對拉錨索支護結構室內模型試驗研究

吳曙光，彭 朋，韓培宇，鄭華敬

(1. 山地城鎮建設與新技術教育部重點實驗室(重慶大學)，重慶 400045；2. 重慶大學 土木工程學院, 重慶 400045; 3.長江勘測規劃設計研究院有限責任公司，湖北 武漢 430010)

對拉錨索支護結構室內模型試驗研究

吳曙光1,2，彭 朋2,3，韓培宇1,2，鄭華敬1,2

(1. 山地城鎮建設與新技術教育部重點實驗室(重慶大學)，重慶 400045；2. 重慶大學 土木工程學院, 重慶 400045; 3.長江勘測規劃設計研究院有限責任公司，湖北 武漢 430010)

針對目前關于對拉錨索支護結構理論和試驗研究較少的情況，自行設計和完成了考慮施工過程的對拉錨索支護結構室內模型試驗。研究表明：對拉錨索支護結構支護樁內力及樁頂位移的最大值均出現在施工過程中，而非施工完成狀態；不同的開挖支護時機對樁身內力及土壓力的分布存在較大影響；總結出了對拉錨索支護結構樁身內力、土壓力以及擋板土壓力的分布。

巖土工程；對拉錨索；支護樁；樁身內力；土壓力；相鄰深基坑

0 引 言

在城市建設中，為充分利用地下空間，會涉及大量地下結構的施工。其中不可避免會遇到相鄰深基坑支護的問題，如何保證相鄰深基坑間邊坡的安全和穩定，是現代相鄰深基坑邊坡支護工程的關鍵技術要點。在一些實際工程中由于兩工程基坑相鄰距離過近，且中間坡體中有市政管道、電纜等,不能進行挖掘，采取常規的樁錨體系無法有效進行錨固。在這種情況下，運用對拉錨索樁錨體系的支護方式來保證基坑間邊坡的穩定和市政管道、電纜箱涵安全的方法便應運而生。

目前國內在對拉錨索支護結構研究方面，劉秋芳[1]通過對應用對拉錨索排樁支護結構的深基坑的監測結果的分析，表明了該支護結構的良好效果。陳海軍等[2]通過對幾個工程案例的分析，闡明了對拉結構的計算模式、計算要點及構造組成，明確了計算方法和設計思路。韓風雷等[3]根據重慶市某地鐵車站 45 m 深基坑對拉預應力錨索施工技術研究和監控數據，利用有限元軟件模擬分析對拉預應力錨索在基坑開挖過程中的受力狀態規律，為施工提供安全理論保證。張力等[4]通過對預應力水平對拉錨索的施工工藝的闡述及施工中遇到問題的解決,闡述了預應力對拉錨索與斜拉錨索在施工中的部分差異及施工經驗。金波等[5]通過介紹預應力水平對拉錨索在實際工程中應用的施工全過程，表明了水平對拉錨索施工的可行性。以上研究主要是關于對拉錨索支護結構的工程應用，其結構設計大多采用的經驗法，即參考少數現有的類似工程來進行設計。關于對拉錨索支護結構的計算理論研究也尚不成熟。以對拉支護結構的墻后土壓力為例，目前國內外多采用庫侖主動土壓力分析拉桿的內力。但實際情況中，對拉式擋土墻內的填土并不符合庫侖主動極限平衡狀態,而是處于彈性平衡狀態[6]。模型試驗作為一種重要的科研手段相對于原位試驗具有以下特點:所需場地小,對加載試驗設備的要求相對低,試驗操作性強；可根據設計者的意圖有目的的控制主要參變量不受其他因素的影響，針對性強，試驗的可重復性好[7]。因此模型試驗可以作為研究對拉錨索支護結構的一個重要手段。

筆者自行設計并完成了對拉錨索支護結構的室內模型試驗。通過該模型試驗，總結分析了對拉錨索支護結構支護樁樁身內力、樁頂位移隨施工過程的變化規律，以及樁身和擋板后土壓力的分布規律，為后續的對拉錨索支護結構的理論研究和設計計算提供參考和依據。

1 模型試驗

1.1 模型試驗箱設計

本次模型試驗在自行設計的模型箱內進行，模型箱的凈尺寸(長×寬×高)為：1 200 mm×1 000 mm×1 000 mm。箱體框架主要由4根角鋼作為立柱，相鄰立柱之間頂部和底部用角鋼進行焊接連接。為了保證箱體的剛度，4個側面水平向之間每隔約15 cm焊接一道角鋼。模型箱的兩個側板材料為一塊 20 mm 厚防潮木板，試驗前木板涂抹一層黃油。另外兩個開挖側的側板根據試驗需要切割成不同高度，以便分層開挖時取土。兩側樁前開挖高度為800 mm，分3階開挖。兩側樁之間共設3階對拉錨索。模型試驗的正立面、側立面見圖1。

圖1 試驗模型正立面、側立面Fig.1 Positive and side elevation of the test model

1.2 模型試驗材料

根據相似原理，模型試驗需滿足物理相似、幾何相似、應力相似和荷載相似。模型試驗的原型為重慶江北嘴某相鄰深基坑工程，本次室內模型試驗沒有嚴格地按相似率進行，而是主要考慮幾何相似性(相似比尺為 10)，即為一次機制性的模型試驗。

對拉錨索支護結構包括兩側支護樁、對拉錨索、樁間擋板等。模型試驗中所選用材料綜合眾多模型試驗[8-12]且結合本試驗的內容進行選擇。

本次室內模型試驗采用不銹鋼管作為模型樁，鋼管壁厚 0.9 mm，截面尺寸為 50 mm×25 mm。模型樁每排3根，共6根。每根模型樁長為1 100 mm，設計懸臂段長800 mm，嵌固長度為200 mm，其頂端超出填料上表面100 mm，以便作為樁頂安放百分表的平臺，樁上預先加工留孔安放錨索。按照材料力學測量撓度的試驗反算出模型樁抗彎剛度EI=8 566 N·m2。

試驗所用擋料采用兩塊長1.0 m,高0.8 m,厚0.8 mm的鍍鋅鐵皮。

模擬錨索的材料選用直徑為2 mm,長為1 000 mm的鋼絲繩。鋼絲繩一端穿過一側樁上預先留設的孔利用鎖具鎖定于不銹鋼管樁上，鎖具和不銹鋼管之間安裝一個壓力傳感器，用來控制作用在錨索上的預加拉力，本次錨索預加拉力值為80 N。鋼絲繩的另一端穿過填料土固定于預先加工好留孔的100 mm長的螺桿上，螺桿穿過另一側樁上預留的錨孔，用螺帽固定在這一側的鋼管樁上。試驗過程中通過擰緊螺帽來施加錨索上的預應力。

模型試驗選用嘉陵江河砂進行試驗，在填料的過程中層層填壓夯實。其中支護端的嵌固段用密實的碎石和砂混合材料嵌固。經土工試驗測試，測得河砂的物理力學參數指標為：密度ρ=1 850 kg/m3,含水量W=10.2%，黏聚力c=0 kPa，內摩擦角φ=28.7°。

1.3 測試內容及方法

兩側支護樁身懸臂段彎矩通過在800 mm的懸臂高度內對稱布置6對應變片，分別編號為1～6和1’～6’、7～12和7’～12’，應變片共計24片。應變片尺寸為 2 mm×3 mm，電阻為 120 Ω，其靈敏系數為 2.0。樁身應變片的布置如圖2。

圖2 樁身應變片布置Fig.2 Position of strain gauge of model piles

樁身和擋板后土壓力通過在樁后和擋板后布置LY-350電阻應變式微型土壓力計，其中兩側中間樁后各布置5個，兩側擋板后各布置9個，共計28個。土壓力計的布置如圖3。兩側中間樁樁頂位移通過在樁頂處安裝百分表測試，錨索預加拉力值通過壓力傳感器測試，其中土壓力計和百分表通過全橋連接方式、應變片通過半橋連接方式連接到UCAM-60A應變采集儀，通過儀器內部的實時測量系統自動測量并及時輸出結果。

圖3 兩側樁身和擋板土壓力計布置Fig.3 Position of soil pressure gauges at both sides of model piles and baffle

1.4 試驗過程

試驗開始之前，模型樁按設計要求安裝到指定位置，對拉錨索及測試儀器在填土時也安裝到相應位置，其中錨索處于未張拉的狀態，填土層層壓密夯實至設計高度。模型試驗開挖模型示意如圖4。

圖4 基坑開挖模型示意Fig.4 Model of foundation pit excavation

本次試驗開挖支護實施的過程如表1。

表1 基坑開挖支護的實施過程

表1中每完成一步后，及時采集每個測試儀器的數據。試驗中開挖支護完成情況見圖5。

圖5 試驗中開挖、支護完成情況Fig.5 Completion condition of excavating and supporting in model test

2 試驗結果分析

2.1 支護樁樁身彎矩分析

兩側支護樁身在開挖過程中的彎矩分布如圖6，其中樁身彎矩以填土一側受拉為正。通過圖6可見，在未張拉錨索前，樁身的彎矩隨著懸臂的高度增加而增大,坡腳處達到最大。在施加對拉錨索預應力后，兩側樁的最大彎矩有一定的減小，錨固點及樁身彎矩均有減少。繼續開挖，錨固點部位彎矩略有增加，而開挖部分坡腳部位彎矩值有較大幅度的增加。

圖6 基坑施工過程中D側樁和B側樁身彎矩變化曲線Fig.6 Bending moment curve acting on the D side pile and B side pile in the construction process of foundation pit

開挖支護施工過程中可以發現，在對拉錨索支護結構施工過程中，D側樁的樁身錨索張拉相對滯后，故在整個過程中其樁身彎矩值比B側樁大，最大彎矩比值約為1.5。同時在對拉錨索支護結構逆作法施工過程中，支護樁內力隨著基坑開挖深度的變化而不斷發生變化，并不是一個定值。支護樁內力最大值出現在基坑開挖到中下部時，在該施工過程中產生的最大內力比支擋結構施工完畢后的內力大20%～25%。因此，對拉支護結構設計時，應考慮到施工方案在某個施工過程中所產生的最大內力，否則有可能會在施工過程中發生安全問題。

兩側支護樁樁身彎矩在支護結構施工完成后分布規律如圖7。

圖7 施工完成時樁身彎矩曲線Fig.7 Bending moment curve of piles at the completion of foundation pit

樁身彎矩沿樁高分為正彎矩和負彎矩兩個區。在樁錨支護設計施工中樁身正負彎矩的絕對值差值越小對樁身的受力越有利。相比D樁，B樁開挖之后，錨索張拉及時，其樁身發生的變形相對較小，所以其樁身正負彎矩的最值都相對D樁小，D樁的彎矩最大值約為B樁的1.8倍。故對拉錨索支護結構施工時應適當控制兩側的開挖高度差。

2.2 支護樁樁頂位移分析

兩側中間支護樁樁頂位移在施工過程中的分布如圖8，位移以朝著開挖方向為正。

圖8 基坑施工過程中樁頂位移變化曲線Fig.8 Displacement change curves at the top of pile in the construction process of foundation pit

由圖8可見，在整個施工過程中，兩側樁的位移最大值為0.42，0.29 mm，位移值均較小。其中D側樁頂的最大位移發生在D側開挖兩階未張拉錨索的時候，B側樁的最大位移在其懸臂第1階開挖高度的時候。其后，第1階錨索的張拉一定程度上減少了兩側樁的樁頂位移。由于對拉錨索支護對兩側樁有著較強的約束作用，在后續的施工過程中，樁頂位移的增量也較少，較為平穩。D側錨索支護相對滯后開挖，因此其樁頂位移也相對較大。在對拉錨索支護的實際施工過程中，應盡量減少支護樁無錨索支護時的懸臂高度，及時張拉對拉錨索，同時應盡量縮小兩側的開挖高差。

2.3 支護樁樁背土壓力分析

根據在樁后布置的土壓力計測得的數據，樁后土壓力的分布如圖9。

圖9 樁身土壓力分布曲線Fig.9 Soil pressure distribution curve of the pile

對拉錨索支護結構支護樁后的土壓力，與Rnakine土壓力理論的三角形分布模式存在顯著差異，呈現出明顯的非線性分布特征。其土壓力值介于主動土壓力和靜止土壓力之間，其中土壓力較大的一側，樁后土壓力實測合力值是朗肯理論值的1.27倍,是靜止土壓力的0.72倍。樁身上部高度內隨著土層深度的增加，土壓力值增大，增幅較為明顯，但當到達一定的深度后土壓力值較為穩定，增幅也較小。同時，在錨頭的位置，土壓力也存在一定的集中現象。

同時B側樁的土壓力值比D側樁的土壓力值整體上偏大。主要原因是試驗方案中，D側作為先開挖一側，其樁身錨索支護的時機相對滯后，樁身處于弱約束的時間較大，而B側樁前土開挖之后錨索及時張拉，故樁土之間的位移也相對D側少，故其樁身的土壓力值也相對較大，其值也較為接近靜止土壓力值。對拉錨索支護中兩側樁由于錨索支護的相對時機不一致可造成其土壓力的分布不盡相同。

2.4 樁間擋板土壓力分析

根據整理樁間擋板后沿豎向布置的土壓力計測得的數據，擋板后沿豎向土壓力的分布如圖10。

圖10 擋板沿豎向土壓力分布曲線Fig.10 Soil pressure distribution curve of the baffle in vertical direction

由圖10可見，擋板后的土壓力分布與樁身土壓力分布大致規律一致，即上部高度隨著土層深度的增加，土壓力值增大，增幅較為明顯，但當到達一定的深度后土壓力值較為穩定，增幅也較小。不同的是，樁身在錨頭處存在一定的應力集中，其值相對較大；而在擋板中，為離錨頭較遠處的位置處存在一定的應力集中現象。

在擋板結構中部，樁土相對變形較大，土拱效應相對較強；上部及下部，樁土相對變形較小，往往成拱效應相對較弱，土拱作用范圍相對較小。測試結果進而表明，擋板后土壓力為非均勻分布，表現為，上部及下部小而樁板中間部位土壓力較大。填料內部豎向土拱的存在使土壓力在中間位置不再向下傳遞而直接向兩側傳遞到支護結構上，故中部位置較大。

根據整理擋板后沿水平向布置的土壓力計測得的數據，擋板后沿水平向土壓力的分布如圖11。

圖11 D側和B側擋板沿水平向土壓力分布曲線Fig.11 Soil pressure distribution curve of the D side and B side baffle in horizontal direction

由圖11可見，土壓力分布曲線呈拋物線型。擋板離樁1/6跨度處的土壓力對跨中處而言，約為跨中土壓力的50%～60%，這與通常計算中采用的均布荷載有較大差別。進一步分析可知，擋板中水平向的土拱效應在沿豎向兩錨頭之間的高度處較為明顯。同樣是由于其距離錨頭較遠，錨頭對其約束相對較弱，樁土之間的相對位移較大所致。同樣，D側由于支護相對滯后，樁土相對位移較B側大，故其擋板處水平向的土拱效應也較為明顯。

3 結 論

通過對對拉錨索支護結構的室內模型試驗結果的對比分析，得到以下主要結論：

1)對拉錨索支護樁身彎矩沿樁高分為正負彎矩兩個區，兩側開挖支護施工工序的差異會造成樁身彎矩極值相差較大。支護樁內力最大值出現在基坑開挖到中下部未施工錨索時，在該施工過程中產生的最大彎矩比支擋結構施工完畢后的彎矩大20%～25%。

2)對拉錨索支護結構可以有效控制樁頂位移，錨索的張拉在一定程度上可以減少兩側樁的樁頂位移。在對拉錨索支護的實際施工過程中，應盡量減少支護樁無錨索張拉時的懸臂高度，及時張拉對拉錨索。

3)對拉錨索支護結構支護樁后的土壓力，呈現出明顯的非線性分布特征，其土壓力值略小于靜止土壓力值。其中土壓力較大的一側，樁后土壓力實測合力值是朗肯理論值的1.27倍,是靜止土壓力的0.72倍。在錨頭的位置，土壓力存在一定的集中現象。對拉錨索支護中錨索兩端的樁由于開挖支護時機的不一致造成其土壓力的分布也不盡相同。

4)樁間擋板后沿豎向的土壓力離錨頭較遠處有一定的應力集中現象，豎向土拱的存在使土壓力中部較大，故擋板后豎向土壓力為上部及下部小而樁板中間部位較大的非均勻分布。樁間擋板沿水平向的土壓力分布曲線呈拋物線型，擋板離樁1/6跨度處的土壓力約為跨中土壓力的50%～60%。

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Indoor Model Test of Pulling Anchor Supporting Structure

WU Shuguang1, 2, PENG Peng2,3, HAN Peiyu1, 2, ZHENG Huajing1, 2

(1. Key Laboratory of New Technology for Construction of Cities in Mountain Area of Ministry of Education, Chongqing University, Chongqing 400045, P.R.China; 2. School of Civil Engineering, Chongqing University, Chongqing 400045, P.R.China; 3. Changjiang Institute of Survey, Planning, Design and Research,Wuhan 430010,Hubei,P.R.China)

In view of little theoretical and experimental research on pulling anchor supporting structure currently, the indoor model test of the pulling anchor supporting structure was designed and completed independently. Analysis of the test results reveals that the maximum values of internal force of pile and the displacement at the top of the pile both appear in the construction process, rather than the completion of the construction. Different time of excavating and supporting has great influence on the internal force of pile and the distribution of soil pressure. The distribution characteristics of the internal force, the soil pressure and the soil pressure of the baffle in the pulling anchor supporting structure are concluded.

geotechnical engineering; pulling anchor; supporting pile; internal force of pile; soil pressure; adjacent deep foundation pit

2015-10-20；

2016-01-15

中央高校基本科研業務費項目(106112015CDJXY200006)；國家“十二五”科技支撐計劃項目(2012BAJ22806-04)

吳曙光(1975—)，男，浙江金華人，副教授，博士，主要從事巖土工程方面的研究。E-mail：wsg1975@163.com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.06.06

U453.4；TU43

A

1674-0696(2016)06-024-06