樁錨基坑支護(hù)錨索位置優(yōu)化分析

鄧海明 高青松

（云南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650041）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市化進(jìn)程不斷加快，城市建設(shè)和交通設(shè)施的要求也越來(lái)越高，為了滿足日益增長(zhǎng)的對(duì)大型基礎(chǔ)設(shè)施的需求，以及人們對(duì)工程質(zhì)量的更高標(biāo)準(zhǔn)，樁基礎(chǔ)在其中的應(yīng)用范圍將進(jìn)一步擴(kuò)大，樁基施工技術(shù)的重要性逐漸顯現(xiàn)出來(lái)。

1 樁錨支護(hù)理論概述

1.1 樁錨支護(hù)

在樁錨支護(hù)過(guò)程中，首先要考慮的就是對(duì)施工場(chǎng)地的要求，以及周邊環(huán)境的影響因素，其中，包括了周?chē)ㄖ锏牟贾谩⒌叵鹿芫€的敷設(shè)、地下水的埋深及開(kāi)挖深度等[1]。在進(jìn)行樁錨支護(hù)時(shí)，要根據(jù)實(shí)際的情況來(lái)選擇合適的方法確定其位置，并且還要對(duì)其穩(wěn)定性加以校核。樁的設(shè)置主要是為了保證基坑的穩(wěn)定，防止出現(xiàn)坍塌的現(xiàn)象而采取的臨時(shí)性的措施；其次，是通過(guò)控制截面的大小和長(zhǎng)度，從而有效地降低沉降量，使其能夠滿足設(shè)計(jì)的基本原則。

1.2 樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理

根據(jù)相關(guān)規(guī)范，樁錨支護(hù)的設(shè)計(jì)過(guò)程主要包括以下幾個(gè)階段：（1）樁的穩(wěn)定性分析；（2）基坑安全計(jì)算；（3）施工工藝的選擇與設(shè)計(jì)。在運(yùn)行樁錨支護(hù)的設(shè)計(jì)和施工時(shí)，首先需要考慮的就是巖土工程的特點(diǎn)和要求，并結(jié)合實(shí)際情況，制定出科學(xué)合理的設(shè)計(jì)方案來(lái)滿足該建筑物的安全性、經(jīng)濟(jì)性以及可靠性。在確定了巖土的強(qiáng)度后，才能對(duì)其采取相應(yīng)的加固措施，從而保證該建筑的穩(wěn)定性能。其次，還要對(duì)其的抗拉、抗剪性能做出評(píng)價(jià)，以確保其具有足夠的承載力。最后，還應(yīng)綜合各種因素，如周?chē)h(huán)境的條件等，來(lái)選取最合適的方案以提高整個(gè)地下結(jié)構(gòu)的整體剛度，使之達(dá)到最佳的使用狀態(tài)。因此，我們要從多個(gè)方面入手，全面了解影響巖土的受力狀況，并通過(guò)多種方法的比較最終得出最優(yōu)的處理手段。

1.3 樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的基本安全標(biāo)準(zhǔn)

安全系數(shù)的定義是：在一定的安全范圍內(nèi)，某一特定的工程結(jié)構(gòu)或支護(hù)體系的危險(xiǎn)程度。它是一個(gè)相對(duì)的概念：在任何情況下，當(dāng)某項(xiàng)事故發(fā)生時(shí)，將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的損害（如破壞設(shè)備、設(shè)施、施工人員傷亡等）。樁錨支護(hù)的基本要求：（1）保證相鄰建（構(gòu)）筑物和道路的安全性；（2）確保臨近建（構(gòu)）筑物和道路上的行人及車(chē)輛的人身財(cái)產(chǎn)的安全；（3）對(duì)周?chē)h(huán)境的影響不能通過(guò)設(shè)計(jì)來(lái)控制。例如：地震產(chǎn)生的危害、地下水位下降的可能性，以及振動(dòng)引起的應(yīng)力變化等。只有把這些因素都納入到考慮的范疇中，才能使其發(fā)揮最大的作用，以達(dá)到減少甚至杜絕災(zāi)害的目的，而不被拆除[2]。

2 樁錨支護(hù)基坑位移反分析

為了保證建筑結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)也要確保周邊建筑物的穩(wěn)定，減少因巖體的不均勻沉降而引起的設(shè)計(jì)變更，所以對(duì)該部分的研究具有十分重要的意義；另外，隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)的快速發(fā)展，大量高層及超高層住宅隨之而來(lái)，這就使得地下空間的開(kāi)發(fā)與利用成了一項(xiàng)非常熱門(mén)的課題。

2.1 樁錨支護(hù)基坑變形機(jī)理

基坑開(kāi)挖過(guò)程中，樁錨支護(hù)的穩(wěn)定性直接影響到周邊建筑的安全和施工進(jìn)度。樁錨支護(hù)的主要作用是保證圍巖的穩(wěn)定和防止地下水的滲流，同時(shí)也可以避免由于樁的變形而導(dǎo)致的墻體位移、沉降等問(wèn)題的出現(xiàn)；而對(duì)于不同類型的圍巖，其變形的特點(diǎn)也是不一樣的，從控制荷載量的方面考慮，其對(duì)圍巖的破壞通常表現(xiàn)在以下兩個(gè)階段：（1）擋土墻的加固；（2）擋土墻的固結(jié)：擋土墻的固結(jié)就是指采用一定的措施將兩部分的固結(jié)融在一起的一種方法。前者在軟土地基的承載力的要求下，能夠有效地減少沉降的可能性，從而使工程的造價(jià)得到降低。

圖1 樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)圖

2.2 樁錨支護(hù)基坑位移反算

根據(jù)基坑開(kāi)挖的具體情況，樁錨支護(hù)的施工過(guò)程中，樁體的變形主要是由以下幾個(gè)因素造成的：（1）樁體的抗力受到影響，在實(shí)際工程中，由于地質(zhì)條件的限制和土質(zhì)差異，地下土壓力的作用下，會(huì)產(chǎn)生一定的側(cè)向應(yīng)力，使其發(fā)生了改變，導(dǎo)致其出現(xiàn)了較大的變化；（2）在進(jìn)行深挖的時(shí)候，會(huì)對(duì)周?chē)慕ㄖY(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性帶來(lái)很大的干擾；（3）當(dāng)采用人工輔助措施時(shí)，可能會(huì)對(duì)周邊的建筑物以及相鄰的管線等設(shè)施的安全穩(wěn)定構(gòu)成不利的影響；因此，對(duì)于以上的各種問(wèn)題，本文提出的控制方法是：在設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，利用有限元軟件，建立深挖深度的計(jì)算模型，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)模擬的結(jié)果與理論值的對(duì)比分析，最終確定了該深埋錨固支護(hù)的施工方案，同時(shí)也為以后的工作提供參考[3]。

3 樁錨基坑支護(hù)錨索位置優(yōu)化策略

3.1 模態(tài)

模態(tài)是指樁錨固體系的彈性應(yīng)變計(jì)的工作狀態(tài)，是通過(guò)測(cè)量其在施工過(guò)程中的實(shí)際位移和變形，來(lái)確定其相應(yīng)的變化量的一種方法。它包括了以下幾個(gè)方面：

（1）根據(jù)工程的具體情況，選擇適當(dāng)?shù)臏y(cè)試工具，如鉆、灌注樁，振動(dòng)沉管法等，并記錄數(shù)據(jù)；（2）在進(jìn)行試驗(yàn)前，將模擬的巖土體放置于現(xiàn)場(chǎng)，觀察巖土體的動(dòng)態(tài)特性，并對(duì)不同的力學(xué)性質(zhì)的材料，施加一定的荷載，以確保其具有良好的抗壓性能；（3）在使用前，應(yīng)先對(duì)試件的性能參數(shù)和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行檢查，以確認(rèn)試件是否滿足設(shè)計(jì)要求。如果不符合，則需要調(diào)整或更換；（4）當(dāng)巖土體的應(yīng)力超過(guò)了極限值時(shí)，應(yīng)立即采取措施，使之恢復(fù)到初始的平衡狀態(tài)。當(dāng)加載次數(shù)較多，或樁長(zhǎng)較短，或鉆孔深度較大時(shí)，可分別采用單點(diǎn)鉆孔，單點(diǎn)鉆孔，雙點(diǎn)鉆孔，連續(xù)多次[4]。

3.2 樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

當(dāng)基坑開(kāi)挖深度較大時(shí)，樁錨支護(hù)的受力狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布不均，出現(xiàn)位移，甚至發(fā)生破壞。為了保證樁錨支護(hù)的安全穩(wěn)定，必須及時(shí)對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析。

（1）對(duì)圍巖條件的評(píng)價(jià)。圍巖的穩(wěn)定性是影響樁錨支護(hù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。在施工中，應(yīng)根據(jù)圍巖的物理特性和力學(xué)性能，采用相應(yīng)的方法來(lái)確定其作用范圍，并通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果來(lái)判斷所選的參數(shù)是否符合要求；（2）對(duì)土壓力的計(jì)算和土體的粘聚性的分析。在實(shí)際工程中，由于各種原因，往往會(huì)使樁的內(nèi)力與極限承載力達(dá)不到預(yù)期的目的而引起失穩(wěn)。因此，需要考慮土體的粘聚性。對(duì)于軟塑類或含塑區(qū)的軟黏土地區(qū)，可使用固結(jié)灌漿法或鉆孔灌注法，但要注意泥漿固結(jié)的質(zhì)量問(wèn)題。

3.3 樁錨支護(hù)的沉降量

影響樁錨支護(hù)施工的質(zhì)量因素有:基坑深度、巖土性質(zhì)、水文地質(zhì)條件等。

（1）樁的選擇。根據(jù)工程實(shí)際情況，確定采用以下原則：在巖土勘察資料中，孔隙含水飽和度和孔隙比應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求；當(dāng)鉆探數(shù)據(jù)中已知地下水位時(shí)，可選用孔徑較小的鉆井；當(dāng)鉆探數(shù)據(jù)中未知地下水位時(shí)，可考慮利用超聲波探測(cè)方法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，并檢測(cè)其穩(wěn)定性和敏感性；（2）控制樁的長(zhǎng)度及間距。若遇特殊地段，應(yīng)采取相應(yīng)措施，保證其長(zhǎng)距能達(dá)到規(guī)范規(guī)定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。如在砂層地區(qū)，需對(duì)其進(jìn)行處理，以降低差異沉降量。若為中等規(guī)模的砂層，則需增加樁距，并加強(qiáng)混凝土的澆灌，使之形成一定的強(qiáng)度后，再加大預(yù)應(yīng)力張拉。同時(shí)還應(yīng)對(duì)預(yù)應(yīng)力張拉值的變化范圍內(nèi)的土體施加壓力；（3）通過(guò)對(duì)巖土的性質(zhì)分析，確定巖質(zhì)邊坡的主要影響因素是強(qiáng)風(fēng)化帶的活動(dòng)性以及地震力。因此，在選用相應(yīng)的巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性時(shí)，要充分結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的具體勘察資料，并與當(dāng)?shù)氐臍庀箢A(yù)報(bào)相結(jié)合，綜合分析，最終選擇出合理的巖石力學(xué)指標(biāo)[5]；（4）對(duì)于軟粘土地區(qū)的地基處理，要從兩個(gè)方面入手：一是對(duì)軟粘土地區(qū)進(jìn)行加固；二是采用粉砂或碎石等硬性材料的基礎(chǔ)上，提高其承載力[6]。同時(shí)也要注意防止地下水的滲漏，保證場(chǎng)地的安全和穩(wěn)定。

3.4 優(yōu)化程序

由于樁錨支護(hù)的施工過(guò)程中，基坑周?chē)馏w的變形是不可避免的現(xiàn)象；而在實(shí)際工程中，樁基礎(chǔ)的開(kāi)挖深度往往比較大，且其受荷載的影響較大，因此在進(jìn)行支護(hù)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一定的不平衡沉降問(wèn)題，導(dǎo)致其整體穩(wěn)定性受到破壞，甚至?xí)l(fā)生巖體開(kāi)裂等安全事故。所以，需要優(yōu)化其結(jié)構(gòu)。

（1）確定影響樁錨支護(hù)穩(wěn)定性的因素。在進(jìn)行了工程勘察和施工之后，首先要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的巖土情況和地質(zhì)條件等有全面的了解后，再結(jié)合規(guī)范的要求以及相關(guān)的設(shè)計(jì)圖紙，對(duì)可能出現(xiàn)的問(wèn)題制定出相應(yīng)的預(yù)防措施；（2）計(jì)算巖土體的塑性指數(shù)，并將其與安全系數(shù)相比較，從而選擇最優(yōu)的支護(hù)方案；（3）根據(jù)巖土體的性質(zhì)、規(guī)模、開(kāi)挖深度等，分別采用不同的組合方式，并考慮到實(shí)際的場(chǎng)地環(huán)境；（4）在保證基坑安全性的前提下，對(duì)樁錨支護(hù)的變形控制，主要是防止相鄰的兩個(gè)樁的位移超過(guò)允許值，同時(shí)也要注意避免鄰近建筑物的沉降[7]。當(dāng)?shù)叵滤坏陀谠O(shè)計(jì)值時(shí)，應(yīng)采取一定的加固處理，以降低其沉降量。當(dāng)基坑的埋深較大時(shí)，應(yīng)適當(dāng)提高其埋置深度，但不可以直接挖掉，以免增加地基的不均勻沉降。

3.5 優(yōu)化數(shù)據(jù)

通過(guò)以上的分析，得到了樁錨索支護(hù)工程的施工過(guò)程中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和分析，以保證后續(xù)的設(shè)計(jì)工作的順利實(shí)施。根據(jù)上述的結(jié)果可以看出：樁錨基坑支護(hù)的優(yōu)化方案的確定是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，在實(shí)際的施工中，要結(jié)合各種因素的影響來(lái)對(duì)其做出相應(yīng)的優(yōu)化調(diào)整，才能使整個(gè)項(xiàng)目的安全性能得以提高[8]。因此，就需要考慮以下的幾個(gè)方面：

（1）對(duì)于巖土的穩(wěn)定性以及承載力，必須要有足夠的重視；（2）巖土的抗剪強(qiáng)度應(yīng)該滿足規(guī)范要求；（3）地基的沉降變形應(yīng)符合相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，并且不能夠超過(guò)允許值。如果不滿足此條件，那么就會(huì)導(dǎo)致后面的優(yōu)化措施無(wú)法有效地開(kāi)展下去，甚至可能會(huì)造成更嚴(yán)重的后果；（4）樁的沉降，應(yīng)盡量控制在合理范圍內(nèi)，避免出現(xiàn)過(guò)大的波動(dòng)變化，從而引起結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的破壞等。同時(shí)也不能忽視周?chē)慕ㄖ?、地下管線等。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以巖土工程勘察設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，以錨索支護(hù)為例，對(duì)其施工過(guò)程中的樁(柱)的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，并對(duì)其可能出現(xiàn)的問(wèn)題提出了相應(yīng)的控制措施。介紹巖土工程技術(shù)的基本知識(shí)，包括巖土的概念、分類及應(yīng)用；通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，分析在樁基實(shí)施的時(shí)候存在的安全隱患，并根據(jù)這些危險(xiǎn)因素的影響程度，結(jié)合相關(guān)的理論和經(jīng)驗(yàn)建立了樁錨支護(hù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。