新型大直徑玻纖錨索在軟土地區(qū)基坑工程中的應(yīng)用研究

謝弘帥 何林南 李正陽(yáng) 鄭鵬亮 王宗生 杜維彬

1. 上海海洋地質(zhì)勘察設(shè)計(jì)有限公司 上海 200120；2. 中建二局第一建筑工程有限公司 北京 100176

錨索作為比較成熟的支護(hù)方式，已在礦山、隧道、邊坡和基坑等眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，成為一種重要的支護(hù)技術(shù)手段。隨著錨索技術(shù)的不斷改進(jìn)與創(chuàng)新，其已由原普通預(yù)應(yīng)力型發(fā)展為高壓旋噴型，較好地解決了普通錨索直徑小、設(shè)計(jì)長(zhǎng)度長(zhǎng)、錨固力小等問(wèn)題。近年來(lái)，高壓旋噴錨索在軟土地區(qū)也得到了一定的應(yīng)用，取得了較好的社會(huì)效益[1]。

隨著現(xiàn)代城市空間不斷開發(fā)，城市用地趨于緊張，為充分利用地下空間資源，地下室開挖深度越來(lái)越深，擬建地下室外墻退界用地紅線越來(lái)越小。隨著錨索的大量使用，錨索后階段性問(wèn)題日益突出。

錨索易超用地紅線侵占鄰近空間，錨索中鋼絞線不易回收、遺留在地下，易形成地下障礙物，不僅造成了資源浪費(fèi)，而且給鄰近未來(lái)地下空間開發(fā)帶來(lái)較大影響。因此，錨索的可回收性及回收率成為了當(dāng)下該支護(hù)體系能否實(shí)施的關(guān)鍵。在20世紀(jì)90年代，國(guó)外就開始對(duì)錨索的可回收性進(jìn)行了研究，比較典型的有英國(guó)SBMA回收式錨索、德國(guó)DYWIDAG回收式錨索和日本JCE回收式錨索等[2]。

目前，國(guó)內(nèi)可回收工藝較為成熟和使用較為廣泛的主要是U形（擴(kuò)大頭）鋼絞線錨索、日本JCE錨索和熱熔式可回收錨索這3種。從上述3種可回收性錨索大量的應(yīng)用和實(shí)際效果看，上述可回收錨索依舊存在不少問(wèn)題，如回收難度大、回收率低、回收工期長(zhǎng)、需預(yù)留一定的人工拆除操作空間、拆除變形大等。而新型玻纖錨索憑借自身高強(qiáng)、輕質(zhì)、易切割、環(huán)保等特性，較大程度上彌補(bǔ)了當(dāng)前可回收錨索在使用中的不足。

1 工程概況

1.1 工程周邊環(huán)境

擬建項(xiàng)目位于浙江臺(tái)州玉環(huán)市軟土地區(qū)，整體設(shè)1層地下室。基坑面積約5.90萬(wàn) m2，開挖深度5～7 m。

基坑北側(cè)距用地紅線最近3.30 m，用地紅線外為市政省道（道路上有供水、雨水、污水等市政管線）；基坑南側(cè)距用地紅線最近為9 m，用地紅線外為市政主干道；基坑?xùn)|側(cè)距用地紅線約4.50 m，用地紅線外為施工便道；基坑西側(cè)距用地紅線最近為4 m，用地紅線外為施工便道，路寬約6 m?；颖眰?cè)和南側(cè)為主干道，環(huán)境保護(hù)要求較高，基坑?xùn)|側(cè)和西側(cè)周邊環(huán)境相對(duì)一般，距用地紅線較近。擬建地下室周邊環(huán)境如圖1所示。

圖1 擬建地下室周邊環(huán)境

1.2 工程地質(zhì)條件

擬建場(chǎng)地地形地貌屬?zèng)_海積平原，根據(jù)地勘資料，基坑開挖影響范圍內(nèi)場(chǎng)地地層從上而下分別是：①雜填土、③1淤泥、③1夾粉質(zhì)黏土夾粉砂、③2淤泥質(zhì)黏土、③3黏土、④黏土等。場(chǎng)地平均2.00～6.30 m雜填土以下分布有較厚的③1層流塑狀淤泥土，基底均位于③1層淤泥深度范圍內(nèi)，該土層土性較差。

1.3 工程水文條件

根據(jù)勘察報(bào)告，對(duì)本項(xiàng)目有影響的地下水類型主要為孔隙潛水和孔隙性弱承壓水。其中，潛水埋深0～1.50 m，弱承壓水水頭高程約0.20 m。

2 基坑支護(hù)方案選型

本基坑面積大，開挖深度5～7 m，地質(zhì)條件較差?；颖眰?cè)和南側(cè)環(huán)境保護(hù)要求較高，有重要管線分布，采用鉆孔樁＋鋼前撐或雙排樁支護(hù)；基坑西側(cè)及東側(cè)周邊環(huán)境條件相對(duì)簡(jiǎn)單，但距用地紅線較近。根據(jù)基坑開挖深度、地質(zhì)條件和周邊環(huán)境，基坑西側(cè)和東側(cè)可采用的支護(hù)方案主要為：鉆孔樁＋高壓旋噴樁止水帷幕＋鋼斜撐，或鉆孔樁＋高壓旋噴樁止水帷幕＋可回收高壓旋噴錨索。

鋼斜撐方案需要坑邊留土，中部底板先施工，待底板達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度并拼裝鋼斜撐后，再進(jìn)行斜撐下土方的二次開挖，因而會(huì)造成挖土和土建施工時(shí)間長(zhǎng)，無(wú)法滿足現(xiàn)場(chǎng)對(duì)工期的要求，且底板位置預(yù)留的施工縫增加了底板滲漏水的風(fēng)險(xiǎn)。

目前，市場(chǎng)普遍使用的可回收錨索無(wú)法保證100%的回收率，為了盡量減小錨索對(duì)鄰近地塊開發(fā)的影響，本項(xiàng)目推薦采用新型玻纖錨索。

3 基坑支護(hù)方案設(shè)計(jì)

3.1 支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)

本基坑?xùn)|側(cè)和西側(cè)開挖深度5 m，通過(guò)計(jì)算分析，采用φ700 mm@1 000 mm鉆孔灌注樁擋土，樁長(zhǎng)15 m；采用高壓旋噴樁止水帷幕，樁長(zhǎng)8 m；壓頂圈梁中心處設(shè)1道玻纖錨索，具體支護(hù)典型剖面和錨索主要設(shè)計(jì)參數(shù)如圖2和表1所示。

圖2 基坑支護(hù)典型剖面示意

表1 錨索主要設(shè)計(jì)參數(shù)

3.2 支護(hù)力學(xué)模型建立

本工程采用玻纖3φ19.5 mm，抗拉強(qiáng)度1 034 MPa?；诶士贤翂毫碚摚ㄟ^(guò)采用理正巖土計(jì)算軟件進(jìn)行驗(yàn)算，具體力學(xué)計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 基坑支護(hù)力學(xué)計(jì)算模型（單位：m）

3.3 基坑支護(hù)計(jì)算結(jié)果及分析

通過(guò)支護(hù)力學(xué)模型模擬和理論計(jì)算結(jié)果分析可知：基坑開挖至基底標(biāo)高時(shí)，錨索軸向拉力標(biāo)準(zhǔn)值為210.00 kN，支護(hù)樁最大位移為29.79 mm，說(shuō)明基坑變形可控。

基坑整體穩(wěn)定安全系數(shù)為1.336，抗傾覆穩(wěn)定最小安全系數(shù)為2.346，滿足規(guī)范要求，基坑安全可控。

4 新型大直徑玻纖錨索構(gòu)造及特點(diǎn)

新型大直徑玻纖錨索屬于壓力型錨索，主要由外錨頭、波紋PVC套管、GFRP筋體材料、注漿體和承壓支座等組成，其中錨具采用OVM系列，錨具和夾具應(yīng)符合相應(yīng)規(guī)范要求。具體構(gòu)造、筋體連接和相關(guān)設(shè)計(jì)要求如圖4、圖5和表2所示。

圖4 新型玻纖錨索大樣

圖5 玻璃纖維和鋼絞線筋體連接大樣

表2 玻璃纖維和鋼絞線筋體連接技術(shù)要求

新型大直徑玻纖錨索具有以下幾大特點(diǎn)：

1）無(wú)需回收。采用環(huán)保且易切割的環(huán)氧樹脂和玻璃纖維復(fù)合組成的新型玻璃纖維增強(qiáng)樹脂筋材料（簡(jiǎn)稱GFRP筋材），對(duì)周邊環(huán)境無(wú)影響，無(wú)需回收。

2）具有很好的彈性性能。應(yīng)力應(yīng)變曲線接近彈性，在發(fā)生較大變形后能恢復(fù)原狀，塑性變形小，有利于結(jié)構(gòu)偶然超載后的變形恢復(fù)。

2）具有較高的錨固力。大直徑錨固體與土層的接觸面積大，大幅度提高了錨固力，進(jìn)一步縮短了錨索設(shè)計(jì)長(zhǎng)度，便于施工。

3）具有較高的比強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。新型可回收玻纖錨索由7根直徑6.5 mm的玻璃纖維筋復(fù)合而成，復(fù)合后大大提升了其抗拉強(qiáng)度，進(jìn)一步保障了基坑支護(hù)的安全及可靠性。其中，內(nèi)置GFRP新型筋體材料有較高的比強(qiáng)度，可減輕結(jié)構(gòu)自重，方便現(xiàn)場(chǎng)施工。

4）適用性更廣泛。內(nèi)置的GFRP新型復(fù)合筋體材料具有良好的耐腐蝕性，在酸、堿、氯鹽和潮濕環(huán)境中均可長(zhǎng)期使用，適用條件較廣，這是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料難以比擬的。

5 基本試驗(yàn)

施工前，根據(jù)規(guī)范JGJ 120—2012《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》要求進(jìn)行錨索基本試驗(yàn)，確定錨索施工工藝、錨索極限抗拔承載力標(biāo)準(zhǔn)值，驗(yàn)證設(shè)計(jì)參數(shù)。試驗(yàn)錨數(shù)量按設(shè)計(jì)同條件下不少于4根。

利用一臺(tái)500 kN的油壓千斤頂對(duì)試驗(yàn)錨索進(jìn)行分級(jí)多循環(huán)加載、卸載，加卸載的各分級(jí)荷載量宜取最大試荷載的10%。最大加載量為350 kN，4組試驗(yàn)中錨索最大殘余沉降量為19.23 mm，最大上拔量為35.12 mm，各級(jí)上拔位移增量逐級(jí)遞增，U-曲線較為平緩，未出現(xiàn)錨索位移增量2倍的現(xiàn)象，且錨索位移收斂較好，滿足設(shè)計(jì)要求?；驹囼?yàn)成果如表3所示。

表3 錨索抗拔靜載試驗(yàn)成果匯總

6 支護(hù)實(shí)施效果

為了確?；影踩竟こ淘诨邮┕み^(guò)程中，于支護(hù)樁頂、周邊地面、錨索內(nèi)等設(shè)置了相應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，便于隨時(shí)掌握基坑變形情況，做到信息化施工和對(duì)施工全過(guò)程的動(dòng)態(tài)控制。本文主要取在開挖過(guò)程中對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)有直接檢驗(yàn)效果的支護(hù)樁樁頂水平位移、錨索內(nèi)力及周邊地面沉降進(jìn)行分析。

圖7和圖8分別表示在土方開挖不同時(shí)間段支護(hù)樁頂水平位移和支護(hù)樁豎向位移監(jiān)測(cè)歷時(shí)變形值。從圖中可以看出，樁頂水平位移和豎向位移總體上隨著開挖深度及時(shí)間呈現(xiàn)不斷增大趨勢(shì)，特別是開挖到第1道錨索底至基底前，變化速率較大，主要原因是開挖范圍內(nèi)土性較差，為較厚流塑狀淤泥層。支護(hù)樁最大水平和豎向位移均發(fā)生在土方開挖至基底時(shí)，最大樁頂水平位移和最大豎向位移分別為12 mm和12.20 mm，開挖過(guò)程中最大變形速率2.7 mm/d，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7 樁頂水平位移歷時(shí)曲線

圖8 樁頂豎向位移歷時(shí)曲線

圖9和圖10分別表示在不同施工時(shí)期深層土體位移和地面沉降位移值。可以看出，隨著基坑土方開挖，引起的土體位移和地面沉降變形速率逐漸增大，待至開挖至基底，墊層和底板澆筑完成后，土體位移和地面沉降變形速率逐漸減小，土體趨于穩(wěn)定狀態(tài)。最大深層土體位移值為36.60 mm，最大沉降位移值為27 mm?？紤]到周邊布有施工便道，且基坑暴露時(shí)間較長(zhǎng)及處于雨季期，實(shí)際發(fā)生的深層土體位移和沉降位移比理論模擬結(jié)果稍大。圖11為土方開挖不同時(shí)間段錨索軸力歷時(shí)監(jiān)測(cè)曲線，在開挖至基底前，錨索軸力處于增長(zhǎng)狀態(tài)，軸力監(jiān)測(cè)最大值為201 kN，未超過(guò)設(shè)計(jì)軸力預(yù)警值。

圖9 深層土體位移歷時(shí)曲線

圖10 地面沉降歷時(shí)曲線

圖11 錨索軸力歷時(shí)曲線

綜上所述，基坑工程開挖全過(guò)程的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，基坑開挖至基底時(shí)，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)樁頂位移最大為12 mm，側(cè)向深層土體位移最大為36.60 mm，地面沉降最大為27.001 mm，未超預(yù)警值，有效控制了基坑開挖對(duì)基坑周邊環(huán)境的影響，進(jìn)一步說(shuō)明新型大直徑玻纖錨索適用于軟土地區(qū)，能起到較好的支護(hù)作用，且能避免對(duì)鄰近地塊開發(fā)帶來(lái)的不利影響。

7 社會(huì)效益分析

新型大直徑玻纖錨索能有效控制基坑變形，通過(guò)對(duì)內(nèi)置筋體材料進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，采用具有高強(qiáng)比、耐腐性強(qiáng)、耐久性、易切割和新型環(huán)保等特性的玻璃纖維增強(qiáng)樹脂筋GFRP材料，較好地解決了市場(chǎng)上可回收錨索中鋼絞線無(wú)法完全回收、錨索超用地紅線等問(wèn)題，同時(shí)減少了鋼筋生產(chǎn)帶來(lái)的能源消耗和環(huán)境污染，是一種新型綠色環(huán)保支護(hù)材料。

該新型錨索省去了傳統(tǒng)意義上可回收錨索拆除及鋼絞線回收等工作，節(jié)省了人工拆除、錨索回收費(fèi)用及拆除過(guò)程中新增的換撐等費(fèi)用，極大地降低了支護(hù)成本，同時(shí)較大地優(yōu)化和縮短了施工工期。該種技術(shù)在工程應(yīng)用中具有較高的競(jìng)爭(zhēng)力和較好的經(jīng)濟(jì)效益。

8 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合實(shí)際工程，通過(guò)技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)性、實(shí)施效果等方面進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

1）新型大直徑玻纖錨索可避免錨索無(wú)法回收的情況，對(duì)周邊地下空間開發(fā)影響小，綠色環(huán)保，為錨索的可回收提供了一種新思路。

2）新型大直徑玻纖錨索錨固力可靠，基坑變形控制效果較好，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

3）新型大直徑玻纖錨索無(wú)需進(jìn)行傳統(tǒng)意義上的錨索拆除及鋼絞線回收工作，且憑借自身新型復(fù)合筋體材料高強(qiáng)的比強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和彈性性能等特點(diǎn)，進(jìn)一步提高了基坑的安全性。

4）新型大直徑玻纖錨索的使用，省去了傳統(tǒng)意義上可回收錨索煩瑣的拆除及回收工作，大幅降低了基坑的支護(hù)成本，節(jié)省了施工工期，減少了鋼筋生產(chǎn)帶來(lái)的能源消耗和環(huán)境污染，經(jīng)濟(jì)效應(yīng)相對(duì)較顯著，具有很好的推廣應(yīng)用前景。