深厚軟土基坑軟土錨固旋噴錨索計算初探

周漢香, 周越洲, 方小丹

(華南理工大學建筑設計研究院有限公司，廣州 510641)

0 引言

大面積深厚軟土基坑采用內支撐支護時費工費時,當場地不受限制,采用斜拉錨支護具有明顯優(yōu)勢。如設置常規(guī)孔徑的錨索,通常只能將錨索穿透軟土后錨固入深部硬土層,往往導致錨索超長,施工難度大,造價高。為解決此問題,近十年來,支護樁結合大直徑錨索在軟土基坑工程中得到應用發(fā)展[1]。旋噴錨索因施工工藝較為成熟,已在非軟土和含水量40%左右的淤泥質黏土基坑中得到較多應用[2-5],在含水量更高的深厚淤泥基坑中,也有應用實例[6-7]。支護樁結合大直徑旋噴錨索是深厚軟土基坑中采用樁錨支護的發(fā)展方向之一。

當前,對于深厚軟土基坑,在錨索無法有效錨固入深部硬土層的情況下,如何較為可靠地進行旋噴錨索設計,缺乏較完整的理論分析、方法與實例驗證。一方面,行標《建筑基坑支護技術規(guī)程》(JGJ 120—2012)無全長位于軟土的旋噴錨索設計計算方法。另一方面,因軟土存在顯著的流變效應,軟土中樁錨支護計算不準確的問題非常突出。錨索軸力常因衰減明顯導致支護結構變形過大。因缺乏理論指導和正確認識,已有不少全長位于軟土中的旋噴錨索支護失敗案例[8-9]。

香港科技大學(廣州)深厚淤泥基坑工程[10]采用PRC管樁結合一道軟土錨固的旋噴錨索支護,僅零星部位少量采用了穿透軟土入硬土錨固的錨索。筆者基于該工程的設計施工實踐,建立樁錨支護計算模型,將旋噴錨索視為大直徑錨拉長樁,對多項實際工程采用剪切位移法進行計算,并將計算值與監(jiān)測值進行對比。本文研究成果可為全長位于軟土中的旋噴錨索計算提供參考與借鑒。

1 軟土錨固旋噴錨索計算方法研究

剪切位移法和荷載傳遞法是樁基研究的常用方法,也用于巖土錨固的研究。國標《建筑樁基技術規(guī)范》(JGJ 94—2008)采用剪切位移法計算減沉復合樁基的刺入變形。文獻[11]較早采用剪切位移法與荷載傳遞法相結合計算群錨。根據單錨或群錨的基本試驗,已有文獻[12-13]采用不同的剪切傳遞函數對各種非軟土地層的錨桿進行研究?？紤]軟土流變效應,結合樁錨支護結構特點,描述清楚土與結構的相互作用,是較真實反映軟土中旋噴錨索受力變形機理的關鍵。

1.1 錨土界面摩阻力

基于“定性-定量-反演-總結”的系統(tǒng)控制方法,通過工程實踐確定較符合實際的錨土界面摩阻力及其分布,可減少主觀假定導致的誤差。

抗剪強度從峰值強度迅速下降到較穩(wěn)定的殘余強度,是流變軟土的典型受力特征。當錨索預應力張拉值大于軟土提供的穩(wěn)定承載力時,錨土界面將產生相對滑移,宏觀表現即為錨索在鎖定后逐步出現應力松弛,直至達到與軟土提供的穩(wěn)定承載力相對應的平衡狀態(tài)。因軟土強度低,基本試驗表明,在軟土中錨索的短期極限承載力與其錨固段直徑、錨固長度存在近似正比關系[14],這與非軟土中的錨索顯著不同。

在流變軟土中,錨索應按軟土提供的穩(wěn)定承載力進行設計。根據文獻[15],淤泥質黏土層中的土錨,錨索穩(wěn)定承載力實測值僅為檢測峰值的60%左右,衰減明顯。當錨索設置于淤泥層時,更應注意淤泥流變影響,控制淤泥剪應力水平,確保淤泥產生衰減型流變以提供穩(wěn)定承載力。軟土穩(wěn)定的摩阻力值可按各地經驗參數取值。在珠三角地區(qū),如無實測數據,建議可按廣東省《建筑地基基礎設計規(guī)范》(DBJ 15-31—2016)取值,具體為:淤泥摩阻力取4～8kPa,平均值5kPa;淤泥質土摩阻力取8～13kPa,平均值10kPa。

軟土中錨索的承載力由錨土界面摩阻力控制,錨索自由段受拉,其拉力由錨固段提供抗拔力來平衡,相應地在錨土界面產生斜向剪應力并往周邊土體傳遞,符合剪切位移法的假定。此斜向剪應力使得錨固段范圍內的軟土產生斜向上剪切變形。在穩(wěn)定受力階段,可假定錨土界面不脫離,則軟土的剪切變形即為錨索的受力變形。軟土常為軟塑態(tài)或流態(tài),其強度低,無應力集中,故可取錨土界面摩阻力沿錨固段均勻分布。軟土中錨索通常較長,分布較密,在土體中形成大范圍的剪切受力帶,故需考慮剪應力重疊的影響,即需考慮群錨效應。

1.2 計算模型

位于深厚軟土中的樁錨支護在穩(wěn)定受力階段的計算模型可簡化為圖1。圖中,P1、P2為錨索作用于支護樁的集中力,坑底以下O點為反彎點。對于圖1中的滑楔體,假定錨索不可壓縮,由靜力平衡和變形協(xié)調可知,以下關系成立:

圖1 計算模型簡圖

Pi=πdiτiLai(i=1,2)

(1)

δpA=δsA′

(2)

δpB=δsB′

(3)

式中:Pi為錨索拉力;τi為錨土界面摩阻力;di為錨索錨固段直徑;Lai為錨索錨固段長度;δsA′、δsB′為錨索錨固段La1、La2土體斜向剪切位移值;δpA和δpB為支護樁對應錨索支點A、B位置的斜向位移。

可由剪切位移法求出在穩(wěn)定受力階段錨固段的土體斜向剪切位移δsA′和δsB′值。當采用現澆混凝土冠梁與腰梁時,錨索端部與支護樁連接節(jié)點可視為剛性節(jié)點。因錨索端部與支護樁連接固定,δsA′和δsB′值即為支護樁對應錨索支點位置的斜向位移δpA和δpB值。

按剪切位移法,并考慮軟土的工程特性,可得到旋噴錨索外周剪切區(qū)任意點的剪切位移δr、錨索外周剪切區(qū)的總剪切位移體積V;將總剪切位移體積除以外周圓面積,并考慮剪切應力重疊,化簡后即為考慮群錨效應后的錨索斜向上剪切位移ss。上述三者的計算公式分別為:

(4)

(5)

(6)

式中:τp為錨土界面摩阻力平均值,kPa;rp為錨索錨固段半徑,m;r為剪切點到樁中心的距離;d為錨索錨固段直徑,m;s為錨索縱向間距,m;G為土體剪切模量,MPa,軟土泊松比可取為0.4,則有G≈0.5Es;Es為壓縮模量,MPa,對于軟土,可取Es=1.0N,N為標貫擊數;rm為錨索外周剪切位移最大影響半徑,m,按球柱孔擴張理論,軟土可取為rm=8d。

進一步,可得到旋噴錨索抗拉剛度Kt計算公式為:

(7)

式中:P為錨索穩(wěn)定拉力,kN;La為錨索錨固段長度,m。

求得錨索斜向剪切位移后,可將其按錨索傾角分解,求得相應樁錨節(jié)點處的水平與豎向位移分量值。

同理,在錨索豎向分力作用下,圖1中的支護樁樁周邊的軟土亦產生豎向剪切,可按上述相同方法求解軟土沿支護樁側的豎向剪切位移。本文仍按rm=8d考慮剪切變形區(qū),此時式(6)中d為樁徑,s為支護樁間距。以香港科技大學(廣州)基坑工程PRCⅠ600(130)管樁(直徑600mm、間距900mm)為例,如圖2所示。注意支護樁列范圍為非剪切作用區(qū),應予以扣除。軟基處理后因土體中存留密集塑料排水板,支護樁采用錘擊沉樁且有效進行二次排水,故樁側各1d范圍為施工強烈重塑區(qū)也可一并扣除。將上述支護樁列和重塑區(qū)視為非軟土剪切范圍。由圖2可求得扣除后軟土剪切位移體積V的折減系數約為0.8。本文僅針對支護樁總體沉降進行計算,即求沉降最大值,故僅考慮樁側軟土層的剪切變形以簡化計算。

圖2 支護樁側豎向剪切作用面積圖

圖1中支護樁頂的實際總沉降,即為軟土沿錨索側的斜向上剪切位移的豎向分量值(上拔),與軟土沿支護樁側的豎向剪切位移(下拉)的疊加。

以上為對應圖1的樁錨支護,在考慮軟土流變效應后的穩(wěn)定承載階段,按剪切位移法,計算錨索拉力、剛度,及錨索與支護樁連接節(jié)點位置處位移的基本方法?？捎糜趩沃c樁錨支護的軟土錨固旋噴錨索計算。實際工程中,可通過量測錨索拉力、支護樁頂水平位移與豎向沉降、樁身測斜值等實際數據,將實際數據與計算數據對比來校驗。

1.3 剪切位移法使用要點

在方案階段,如無地勘資料,建議錨土界面摩阻力τ、壓縮模量Es可按如下取值:淤泥τ取5kPa,Es取1.5MPa;淤泥質土τ取10kPa,壓縮模量Es取3.0MPa;將τ、Es值代入式(1)、(6)、(7)進行評估計算。如有地勘資料,則可結合地勘資料、地區(qū)經驗和工程實際情況綜合確定τ、Es取值。

在設計階段,可由式(1)、(6)、(7)計算全長位于軟土層中的旋噴錨索的穩(wěn)定承載力、剛度及變形?？筛鶕鲜鰠涤嬎阒嫡{整錨索尺寸參數以滿足工程需要。也可將對應計算結果代入彈性支點法(m法)和有限元法作為已知邊界條件,以提高計算精度。

在施工階段,可將設計階段的錨索拉力、變形計算值與施工階段的監(jiān)測值進行比較,以評估實際的安全狀況,并提前做好應對預案。

2 工程應用

香港科技大學(廣州)深厚淤泥基坑工程,開挖深度平均為6.5m,采用樁錨支護,典型支護剖面詳見文獻[10]。采用PRCⅠ600(130)管樁(直徑600mm、間距900mm),樁頂設置一道預應力旋噴錨索。錨索傾角30°,自由段長10m,錨固段長25m,直徑500mm,兩樁一錨,錨索水平間距1.8m,大部分錨索全長主要處于淤泥層中,配套南基坑的南側局部,受紅線限制,少量采用了穿透軟土入硬土錨固的錨索,本文以全長主要處于淤泥層中的錨索為分析對象?？傮w上支護樁長24m,樁底進入硬土層。本工程場區(qū)大范圍進行了真空預壓軟基處理,取壓縮模量Es為2.0MPa。

結合地勘資料,按式(1)計算得到的本工程旋噴錨索穩(wěn)定承載力為150～180kN[10]。按實際錨固段施工長度25m,可求得對應的錨土界面摩阻力τ為3.82～4.59kPa。

按式(6)計算得到錨索斜向剪切位移為20.6～24.8mm,見表1。將斜向剪切位移再按錨索傾角進行分解,即乘以其余弦與正弦,可求得錨索水平位移分量和豎向位移分量。本工程水平位移分量(朝坑內)為17.8～21.5mm,豎向位移分量(上拔)為10.3～12.4mm。

表1 旋噴錨索斜向剪切位移計算

按式(6)計算支護樁側豎向剪切位移,見表2。具體如下:對應支護剖面,將單根錨索豎向分力作用于兩根支護樁可計算得到單樁承擔豎向分力為37.5～45kN。按總樁長24m只考慮樁側淤泥段18.5m長的剪切效應;對應有坑底以上淤泥厚度3.5m,坑底以下淤泥厚度15.0m?？拥滓陨隙?因坑內側土體在基坑開挖時被挖除,僅坑外側單側軟土產生剪切,故坑底以上段作用只計一半,則淤泥段等效計算總長約為16.7m。求得對應的樁土界面摩阻力τ為1.19～1.43kPa。將τ代入式(6)可求得豎向剪切位移為44.4～53.3mm,乘以前述剪切位移體積折減系數0.8,即可得到支護樁側豎向剪切位移為35.5～42.6mm(下拉)。

表2 支護樁側豎向剪切位移計算

表1、2兩種剪切效應疊加,即可得到支護樁頂的豎向沉降值為25～30mm。本計算僅針對總體沉降,即求沉降的最大值,故只考慮樁側軟土層的剪切變形以求簡化。

綜上,按本文剪切位移法計算得到的支護樁頂水平位移17.8～21.5mm,豎向沉降為25.0～30.0mm。另外,按式(7)計算可直接得到本工程旋噴錨索抗拉剛度為7.3MN/m。

實測的支護樁頂水平位移最大值23.5mm,平均值17.5mm(即可換算為錨索斜向上的剪切位移為20.2mm);支護樁頂豎向沉降最大值29.1mm,平均值17.8mm;錨索軸力127～179kN,平均值155kN;將錨索軸力平均值除以斜向平均剪切位移,可得到旋噴錨索平均抗拉剛度為7.6MN/m。

綜上可見,該基坑上述指標的總體監(jiān)測值及平均值均與按本文剪切位移法計算值接近,總體吻合。

本工程采用剪切位移法、彈性支點法(m法)、有限元法的計算結果對比詳見文獻[10]。

3 案例計算驗證

3.1 案例1安徽省蕪湖市某基坑

安徽省蕪湖市中電環(huán)保垃圾庫基坑[3-4]為深厚淤泥質黏土基坑?；颖眰乳_挖深度8m,采用樁錨支護,樁頂設置一道旋噴錨索,錨索全長位于淤泥質黏土中,淤泥質黏土層厚9～12.0m,平均含水量39.3%,重度18.1kN/m3。直剪快剪指標:黏聚力cq為9.7kPa,內摩擦角φq為6.5°;固結快剪指標:黏聚力ccq為11.1kPa,內摩擦角φcq為15.0°。標貫擊數N=2～6擊,平均4擊。錨索傾角25°,水平間距3m,自由段長6m,錨固段長13.5m,錨固段直徑500mm。支護樁φ800@1200。兩個測點的實測錨索拉力分別為206、270kN;實測支護樁頂水平位移為8.45mm。

根據本文第1.3節(jié),取淤泥質土的錨土界面摩阻力τ為10kPa,按式(1)計算得到旋噴錨索的穩(wěn)定承載力,即拉力為212kN。因有實測標貫擊數,取壓縮模量Es=1.0N,得Es均值為4.0MPa。按式(6)計算得到斜向剪切位移為9.7mm,按錨索傾角25°分解,求得支護樁頂水平位移為8.8mm,與實測數據8.45mm基本吻合。

同理,如按實測錨索拉力平均值238kN反算,得到τ=11.2kPa,則求得支護樁水平位移為9.9mm。如按實測錨索拉力最小值206kN反算,得到τ=9.7kPa,則求得支護樁水平位移為8.5mm,與實測數據8.45mm吻合良好。詳細計算過程見表3。

表3 案例1旋噴錨索斜向剪切位移計算

3.2 案例2江蘇省張家港市某基坑

江蘇省張家港市某基坑[5]場地位于太湖沖積平原,基坑開挖深度8.98m,采用SMW工法樁加三道旋噴水泥土錨索支護。第一道錨索位于樁頂,全長位于淤泥質黏土中。淤泥質黏土層厚4.6m,重度18.3kN/m3,固結快剪指標黏聚力ccq為14.22kPa,內摩擦角φcq為11.6°。錨索傾角25°,水平間距1.8m,自由段長0m,錨固段長15.0m,錨固段直徑500mm。四個測點實測的支護樁頂水平位移大部為28～32mm,最大為34.8mm。

根據本文第1.3節(jié),取淤泥質土的錨土界面摩阻力τ為10kPa,壓縮模量Es為3.0MPa,按式(1)計算得到旋噴錨索的穩(wěn)定承載力,即拉力為235kN。按式(6)計算得到斜向剪切位移為36mm。按錨索傾角25°分解,求得支護樁頂水平位移32.6mm,與實測數據基本吻合。詳細計算過程見表4。

表4 案例2旋噴錨索斜向剪切位移計算

3.3 案例3福建省漳州市某基坑

福建省漳州市某深厚淤泥基坑[6]采用SMW工法樁加錨索支護?；娱_挖深度6.8m,樁頂設置一道旋噴錨索,錨索全長位于淤泥中。淤泥平均層厚17.9m,平均含水量61.1%,重度16.1kN/m3。淤泥直剪快剪指標聚力cq為10.0kPa,內摩擦角φq為2.9°。錨索傾角35°/45°相互錯開,水平間距1.35m,自由段長9.5m,錨固段長17.0m,錨固段直徑400mm。實測支護樁頂水平位移24.3mm。

根據本文第1.3節(jié),取淤泥的錨土界面摩阻力τ為5kPa,壓縮模量Es為1.5MPa,按式(1)計算得到旋噴錨索的穩(wěn)定承載力,即拉力為107kN。按式(6)計算得到斜向剪切位移為32.8mm。對應35°、45°不同傾角,按錨索傾角分解,求得支護樁頂水平位移分別為26.8mm和23.2mm,平均值25.0mm,其與實測數據基本吻合。詳細計算過程見表5。

表5 案例3旋噴錨索斜向剪切位移計算

3.4 案例4珠江三角洲某基坑

珠江三角洲濱海某深厚淤泥基坑[7]采用SMW工法樁加錨索支護。基坑開挖深度5.8m,樁頂設置一道旋噴錨索,錨索全長位于淤泥中。淤泥層厚12.0～16.0m,平均含水量62.2%,重度15.4kN/m3。淤泥直剪快剪指標黏聚力cq為3.7kPa,內摩擦角φq為2.4°。錨索傾角35°,水平間距1.5m,自由段長8.0m,錨固段長22.0m,錨固段直徑500mm。實測支護樁頂水平位移45.0mm。

根據本文第1.3節(jié),取淤泥的錨土界面摩阻力τ為5kPa,壓縮模量Es為1.5MPa,按式(1)計算得到旋噴錨索的穩(wěn)定承載力,即拉力為173kN。按式(6)計算得到斜向剪切位移為51.9mm。按錨索傾角35°分解,求得支護樁頂水平位移為42.5mm,與實測數據基本吻合。詳細計算過程見表6。

表6 案例4旋噴錨索斜向剪切位移計算

4 結語

(1)本文提出采用剪切位移法計算軟土基坑樁錨支護中軟土錨固的旋噴錨索的軸力與變形。采用此方法對若干有實測數據的軟土樁錨支護基坑工程進行計算,計算值與實測值基本吻合。表明該法可較好地揭示全長位于軟土的旋噴錨索的受力變形機理。該法對單支點樁錨支護軟土基坑的旋噴錨索設計計算具有較好的適用性,有助于提高設計精度。

(2)目前尚未見在深厚軟土基坑工程中,采用全長均位于軟土的多道旋噴錨索案例,故無法對此類情況進行復核驗證。究其因,主要在于此類錨索的穩(wěn)定承載力有限。一般情況下并不適合用于變形控制嚴格的工程,只可用于一些深度較淺、變形控制不嚴格的工程。故應注意軟土中旋噴錨索的適用性并做謹慎選擇。對軟土中多道旋噴錨索的計算,特別是應力重疊如何準確考慮,以及軟土錨固有效性與變形量、持荷時間的相互關系,均可作為后續(xù)研究的課題,開展進一步的研究。

(3)深厚軟土基坑工程中,有全長穿透軟土進入硬土層錨固的單道或多道錨索的樁錨支護案例。本文的計算方法,并不直接適用于此類錨索,此類錨索的設計計算詳見文獻[16]。對此類錨索,因設計承載力往往取值偏高,且有較大的初始張拉力,已超出軟土段錨索的穩(wěn)定承載力,在軟土段已產生界面滑移。此時軟土段已不能阻止錨索自由變形,錨索的硬土錨固段將發(fā)揮承載作用。如初始張拉力不超出軟土段錨索的穩(wěn)定承載力,則本文方法仍適用。