深基坑樁錨支護體系的受力變形研究及優(yōu)化途徑探討

摘要：隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，社會的進步，各項基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也不斷完善。隨著人類社會逐漸走向現(xiàn)代化，建筑工程領(lǐng)域的施工技術(shù)也不斷更新?lián)Q代，各種施工技術(shù)也不斷在推陳出新中獲得發(fā)展。在巖土工程中，隨著現(xiàn)代基坑工程的發(fā)展，樁錨支護體系這種新型支護結(jié)構(gòu)不斷發(fā)展，以其獨特的優(yōu)勢逐漸得到了廣泛應(yīng)用。但是現(xiàn)階段的基坑樁錨支護體系的研究還不夠深入，與施工技術(shù)的改進存在脫節(jié)現(xiàn)象。為了不斷提高深坑樁錨支護體系的施工質(zhì)量，促進巖土工程的可持續(xù)發(fā)展，本文對深基坑樁錨支護體系的受力變形情況和優(yōu)化途徑進行了分析。

關(guān)鍵詞：深基坑；樁錨支護體系；受力變形；優(yōu)化途徑

基坑工程由來已久，但是卻在近幾年獲得了迅猛發(fā)展。現(xiàn)階段，在基坑工程的施工中，基坑深度不斷加深，基坑面積不斷擴大，對于基坑工程的穩(wěn)定性要求也提出了更高的要求。樁錨支護體系基坑工程施工中重要的施工環(huán)節(jié)，是現(xiàn)代新興起的新型支護結(jié)構(gòu)，基坑工程的結(jié)構(gòu)受力不斷合理化，施工安全性不斷提高。現(xiàn)階段，在施工場地狹窄、環(huán)境復(fù)雜的大型深基坑工程中，充分利用了預(yù)應(yīng)力錨桿和支護樁的樁錨支護體系在工程建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。但是，在施工過程中，巖土強度、變形情況等都是不可避免的問題，為了保證施工安全，必須對樁錨支護結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。

一、深基坑樁錨支護體系的特點及工作原理

1、樁錨支護體系的特點

所謂的樁錨支護，就是利用護坡排樁與單錨或多錨進行配合而形成的基坑支護結(jié)構(gòu)，由于其具有廣泛的適用性，所以在巖土工程施工中有著廣泛應(yīng)用。樁錨支護是一種穩(wěn)定性好、安全性高的超靜定結(jié)構(gòu)，隨著基坑工程的發(fā)展，樁錨支護結(jié)構(gòu)也不斷獲得發(fā)展。在該體系中，為了保持整個結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，對錨桿錨固段、土層摩擦力、支護樁嵌入土層的支撐力進行了充分利用。隨著樁錨支護體系的發(fā)展，在大多數(shù)深基坑及超深基坑工程中都有著廣泛的適用性，大大提高了基坑工程的施工質(zhì)量，尤其是在地質(zhì)條件差、周圍生態(tài)環(huán)境脆弱的地區(qū)，樁錨支護結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢更加顯著。

2、樁錨支護體系的工作原理

樁錨支護體系之所以能夠在環(huán)境復(fù)雜的深基坑工程中得到廣泛應(yīng)用，其根本的原因在于它充分利用了錨桿與土層之間的摩擦力以及嵌入土層的支撐力來維護自身的穩(wěn)定性。其工作原理也很簡單，主要就是在樁錨支護體系中，當(dāng)錨桿自由端受力時，會通過錨桿把力傳遞給錨固段，由于錨固段與土層是錨固在一起的，所以可以充分利用他們之間的摩擦力將外界所傳導(dǎo)過來的力傳遞到土層中，從而實現(xiàn)應(yīng)力的釋放[1]。樁錨支護體系的受力機理可以形象地用圖表現(xiàn)出來，如下圖1所示。其中t表示周圍土體對錨固段的平均摩阻力，u表示水泥砂漿對內(nèi)裹鋼筋的平均捏裹力。

圖1 樁錨支護體系的受力機理示意圖

二、基坑支護結(jié)構(gòu)的變形特征及機理

1、基坑支護結(jié)構(gòu)的變形特征

首先，基坑支護結(jié)構(gòu)周邊地表沉降的問題，是開挖過程中常見的變形特征。這種變形往往是由地下水疏干或支護結(jié)構(gòu)水平變形引起的。一方面，地下水降低，會引起地面的差異性沉降，從而引起支護結(jié)構(gòu)發(fā)生傾斜從而導(dǎo)致建筑物的沉降以及墻體開裂等問題。另一方面，支護結(jié)構(gòu)水平變形所引起的沉降會更加嚴重，其沉降范圍也主要集中于基坑的周邊。其次，支護結(jié)構(gòu)變形也是常見的問題。隨著施工工藝的不斷進步，基坑施工質(zhì)量也不斷提高，但是基坑事故仍然不可避免。這主要就是因為支護結(jié)構(gòu)變形而導(dǎo)致基坑穩(wěn)定性不足。基坑穩(wěn)定性的破壞主要表現(xiàn)為水平變形和垂直變形兩個方面。尤其是在深基坑工程中，由于開挖深度的不斷增加，土體應(yīng)力不斷加大，支護結(jié)構(gòu)埋深也不斷增加，對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有著重要影響。支護結(jié)構(gòu)的水平變形主要與開挖面積、深度、土體性質(zhì)以及支護結(jié)構(gòu)剛度和埋深有關(guān)。第三，基坑隆起變形也是深基坑功能工程中的常見問題。其產(chǎn)生的原理主要是大量土體開挖導(dǎo)致基坑垂直方向應(yīng)力釋放，基坑底部土體原始應(yīng)力平衡狀態(tài)被破壞。隨著基坑深度的不斷增加，各種應(yīng)力作用就會給支護結(jié)構(gòu)施加一個向內(nèi)的應(yīng)力，從而引起基坑坑底的向上隆起。

2、基坑的變形機理

在基坑工程中，基坑的開挖過程也就是土體應(yīng)力的釋放過程。隨著基坑開挖深度的不斷增加，支護結(jié)構(gòu)變形、基坑底部隆起變形以及周邊土體變形都是主要的基坑變形形式。在土體的卸荷過程中，坑底土體的會向上隆起，支護結(jié)構(gòu)也會在兩側(cè)壓力的作用下發(fā)生水平位移[2]。在這三種主要變形形式中，底部土體隆起和支護結(jié)構(gòu)位移對基坑變形有著重要影響。首先，隨著基坑工程施工深度的不斷增加，基坑土體的原始應(yīng)力平衡狀態(tài)被破壞，隨著開挖深度的不斷增加，基坑內(nèi)外的土面高度差也會不斷增加，在各種加載和超載作用下，維護結(jié)構(gòu)土體容易產(chǎn)生向內(nèi)的位移，從而導(dǎo)致坑底的塑性隆起，并引起基坑周圍的地面沉降。其次，支護結(jié)構(gòu)位移也是導(dǎo)致深基坑受力變形的主要原因。由于原始應(yīng)力狀態(tài)受到破壞，土體卸荷，支護結(jié)構(gòu)外側(cè)容易受到主動土壓力，而內(nèi)側(cè)正好與之相反，受到的是被動土壓力，在被動土壓力和主動土壓力的共同作用下，支護結(jié)構(gòu)土體就會發(fā)生一定量的位移。深基坑周圍地層變形量的大小、變形范圍、塑性區(qū)幅度會受到支護結(jié)構(gòu)變形量的影響。即使是在水文、地質(zhì)條件和結(jié)構(gòu)埋深都相同的情況下，深基坑地層變形量也有很大區(qū)別。

三、深基坑樁錨支護體系變形的優(yōu)化途徑分析

1、增加支護樁嵌固深度

為了有效防止深基坑錨固支護體系的變形，首先應(yīng)該在設(shè)計中增加支護樁嵌固深度。由于支護樁嵌固深度不夠，整個樁錨支護體系就容易在施工中發(fā)生位移，從而引起深基坑的變形。通過增加支護樁嵌固深度，能夠?qū)⒖拥椎耐馏w壓力小于被動土體壓力，從而有效提高樁下的穩(wěn)定程度。另外，隨著支護樁嵌固深度的不斷增加，樁底端不僅不會發(fā)生位移，而且其位移也會受到限制，從而在此處形成反彎矩，有效防止深基坑變形，發(fā)揮樁支護結(jié)構(gòu)的最大作用。

2、合理控制支護樁樁徑和樁間距

對于支護樁樁徑的選擇，為了保證深基坑工程的施工效果，應(yīng)該保證其樁徑取值不能太小，從而為后續(xù)的配筋施工奠定基礎(chǔ)。在通常情況下，支護樁的樁徑應(yīng)該不小于400mm，如果基坑埋深在12m以內(nèi)，則應(yīng)該將樁徑控制在400-800mm的范圍內(nèi)。如果基坑埋深大于12m，則應(yīng)該將樁徑控制在800-1200mm的范圍內(nèi)[3]。在施工中，對支護樁樁間距也應(yīng)該進行合理控制，既要保持樁間距維持在樁間土可能剝落區(qū)的范圍內(nèi)，又要保證樁間土的拱效應(yīng)能夠得到有效發(fā)揮。

3、合理進行錨桿參數(shù)設(shè)計

錨桿的極限承載力受到錨桿傾角和土層性質(zhì)的影響。如果錨桿長度是一個定值，增加錨桿傾角，能夠使錨桿的極限承載力不斷增加。這樣就不必再通過增加錨固段直徑來增加錨桿的極限承載力，從而使得工程造價得到了有效控制。在深基坑工程的施工實踐中，通過增加錨桿錨固段長度來增加錨桿的性能也是十分普遍的工程措施。

結(jié)語

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，科技的進步，各項工程項目的建設(shè)也不斷引進先進施工技術(shù)和工藝來不斷提高工程施工質(zhì)量。在巖土工程中，基坑工程獲得了前所未有的發(fā)展。在深基坑樁錨支護體系的應(yīng)用實踐中，基坑受力變形是常見的工程難題，為了改變施工現(xiàn)狀，應(yīng)該不斷完善施工工藝，通過增加支護樁嵌固深度、優(yōu)化支護樁樁徑和樁間距、優(yōu)化錨桿設(shè)計，可以有效防止基坑受力變形。

參考文獻：

[1] 朱桂春，劉興鑫，韓武娟等.深基坑樁錨支護體系的受力變形研究及優(yōu)化設(shè)計[J].安全與環(huán)境工程，2012，19（1）：124-128..

[2] 黃鑫.深基坑樁錨支護體系的優(yōu)化方案[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報，2008，5（6）：57-61.

[3] 張迪.深基坑樁錨支護體系受力特性及變形研究[D].中國地質(zhì)大學(xué)（武漢），2010.