深基坑開挖中樁錨支護研究

黃 睿

(廈門興海灣監理咨詢有限公司)

1 排樁—錨索支護結構的構成

拉錨式圍護結構由擋土結構與外拉系統組成。其擋土結構與懸臂式圍護結構相同,主要為地下連續墻和鋼筋混凝土排樁,這些在拉錨式圍護結構中統稱作圍護樁。拉錨式圍護結構之所以具有上述優點主要是因為圍護樁與外拉系統共同作用,并同時充分調動了地層的自穩能力,使得地層既是圍護結構荷載來源,也成為了圍護結構的組成部分,滿足了“新奧法”施工設計的要求。由于外拉系統的存在,圍護樁所承受的大部分荷載通過錨拉系統傳遞到處于穩定區域中的錨固體上,再由錨固體將傳來的荷載分散到周圍穩定的巖土層中,從而充分發揮地層的自承能力。一般大型較深的基坑,鄰近有建(構)筑物而不允許有較大變形的基坑,以及不允許設內撐的基坑,均可考慮選用拉錨式圍護結構。拉錨式圍護結構的適用范圍為:

(1)地層密實的砂土、粉土、硬塑至堅硬的粘性土,如果基坑臨近具有更好的土層或巖層,可以更好的承受外拉系統傳遞來的外載。

(2)如果基坑臨近范圍內存在不允許損壞的設施或場地時應慎用。排樁一錨桿支護結構體系主要由排樁圍護體系、錨桿錨固體系和擋水體系三部分組成。

1.1 排樁圍護體系

沿深基坑邊緣,通過機械鉆孔、人工挖孔等施工方法灌注混凝土樁或通過錘打、擠壓等施工方法擠入混凝上或鋼制預制樁,一般呈單層排列。

1.2 錨固體系

錨固體系的組成己在前面章節中詳細介紹過,這里需要強調的是腰梁必須有足夠的高度以便將排樁所承受的土壓力有效地傳遞到桿體并傳到土層深處。在實際工程中為了施工方便和節約造價,通常采用雙槽鋼作為腰梁。

1.3 擋水體系

對于地下水位較高的深基坑,由于排樁之間存在間隙,因此單獨使用排樁無法滿足深基坑對降水的要求。通常采取深層攪拌水泥樁墻,高壓旋噴、擺噴樁墻,深井降水等措施達到防滲、擋水的效果。

2 排樁—錨索支護的工作機理

在深基坑周圍土壓力、地下水壓力及深基坑周圍建筑物等附加荷載作用下,排樁體有向深基坑內側傾倒的趨勢并產生相對側向位移,深基坑底面排樁嵌固深度范圍內的土體由于受到樁體側向位移的影響而產生被動土壓力來抵抗樁體承受的部分主動土壓力,另外作用在深基坑上部樁體上的錨桿由于預應力作用(對于無預應力錨桿由于樁體的側向位移作用會產生抗力)也會為阻止樁體位移而抵抗部分主動土壓力。因此支護樁體所受的主動土壓力由被動土壓力和錨桿錨固力共同承擔。當主動土壓力小于等于被動土壓力和錨桿極限錨固力時,圍護樁體無側向位移,即支護體系有效;當主動土壓力大于被動土壓力和錨桿極限錨固力時圍護樁體產生側向位移,當位移超出允許位移時支護體系失效。另外,要保證樁體本身具有足夠的強度,以免在最大剪力處出現剪切破壞,在最大彎矩處撓度過大。錨桿在正常工作狀態下,由于涉及拉桿、注漿體、土體等各部分的相互作用,受力情況復雜,所涉及的各部分材料性能差異很大,所以對錨桿體系的工作機理一時還難以分析清楚。一般認為錨桿的錨固力通過非錨固段傳到錨固段,當錨固段錨桿受力后,首先通過錨桿(通常為粗鋼筋或鋼絞線)與周邊水泥砂漿之間的粘結力傳到錨固體中,然后通過錨固體與周圍土體的摩擦力傳到土體深處。實踐己表明:單根錨桿的承載力除錨桿必須具有足夠的截面積以承受極限拉力外,主要受兩個因素控制:一個是錨固段的膠結材料同孔壁的粘結力,另一個是膠結材料同鋼絲或鋼絞線的握裹力。由于鋼材同水泥漿之間的握裹力比水泥漿同孔壁的粘結強度大近一倍,所以鋼材同水泥漿的握裹力在錨桿設計中可不考慮。實際上,錨固體同土層的摩阻力并不是均勻分布的,許

多研究和試驗成果表明,錨固段沿孔壁的剪應力呈倒三角形分布,其分布是不均勻的,它是沿錨固段長度迅速遞減,并不是錨固段越長,其錨固力越大,當錨固段長到一定程度,錨固力提高并不顯著,因此確定錨固段長度便是基坑開挖支護的首要技術問題。

3 以工程為背景進行有限元模型分析

3.1 工程地質水文條件

(1)地層條件(見表 1)

表 1 地層地質概況

(2)地下水

在第三層局部見上層滯水;第五層圓礫層為弱承壓性地下水,穩定水位 63.45～65.85m,滲透系數 1.5～2.5m/d。

3.2 深基坑幾何尺寸

本基坑為重慶地鐵一號線石油路明挖車站基坑,寬為50m,長為 125m,深 20m。

3.3 有限元模型的建立及分析

本次采用 ANSYS有限元對錨樁支護結構進行模擬分析,采用BEAM 3梁單元模擬鋼管灌注樁,采用 LINK1桿單元模擬錨索,采用 PLANE42實體單元模擬巖土,對錨索和鋼管灌注樁的參數進行迭代計算,最終以表二參數為優化設計方案。

表 2 深基坑支護參數

從圖 1可知,鋼管灌注樁最大彎矩出現在基坑底部,最大值為 12 kNm,錨索受力情況分析如表 3所示:

表3 錨索軸力分析

4 監控量測及分析

由于地下工程的不可預知性,目前尚不能找到一種模型全面而準確地表達各種情況下圍巖狀態及其與支護系統的相互關系,有必要在施工開挖過程中及時對圍巖應力應變變形進行監測,及時調整、確定支護參數。

錨索應力和鋼管灌注樁均監測采用振弦式鋼筋應變計,利用鋼弦張緊力與諧振頻率成單值函數關系設計而成的,采用與之配套的應力頻率計聯合使用。觀測頻率:從開始埋設檢測儀器 1～7d內,每天 1～2次;第 7～14d內,每 2d 1次;15 d以后,每周 1～2次;一月后,每月 1～2次。當發現異常位移變化時,適當增加監測頻率。根據監測換算后的數據,基坑周邊圍巖穩定后得到第一層錨索最大軸力為 337 kN,第二層錨索最大軸力為 459 kN,第三層錨索最大軸力為 576 kN;灌注樁底層最大換算彎矩為 11.912 kNm。由監測數據可知,每層錨索軸力與有限元模擬計算結果基本相符,鋼管灌注樁彎矩值也基本與有限元模擬計算相符,由此可證明本基坑支護參數合理,進一步說明根據樁錨工作原理進行支護參數設計的可靠性,也充分證實了樁錨結構與圍巖的力學行為的準確性。

5 小 結

根據工程實例,通過對錨索和鋼管灌注樁的設計計算分析、在實際工程中的應用,以及在基礎施工過程中對支護結構的現場檢測,證明排樁一錨桿支護體系對于深基坑支護是有效的。樁—錨支護體系是對松軟土層深基坑施工的一次改良及嘗試。該方法不僅保證了該項目安全快速的施工,縮短了工期而且節約了費用,取得了較為明顯的社會效益和經濟效益。目前該工程項目已經竣工,它安全快速的運營足以證實設計的合理性。

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