件，作用在擋土構(gòu)件嵌固段上的基坑內(nèi)側(cè)土反力合力=錨索的水平分向的合力，然后根據(jù)錨索的傾角，可以求得軸力計算值(見圖3)：

圖3 吊腳式支護結(jié)構(gòu)簡化計算模型示意

T=∑Psb0

(1)

式中：

T——錨索的水平分向的合力，kN；

Ps——作用在擋土構(gòu)件嵌固段上的基坑內(nèi)側(cè)的分布土反力，kPa；

b0——擋土結(jié)構(gòu)的土反力計算寬度，m。

3 案例分析

以珠江三角洲水資源配置工程SL01#盾構(gòu)工作井基坑支護為例。SL01#工作井外徑為34.3 m圓形豎井，地面平整高程為44.0 m，基坑底高程為-4.88 m，開挖深度為48.88 m。采用地下連續(xù)墻+砼內(nèi)襯墻及錨桿支護方案，地連墻墻厚為1 m，土層襯砌后內(nèi)徑為29.9 m，巖層襯砌后內(nèi)徑為26.8 m。上部采用地下連續(xù)墻和逆作法鋼筋砼內(nèi)襯墻支護，下部弱風化變質(zhì)巖段井身采用預應力錨桿和逆作法鋼筋砼內(nèi)襯墻支護。其具體的基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計為：上部連續(xù)墻采用吊腳式，墻厚為 1.0 m，墻底嵌入弱風化巖不小于3.5 m，底部采用兩層預應力錨索鎖腳，錨索(5Φs15.2)單根長L=11 m，傾角為15°，布置間距為2.0 m×2.0 m；下部弱風化巖段錨桿(1Φ25)單根長L=6 m，傾角為15°，布置間距為1.5 m×1.2 m，并采用掛鋼筋網(wǎng)噴砼(厚度250 mm)護面，平面和剖面示意如圖4和圖5所示。

圖4 SL01#工作井平面示意(單位：mm)

圖5 SL01#工作井剖面示意(單位：尺寸mm，高程m)

基坑圍護結(jié)構(gòu)側(cè)壁安全等級為1級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為 1.1。始發(fā)井基坑周邊施工超載按35 kPa控制，盾構(gòu)機吊裝布置于端頭洞門側(cè)，地面超載按70 kPa考慮；根據(jù)鉆孔揭露，巖土層依次為人工填土，松散狀填土，壓縮性高，自穩(wěn)能力差；坡積土，由泥質(zhì)砂礫等組成，透水性較大，雜亂，壓縮性高，易沖刷破壞；全風化變質(zhì)巖，呈砂礫質(zhì)粉質(zhì)黏土狀，黏粒含量低，韌性較差，干強度一般；強風化變質(zhì)巖，強風化巖風化劇烈，巖體呈碎裂結(jié)構(gòu)，夾有全風化夾層，整體穩(wěn)定性差；弱風化變質(zhì)巖，弱風化巖體為塊狀～整體狀結(jié)構(gòu)，巖質(zhì)堅硬，完整性好。各層土的物理力學參數(shù)建議值見表1。

表1 各土層物理力學參數(shù)建議值

根據(jù)《港口工程地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程》(JTJ 303—2003)中圓形支護地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)設(shè)計的有關(guān)規(guī)定。圓形支護地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)宜按空間結(jié)構(gòu)計算，也可按軸對稱結(jié)構(gòu)取單位寬度的墻體作為豎向彈性地基梁計算。墻體和環(huán)梁的環(huán)向效應，可按軸對稱結(jié)構(gòu)簡化為等效彈性支撐。

當圓形支護地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)利用環(huán)梁作支撐時，可將環(huán)梁的作用以等效支撐彈簧來替代(如圖6所示)。單位寬度墻體上環(huán)梁的等效彈性支撐系數(shù)可按式(2)計算：

a 環(huán)梁支撐 b 等效支撐彈簧

(2)

式中：

Kh——環(huán)梁的等效彈性支撐系數(shù),kN/m2；

Eh——環(huán)梁材料的彈性模量,kN/m2；

Ah——環(huán)梁截面面積,m2；

Rh0——環(huán)梁中心線初始半徑,m。

圓形支護墻體的環(huán)向效應可采用分布的支撐彈簧來替代(如圖7所示)。單位寬度地下連續(xù)墻墻體的等效分布彈性支撐系數(shù)可按式(3)計算：

1-地下連續(xù)墻墻體；2-等效分布支撐彈簧

(3)

式中：

Kd——墻體的等效分布彈性支撐系數(shù)，kN/m3；

Ed——地下連續(xù)墻環(huán)向綜合壓縮模量，kN/m2，Ed=αE，E為地下連續(xù)墻混凝土彈性模量，kN/m2，α=0.5～0.7，本次分析中取α=0.5，當R0較大，或槽段數(shù)較多時取小值；

b——地下連續(xù)墻的墻體厚度，m；

R0——墻體中心線半徑，m。

采用北京理正深基坑軟件增量法計算，計算深度取32.5 m，即鎖腳錨索所在的內(nèi)襯墻底面，嵌固深度為3.5 m，計算結(jié)果如圖8所示。

圖8 增量法計算結(jié)果示意

計算至開挖底時，作用在擋土構(gòu)件嵌固段上的基坑內(nèi)側(cè)土反力合力∑Psb0=529 kN/m(如圖9所示)，設(shè)計了兩排錨索，錨索(5Φs15.2)單根長L=11 m，傾角為15°，水平間距為2 m，根據(jù)前面的鎖腳錨索的計算方法，則每根錨索的軸力T=529 kN/m×2 m÷2根÷cos15°=548 kN，根據(jù)施工圖，設(shè)計的錨索鎖定值為550 kN。由于現(xiàn)場沒有布置鎖腳錨索的拉力監(jiān)測，但從現(xiàn)場測斜監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，實測的最大水平位移為8.68 mm(如圖10所示)，小于計算的最大位移為12.58 mm，可見，錨索的設(shè)計還是合理、可靠的。

圖9 各工況下基坑內(nèi)側(cè)土反力合力計算結(jié)果示意

圖10 現(xiàn)場監(jiān)測測斜累計位移示意

3 結(jié)語

針對目前吊腳式支護中鎖腳錨索拉力設(shè)計方法尚缺少有效計算方法的現(xiàn)實問題，本文從吊腳式支護結(jié)構(gòu)受力的實際出發(fā)，分析了鎖腳錨索的受力過程，從力的轉(zhuǎn)移的角度，提出了將坑底以下基坑內(nèi)側(cè)土反力合力等效為鎖腳錨索的水平拉力之和，并以一個實際工程的鎖腳錨索設(shè)計為例，分析了計算過程，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)對比，初步驗證了方法的可行性。本文提出的鎖腳錨索的計算方法是考慮了施工過程影響，由此計算的基坑支護的受力和變形更符合工程實際，是一種比較可靠的計算方法，可供類似工程設(shè)計參考。