預(yù)應(yīng)力錨索排樁在圍巖基坑開挖中的應(yīng)用

王德英，范文陽(yáng)，龐 彪

(廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530023)

0 引言

我國(guó)山區(qū)橋梁發(fā)展規(guī)模日益擴(kuò)大，交通線路趨于完善，面臨的工程環(huán)境也復(fù)雜多樣。群樁基礎(chǔ)由于施工工藝簡(jiǎn)便且工程性能可靠，在山區(qū)橋梁中也應(yīng)用廣泛，但在狹窄位置處卻并不適用，由于群樁基礎(chǔ)占地面積大，某些位置可能存在基樁外露現(xiàn)象，不利于基礎(chǔ)的承載。面臨這種困境，挖井基礎(chǔ)是個(gè)很好的解決方案，挖井基礎(chǔ)占地面積小，基礎(chǔ)穩(wěn)定性強(qiáng)，且不用施工承臺(tái)，可以很好地與橋墩連接。而挖井基礎(chǔ)的基坑開挖土方量較大，在開挖過(guò)程中圍巖應(yīng)力不斷變化，很可能發(fā)生基坑事故，因此需要在開挖前做好支護(hù)措施[1]。為了避免對(duì)巖體產(chǎn)生過(guò)大擾動(dòng)，施工排樁結(jié)構(gòu)形成地連墻結(jié)構(gòu)，可以對(duì)開挖周圍巖土體起到隔離作用，并開挖至一定深度后施工預(yù)應(yīng)力錨索，這樣可以最大限度地減少基坑變形，支護(hù)結(jié)構(gòu)可以保留足夠的開挖作業(yè)空間，利于機(jī)械出土，加快開挖進(jìn)度。本文通過(guò)有限元模型進(jìn)行基坑開挖作業(yè)模擬，結(jié)合實(shí)際基坑開挖的變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，證明了預(yù)應(yīng)力錨索排樁的支護(hù)效果是可靠的，可為類似錨索排樁支護(hù)提供理論依據(jù)。

1 基坑開挖有限元模擬

1.1 工程概況

某橋梁16#墩基礎(chǔ)位于山體陡坡位置處，由于場(chǎng)地面積有限，施工群樁基礎(chǔ)存在部分基樁外露的問(wèn)題，且對(duì)陡坡位置處的巖體擾動(dòng)較大，對(duì)基礎(chǔ)的整體穩(wěn)定性存在潛在的威脅，因此，決定采用橫截面為6 m×6 m、深17 m的矩形挖井基礎(chǔ)替代原來(lái)的群樁基礎(chǔ)方案。基坑離最近的陡坡面3 m。坡體巖層主要為灰?guī)r，強(qiáng)風(fēng)層2 m，Ⅳ級(jí)軟石，下部為弱風(fēng)化層，Ⅴ級(jí)次堅(jiān)石，節(jié)理裂隙發(fā)育。不良地質(zhì)主要為溶槽、溶孔和溶穴，多為碎石土和黏性土半填充，大部分無(wú)水。巖體表面裸露無(wú)植被覆蓋。施工單位預(yù)先對(duì)最近的坡體臨空面施加預(yù)應(yīng)力錨桿，對(duì)坡面進(jìn)行了加固處理。

1.2 基坑開挖方案

基坑開挖前施工排樁，形成厚0.5 m、深22 m的地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)。分4層開挖，第一層開挖2 m，第二層開挖5 m，第三層開挖5 m，第四層開挖5 m，總計(jì)開挖17 m，排樁有5 m長(zhǎng)嵌固在坑底巖層下方。錨索采用3排3行，分別在第一、二、三層開挖后施工。錨索預(yù)應(yīng)力為200 kN，錨索與水平面向下夾角為10°，錨索長(zhǎng)15 m，錨固段為10 m。

1.3 建立有限元模型

1.3.1 基本假設(shè)[2-3]

(1)不考慮巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，視作均質(zhì)、各向同性材料。

(2)加固后的坡面對(duì)開挖過(guò)程影響微小，可視作普通平地地形。

(3)不考慮錨索錨固區(qū)與非錨固區(qū)的差別，視作全段錨固在巖體中。

(4)不考慮排樁施工對(duì)原有地應(yīng)力場(chǎng)的影響。

(5)將排樁視作彈性體，不考慮塑性。

(6)開挖的巖土及時(shí)運(yùn)走，地表不存在超載。

1.3.2 材料參數(shù)

巖體采用彈塑性模型，塑性部分采用摩爾-庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則，排樁結(jié)構(gòu)及預(yù)應(yīng)力錨索采用彈性模型。相關(guān)材料參數(shù)如表1、表2所示。

表1 巖體參數(shù)表

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)材料參數(shù)表

1.3.3 建模思路

為了簡(jiǎn)化模型，采用二維平面模型進(jìn)行模擬，利用對(duì)稱性取模型一半進(jìn)行開挖分析。采用1∶1建模，模型范圍為30 m×44 m，巖體單元采用CPE4單元，排樁采用CPE4I單元，錨索采用T2D2單元數(shù)量，網(wǎng)格劃分單元總數(shù)為1 628個(gè)。預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)置膨脹系數(shù)，采用降溫法施加預(yù)應(yīng)力。排樁與圍巖為摩擦接觸，摩擦系數(shù)為0.5，錨索分別在深2 m、7 m、12 m處與排樁進(jìn)行綁定，錨索長(zhǎng)度范圍與巖體內(nèi)部進(jìn)行嵌固。模型如圖1所示。

圖1 二維基坑模型云圖

1.3.4 模擬工況

模型分析過(guò)程分為地應(yīng)力平衡、第一層開挖、第二層開挖、第三層開挖和第四層開挖。地應(yīng)力平衡采用自動(dòng)地應(yīng)力平衡法，開挖采用model change功能實(shí)現(xiàn)，第一、二、三行預(yù)應(yīng)力錨索分別在第二、三、四層開挖時(shí)進(jìn)行激活[4]。

1.3.5 邊界條件

模型左右限制X方向位移，底部固定。

2 模型結(jié)果分析

2.1 兩種支護(hù)開挖完成后的圍巖變形

開挖完成后基坑圍巖變形情況如圖2所示。

(a)單獨(dú)排樁支護(hù)

(b)錨索排樁支護(hù)

由圖2開挖后圍巖結(jié)果可知：

(1)基坑開挖17 m深后，圍巖的最大變形發(fā)生在8～15 m 處。

(2)排樁施加預(yù)應(yīng)力錨索后，圍巖最大變形范圍更加集中。

(3)排樁施加預(yù)應(yīng)力錨索后，淺處圍巖變形顯著減小。

開挖完成后的排樁豎向應(yīng)力如圖3所示。

(a)無(wú)錨索

(b)有錨索

由圖3排樁豎向應(yīng)力分布可知：

(1)單獨(dú)的排樁支護(hù)中，在坑底嵌入巖層處，墻后側(cè)表面受拉，而前側(cè)表面受壓。

(2)排樁施加了預(yù)應(yīng)力錨索后，排樁后側(cè)表面為受拉受壓交替分布，前側(cè)應(yīng)力與后側(cè)相反，在錨索錨固處附近的后側(cè)為受拉、前側(cè)為受壓。

2.2 排樁水平位移與后側(cè)接觸壓力

排樁結(jié)構(gòu)沿深度范圍內(nèi)在各階段的水平位移如圖4所示。

(a)未施加錨索

(b)施加錨索

由圖4可知：

(1)隨著開挖深度的增加，排樁結(jié)構(gòu)水平位移增加。

(2)未施加錨索的排樁結(jié)構(gòu)最大水平位移發(fā)生在樁端位置，水平位移量為13 mm；施加了錨索的排樁結(jié)構(gòu)最大水平位移發(fā)生在距坑底1 m深處，水平位移量為2.4 mm。

排樁后側(cè)接觸壓力變化如圖5所示。

(a)無(wú)錨索

(b)有錨索

由圖5可知：

(1)開挖前排樁后側(cè)接觸壓力分布呈沿深度的線性變化。

(2)未施加錨索的排樁，在開挖深度范圍內(nèi)的后側(cè)接觸壓力幾乎為零，而未開挖的下部3 m內(nèi)的接觸壓力會(huì)顯著增大。

(3)在施加了錨索的排樁結(jié)構(gòu)中，錨固點(diǎn)附近的接觸壓力會(huì)向上、下2 m遞減，這與未施加錨索的接觸壓力有顯著區(qū)別。

坑底回彈量如圖6所示。

圖6 開挖完成后的坑底回彈量曲線圖

由圖6可知：

(1)開挖完成后，從坑底中心線向兩邊會(huì)呈現(xiàn)遞增的回彈量。

(2)施加了錨索的坑底回彈量較未施加錨索的少。

3 結(jié)果評(píng)估

3.1 機(jī)理分析

未施加預(yù)應(yīng)力錨索的排樁結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一種懸臂式支撐，依靠嵌入端的錨固作用抵擋四周圍巖作用力，而排樁形成的連續(xù)墻厚度太小，抗彎剛度較小，因此在頂端會(huì)形成較大的水平位移[5]。在開挖過(guò)程中，巖石壁立性較好，圍巖與開挖范圍內(nèi)的排樁接觸減弱，接觸壓力趨于零，但巖體中的水平地應(yīng)力場(chǎng)由于開挖影響發(fā)生了重新分布，導(dǎo)致開挖面下方水平地應(yīng)力增大，與排樁后側(cè)接觸壓力增大。而錨索通過(guò)施加的預(yù)應(yīng)力，保證排樁后側(cè)與圍巖的接觸，起到了限制位移的作用，使得排樁后側(cè)表面應(yīng)力呈現(xiàn)受拉受壓的交替分布，將圍巖壓力傳遞至巖體內(nèi)部，減弱了水平地應(yīng)力向深處的重新分布。

3.2 實(shí)際基坑監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比

監(jiān)測(cè)單位分別在基坑內(nèi)與地表布設(shè)了監(jiān)測(cè)點(diǎn)，地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)為排樁頂部及坑外1 m、2 m和3 m處，坑內(nèi)在深2 m、7 m和12 m的錨索錨頭上布設(shè)測(cè)點(diǎn)，按施工工況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。至基坑開挖完成，地表處排樁頂部水平位移累計(jì)為0.7 mm，坑內(nèi)側(cè)壁2 m、7 m和12 m深處單側(cè)向內(nèi)水平變形累計(jì)分別為1.2 mm、1.5 mm和1.8 mm。

3.3 誤差分析

實(shí)際監(jiān)測(cè)的變形量普遍更小，這是由于模擬過(guò)程中采用的地形條件為平地，而實(shí)際工程的地形為陡坡，地應(yīng)力分布模擬偏大，導(dǎo)致模型結(jié)果偏大，可以采用三維模型模擬不對(duì)稱的地應(yīng)力分布減小這部分誤差，但這部分誤差并不妨礙對(duì)錨索排樁的支護(hù)效果分析。

4 結(jié)語(yǔ)

圍巖深基坑開挖中，雖然巖石壁立性好，但由于巖體內(nèi)部地應(yīng)力較高，且內(nèi)部存在一些不良地質(zhì)構(gòu)造，極易發(fā)生崩塌巖爆事故，因此在開挖中需要加強(qiáng)坑壁的支護(hù)。為了預(yù)留足夠的出渣作業(yè)空間，選用排樁錨索支護(hù)效果可靠，且對(duì)這類支護(hù)提出如下建議：

(1)對(duì)高地應(yīng)力場(chǎng)的圍巖開挖，排樁錨索需要有足夠的抗彎剛度，可適度增大排樁直徑，增大抗彎剛度。

(2)基坑深處的錨索預(yù)應(yīng)力可以適度增大，以抵抗深處較高的水平地應(yīng)力。

(3)基坑開挖完成要及時(shí)回填基礎(chǔ)，減少坑底回彈量。