復合支護體系中土釘的受力特點

金紅偉，郭院成，史科

(鄭州大學土木工程學院，河南鄭州450002)

復合支護體系中土釘的受力特點

金紅偉，郭院成，史科

(鄭州大學土木工程學院，河南鄭州450002)

結合鄭州一基坑工程項目，利用分布式光纖應變傳感技術監測基坑開挖過程中及開挖后排樁預應力錨桿復合土釘支護體系中土釘的軸力。在試驗基礎上，利用ABAQUS有限元分析軟件建立排樁預應力錨桿復合土釘支護體系的三維基坑開挖模型，研究土釘在復合支護體系中的作用。結果表明，這種復合支護體系中土釘和預應力錨桿能很好地協同工作，充分發揮二者錨固和支護的作用。排樁能有效降低土釘的軸力，顯著改善預應力錨桿復合土釘支護結構的整體受力狀態。

排樁 預應力錨桿 土釘 復合支護體系 數值模擬

隨城市化進程加快，高層、超高層建筑大量涌現，建筑基礎開挖深度和面積越來越大，對基坑的開挖和支護提出更高的要求。由不同支護體系組合而成的各種聯合支護體系，在實際工程中也得到越來越多的應用。研究者們根據不同的地質條件、聯合支護形式和支護體系特點，分別采用現場試驗、模型試驗、理論分析和數值模擬等手段，對聯合支護體系進行了深入細致的研究。

排樁預應力錨桿復合土釘支護體系經工程實踐檢驗是一種合理的支護結構。但該支護體系的工作機理較為復雜且現場測試資料不足，尤其是被動受力的土釘和主動受力的錨桿共同工作時，兩者的協同工作機制尚缺乏足夠的試驗和理論研究，沒有形成完備的理論體系。

本文結合鄭州一基坑工程，對排樁預應力錨桿復合土釘支護體系進行了足尺寸的現場原位試驗。依據實測結果，深入分析了排樁預應力錨桿復合土釘支護體系在實際工程中的受力和變形，探討土釘在復合支護體系中的受力特點，并在現場原位試驗的基礎上，對排樁預應力錨桿復合土釘支護體系進行數值模擬分析，為該復合支護體系的設計、施工與監測提供理論依據。

表1 土體基本參數

1 試驗概況

1.1 工程概況

擬建工程位于河南省鄭州市，基坑開挖深度10.25 m，以1∶0.15的坡度開挖，開挖面積6 000 m2，土體特征參數見表1。基坑采用排樁預應力錨桿復合土釘支護結構。排樁樁長16 m，樁徑600 mm，間距1.5 m，樁頂通過冠梁連接。土釘采用直徑22 mm的螺紋鋼筋，鉆孔直徑120 mm;土釘傾角5°，水平間距均為1.5 m。豎直方向土釘分為4層，其中第1排土釘長11 m，距基坑上邊緣2 m，第2～3排土釘長12 m，距上層土釘3 m，第4排土釘長10 m，距上層土釘1.5 m。錨桿自由端長5 m，錨固端長20 m，采用公稱直徑為15.2 mm的七絲絞合鋼絞線，預應力100 kN，鉆孔直徑150 mm，錨桿傾角10°，水平間距均為1.5 m。豎直方向錨桿分為2層，分別布于第1～2排和第2～3排土釘之間，距土釘的間距1.5 m。面層厚100 mm，由鋼筋網和噴射混凝土構成，鋼筋直徑8 mm、間距200 mm，混凝土強度等級為C20。基坑支護剖面見圖1。

圖1 基坑支護剖面(單位:mm)

1.2 試驗設置

選擇基坑一側靠近中部的截面作為試驗點。利用分布式光纖應變傳感技術(DSTS)監測基坑開挖過程中及開挖后土釘的應力應變。將光纖呈U形拉緊用電氣膠帶綁扎至鋼筋上，鋪設過程中盡量使光纖保持挺直，并用鐵絲每隔2 m對光纖進行加固。

基坑開挖共分為6層，每層開挖面位于土釘或錨桿下0.5 m。基坑開挖至第2層，錨桿1張拉6 d后的測試值用工況1表示;開挖至第4層，錨桿2尚未張拉時的測試值用工況2表示;開挖至第5層、第6層及第6層開挖后一個月的測試值分別用工況3、工況4和工況5表示。

2 試驗結果與分析

2.1 同一工況下不同土釘的軸力

工況5下不同土釘的實測軸力如圖2所示。由圖2可以看出，土釘1沿長度方向軸力不斷增大，在距面層2.8 m以內為負值，即土釘受壓，這是由于第1排錨桿主動作用使其附近靠近面層的土體受壓。土釘2沿長度方向軸力變化較大，主要是因為土釘2除受錨桿1的影響以外，還受到錨桿2的約束作用。土釘3的受拉段主要位于土釘靠近面層的范圍內，其最大正軸力變化點位于距面層4.9 m處，距面層6.4 m至土釘末端范圍內土釘軸力為負值，主要是由于該段位于錨桿的錨固作用范圍內。土釘4軸力沿長度方向變化較小，最大正軸力為9.1 kN，位于土釘外端部，這是由于土釘4距基坑底較近，受力較小。因此，工程中最后一排土釘長度一般設計得較短。

2.2 不同工況下同一土釘的軸力

不同工況下土釘1的實測軸力如圖3所示。由圖3可以看出，工況1下土釘的軸力先減小后增大，在0～2.18 m范圍內為負值，其后為正值。這是由于錨桿1張拉后對主動區的土體產生擠壓力，使其有向穩定區偏移的趨勢，進而使土釘1處于主動區的部分產生向里的摩擦力，因此土釘1受到的應力較錨桿張拉前有所減小。主動區土體的土壓力要靠穩定區土體來承擔，隨著土壓力不斷增大，當土體進入塑性狀態后，應力逐漸向強度更高的土釘轉移，使土釘1在穩定區的軸力增大。工況2～5下土釘的軸力變化均與工況1下呈現出相同的特點，僅在軸力大小上略有變化，也主要是由于降雨、地表水蒸發等原因造成的。這說明排樁預應力錨桿復合土釘支護結構能很好地維持邊坡穩定性，隨開挖深度增大，各層土釘和錨桿能很好地分擔支護結構的荷載，最上層土釘的軸力無顯著變化。

圖2 工況5下不同土釘的實測軸力

圖3 不同工況下土釘1的實測軸力

3 數值分析

3.1 模型與參數選取

利用ABAQUS有限元分析軟件建立排樁復合土釘支護結構的三維基坑開挖模型，模型長60 m、高40 m、厚1.50 m，開挖深度10.25 m，分6步開挖，第一步開挖2.50 m，第2至第5步均開挖1.50 m，第6步開挖1.75 m，土釘和錨桿布置與試驗相同。模型的邊界條件為:上表面自由，底部為固定鉸支座，4個側面為滑動支座。

土體選用8節點的修正劍橋模型，土體的重度為18 kN/m3，泊松比為0.35，等向固結壓縮曲線在e-lnP平面上的斜率λ為0.15，多孔介質彈性對數體積模量，即e-lnP平面上回彈曲線斜率κ為0.01，臨界狀態線在p-t平面上的斜率M為1.20，初始孔隙比e0為1.20，e-lnP上lnP=0對應的孔隙比e1為3.00。排樁、錨桿、土釘均選用彈性本構模型，彈性模量分別取為210，210，205 GPa，重度均取25 kN/m3，泊松比均為0.2。

3.2 土釘軸力

為研究排樁在復合支護結構中的作用，對比分析了排樁預應力錨桿復合土釘支護結構和預應力錨桿復合土釘支護結構兩種數值模型。基坑開挖完成后兩種支護結構中土釘1～4的軸力計算值見圖4。

圖4 土釘計算軸力

由圖4可見，兩種支護形式中各土釘的軸力分布規律相似，均呈現出兩頭小中間大的特點，且每排土釘軸力最大值自上而下逐漸向基坑側壁方向偏移。對比圖4(a)和圖4(b)可知，排樁預應力錨桿復合土釘支護結構中各土釘軸力最大值較預應力錨桿復合土釘支護結構小很多，且相對于軸力最大值，土釘釘頭處的軸力值較大。主要原因是排樁分擔了較大部分的土壓力，有效減小了支護結構的側移值，使土釘最大軸力值大大減小。同時，土釘和排樁復合形成統一的整體結構，隨排樁向基坑內變形，土釘也處于拉拔狀態，因此土釘釘頭處呈現出相對較大的軸力。

4 結論

1)在排樁預應力錨桿復合土釘支護體系中，被動受力的土釘和主動受力的預應力錨桿能夠很好地協同工作，顯著降低土釘的軸力。

2)隨基坑開挖，新加入的土釘或錨桿能很好地分擔支護結構的荷載，上層土釘的軸力無顯著變化。

3)預應力錨桿的張拉會使相鄰土釘潛在滑裂面以內的部分受到的軸力減小，土釘距錨桿越遠，其軸力受錨桿張拉的影響越小。

4)排樁可以顯著降低土釘的軸力，改善預應力錨桿復合土釘支護結構的整體受力狀態，從而有效控制基坑的變形和穩定性。

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Axial force in soil nails of composite supporting system

JIN Hongwei，GUO Yuancheng，SHI Ke
(School of Civil Engineering，Zhengzhou University，Zhengzhou Henan，450002，China)

T he axial force in soil nails of composite supporting system of soldier pile with prestressed anchors and soil nails during and after pit excavation is monitored by distributed optical fiber sensing technology in a foundation pit engineering project in Zhengzhou.Based on the test，the function of soil nails in this system is studied by using a three-dimensional excavation model which is established by ABAQUS.T he results show that soil nail and prestressed anchor can work cooperatively and give full play to the role of anchoring and supporting in the composite supporting system.T he soldier pile can effectively reduce the axial force as well as notably improve the entire stress.

Soldier pile;Prestressed anchor;Soil nail;Composite supporting system;Numerical simulation

TU94+2

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.12.25

1003-1995(2015)12-0093-04

(責任審編趙其文)

2015-05-22;

2015-08-27

國家自然科學基金項目(50978235)

金紅偉(1967—)，男，高級工程師，工學博士。