高壓旋噴錨桿在黃土深基坑支護中的模擬研究

徐龍帥，倪萬魁，劉 魁，王百升，姜 騫

(1.長安大學， 陜西 西安 710054； 2.信息產(chǎn)業(yè)部電子綜合勘察設計院， 陜西 西安 710054)

高壓旋噴錨桿在黃土深基坑支護中的模擬研究

徐龍帥1，倪萬魁1，劉 魁2，王百升1，姜 騫1

(1.長安大學， 陜西 西安 710054； 2.信息產(chǎn)業(yè)部電子綜合勘察設計院， 陜西 西安 710054)

為了研究高壓旋噴錨桿支護體系在黃土深基坑工程中的工作性狀，選取西安某深基坑支護工程為研究對象，運用MIDAS/GTS軟件對該支護體系進行了有限元數(shù)值模擬，并與二次注漿錨桿支護體系的模擬結(jié)果進行了對比分析。結(jié)果表明：兩種基坑支護方式均可滿足該基坑支護的技術要求，但采用高壓旋噴錨桿支護時，需要錨桿的總長度為二次注漿錨桿長度的62%，且高壓旋噴錨桿筋體可實現(xiàn)回收，降低了錨桿施工對周圍土層的干擾，其在黃土地區(qū)高邊坡及深基坑支護工程中有著廣闊的應用前景。

高壓旋噴錨桿；二次注漿錨桿；可回收錨桿；黃土地層；基坑支護；數(shù)值模擬

高壓旋噴錨桿是新開發(fā)出的一種新型巖土錨固技術，該技術在高壓旋噴樁技術的基礎上實現(xiàn)了大直徑的錨固體，從而大幅度提高了單錨抗拔承載力，克服了傳統(tǒng)錨桿直徑較小、抗拔承載力低的缺點。劉全林[1]基于錨桿靜載試驗，指出軟土流變應力控制、樁側(cè)土應力集度控制是高壓旋噴錨桿在淤泥質(zhì)軟土基坑中成功應用的關鍵，并建立了加勁樁的加固和支護剛度計算方法。路威等[2]基于高壓旋噴破土擴孔的物理過程，提出一種便于實際應用的高壓旋噴錨桿錨固體直徑計算方法，并設計現(xiàn)場試驗驗證了計算方法的實用性。王振剛等[3]選取西安某黃土基坑為試驗場地，通過現(xiàn)場試驗并結(jié)合分析計算，探討了注漿壓力、錨桿孔徑大小等因素對二次注漿錨桿預應力荷載大小的影響。于遠祥等[4]在已有理論推導的基礎上，基于現(xiàn)場拉拔試驗，分析了錨固長度、錨索體直徑等因素對預應力錨索在特定黃土地層中荷載傳遞規(guī)律的影響。朱彥鵬等[5]結(jié)合蘭州某地鐵車站深基坑工程，對常用支護方案進行了對比分析，采用FLAC3D軟件，對基坑典型斷面的施工過程進行三維數(shù)值模擬分析。王安明等[6]運用有限差分軟件FLAC3D對鄭州某樁錨支護形式的基坑開挖進行數(shù)值模擬，結(jié)果表明模擬值和實測值在數(shù)值和變化規(guī)律上基本保持一致，支護樁的位移沿深度方向大致呈“弓”字形變化。

近幾年，高壓旋噴錨桿在一些軟土地區(qū)基坑支護工程中得到成功運用，取得了良好的效益[7-9]。鑒于高壓旋噴錨桿在黃土地區(qū)的深基坑工程中應用較少，積累的工程經(jīng)驗較少，本文以西安某深基坑支護工程為研究對象，利用有限元軟件對高壓旋噴錨桿在黃土深基坑支護工程中的工作性狀進行分析，并與傳統(tǒng)的二次注漿錨桿進行對比，得出一些有益的結(jié)論，為高壓旋噴錨桿在黃土深基坑支護工程上的推廣應用提供參考。

1 高壓旋噴錨桿的施工工藝和特點

高壓旋噴錨桿是在高壓旋噴樁工藝上加以改進而成，在旋轉(zhuǎn)鉆頭上設置噴嘴，水泥漿在高壓力作用下從噴嘴向外噴射，噴射過程中對周側(cè)土體進行切割攪拌，形成大直徑水泥土錨固體。其施工步驟為：首先，在黃土地層中機械成孔，直徑100 mm；然后將承載板與固定在承載板上的鋼絞線套在旋噴鉆頭上，鉆頭在推力下沿鉆孔逐漸向前推進，同時將承載板及鋼絞線帶入孔中，直至達到設計深度；最后，鉆桿帶著鉆頭退出，承載板及鋼絞線留到設計預定位置。其特點主要表現(xiàn)在以下幾方面：

(1) 通過噴射水泥漿并與周圍土體攪拌形成大直徑水泥樁體的同時，起到了加固土體的作用，同時增加了錨固體與周圍土層的側(cè)摩阻面積，提高了錨桿的承載能力。

(2) 在旋噴攪拌的同時，直接將承載板及鋼絞線帶入至設計位置，避免了二次插入承載板和鋼絞線對水泥土的擾動，增加了水泥土對承載板和鋼絞線的握裹力。

(3) 采用U形可回收的構(gòu)造形式，通過套管將鋼絞線與注漿體相隔離，將無粘結(jié)鋼絞線繞過承載體彎曲成U形。工作狀態(tài)時U形鋼絞線通過承載板將拉力傳遞到注漿體；回收時，卸除錨具內(nèi)同一鋼絞線兩端頭的夾片，對鋼絞線的一端用小型千斤頂施加拉力，在鋼絞線一端被拉出的同時，另一端的鋼絞線被拉入孔內(nèi)、繞過U形承載體后再被拉出孔外，其構(gòu)造如圖1所示。

1.錨具；2.鋼絞線；3.水泥土；4.地基土；5.套管；6.承載板

圖1可回收錨桿構(gòu)造圖

2 工程概況

2.1 場地工程地質(zhì)條件

西安市某深基坑工程[10]，開挖深度17.85 m，基坑側(cè)壁安全等級為一級。場地平坦，勘探范圍內(nèi)地層主要由素填土、黃土、古土壤、砂土及粉質(zhì)黏土組成，各土層自上而下物理力學參數(shù)見表1[10]?？辈炱陂g地下水穩(wěn)定，水位埋深在地面下16 m左右，為潛水類型，按照地區(qū)經(jīng)驗，地下水位年變化幅度1.5 m～2.0 m。

2.2 基坑支護結(jié)構(gòu)設計方案

根據(jù)場地條件和工程技術要求，基坑西側(cè)80 m長度范圍內(nèi)采用上部土釘支護加下部樁錨支護的結(jié)構(gòu)形式，基坑上部7 m深度范圍內(nèi)采用土釘墻支護形式，坡比為1∶0.3，共設置4排土釘，土釘水平與豎向間距均為1.5 m，呈梅花型布置?；酉虏坎捎脴跺^支護結(jié)構(gòu)形式，圍護樁為鋼筋混凝土鉆孔灌注樁，樁長28.6 m，嵌固深度10.75 m，樁直徑0.9 m，樁身與冠梁均為C30混凝土。腰梁為16號雙拼工字型鋼。

當采用二次注漿錨桿錨拉圍護樁時，錨桿水平間距與樁間距為1.5 m，錨桿的筋體材料為2根直徑28 mm的HRB400鋼筋；采用高壓旋噴錨桿錨拉圍護樁時，錨桿水平間距與樁間距為1.8 m。錨桿的筋體材料為φs415.2鋼絞線，支護結(jié)構(gòu)到面見圖2。

3 計算模型及參數(shù)確定

3.1 修正摩爾庫侖模型

圖2支護結(jié)構(gòu)剖面

本模型中，土體按照不同材料分為7層，采用8節(jié)點6面體實體單元進行模擬，土體的本構(gòu)模型采用修正的摩爾庫侖模型，基坑施工前已采取措施降低地下水位，因此本模型不考慮地下水的影響，土體材料參數(shù)選取見表1。

表1 各土層物理力學指標

3.2 支護結(jié)構(gòu)及界面參數(shù)

圍護樁、冠梁和腰梁采用梁單元模擬，錨桿與土釘采用植入式桁架單元模擬，錨桿由鋼絞線和注漿體構(gòu)成，因注漿體材料抗拉性能較差，為了更好模擬錨桿的抗拉行為，錨桿材料取為鋼絞線材料，以上材料均為彈性本構(gòu)模型。支護結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。

表2 支護結(jié)構(gòu)參數(shù)

模型中樁與土的模量相差較大，在兩者的接觸界面上常產(chǎn)生較大的剪應力，文獻[12]研究表明，不考慮樁與土之間的接觸作用將導致計算結(jié)果與實際情況產(chǎn)生較大偏差。為了與實際工程更加符合，本模型在樁與土之間設置界面單元，參數(shù)按經(jīng)驗取值，見表3。

表3 樁土界面單元參數(shù)

3.3 計算模型及邊界條件

為更好地分析樁錨支護結(jié)構(gòu)的受力機理和變形特點，本文不考慮基坑的空間效應，將其作為平面應變問題進行數(shù)值分析。根據(jù)工程經(jīng)驗，基坑開挖的影響范圍，在深度方向上大約為2～3倍的開挖深度，在水平方向上為開挖深度的3～4倍，據(jù)此，最終定義模型尺寸為：坑內(nèi)長度40 m，坑外長度60 m，深度為50 m，寬度取四根支護樁的作用范圍，采用二次注漿錨桿的模型寬度為6 m，采用高壓旋噴可回收錨桿的模型寬度為7.2 m。模型整體見圖3。

圖3有限元計算模型

模型底部為固定鉸支座約束，頂部為自由面，模型立面采用限制水平方向位移的約束。

3.4 施工工況

MIDAS/GTS有限元軟件主要通過“激活”和“鈍化”單元來實現(xiàn)基坑的開挖與支護。首先對原始地層模型施加邊界條件和自重荷載，并歸零初始位移，進行開挖前土體的初始應力分析。然后按照基坑施工的順序“鈍化”開挖部分土體，“激活”支護結(jié)構(gòu)和荷載，再“鈍化”下一步開挖部分的土體，如此繼續(xù)，直至結(jié)束。按照實際施工順序，采用二次注漿錨桿支護的基坑主要劃分為12個施工階段：(1) 初始應力分析；(2) 基坑開挖至-8 m；(3) 土釘墻、排樁施工；(4) 第一排錨桿施工；(5) 開挖至-10.0 m；(6) 第二排錨桿施工；(7) 開挖至-12.0 m；(8) 第三排錨桿施工；(9) 開挖至-14.0 m；(10) 第四排錨桿施工；(11) 開挖至-16.0 m；(12) 施工第五排錨桿；(13) 開挖至-18.0 m。

采用高壓旋噴錨桿支護的基坑主要劃分為11個施工階段：(1) 初始應力分析；(2) 基坑開挖至-8 m；(3) 土釘墻、排樁施工；(4) 第一排錨桿施工；(5) 開挖至-10.5 m；(6) 第二排錨桿施工；(7) 開挖至-13.5 m；(8) 第三排錨桿施工；(9) 開挖至-16.0 m；(10) 第四排錨桿施工；(11) 開挖至-18.0 m。

4 計算結(jié)果對比及分析

4.1 支護樁水平位移

支護樁水平位移結(jié)果見圖4、圖5。由圖4可知：兩種支護方式的樁體水平位移最大值隨著基坑開挖深度的加大而增大，最大水平位移位置也隨著開挖深度的加大而向下移動，但始終位于開挖面以上。這種變化規(guī)律主要原因是隨著開挖深度不斷加大、樁體所承受的土壓力也不斷增大，支護樁向基坑內(nèi)的位移增大，此時，預應力錨桿的錨固作用逐漸凸顯，有效的控制了樁上部的水平位移；樁體下部的嵌固作用有效的控制了其下部的水平位移，從而使樁體的變形曲線呈兩頭變形小、中間變形大的“鼓肚狀”。

圖4樁體水平位移曲線

由圖5可知：兩種支護方式的圍護樁最終變形形狀相似，且與文獻[13]中類似工程中實測的變形曲線相似，證明了本次模擬結(jié)果的正確。樁體最大水平位移均位于距樁頂約5 m處，采用二次注漿錨桿時，樁體最大位移19.23 mm，采用高壓旋噴錨桿時，樁體最大位移21.70 mm，較前者略大，分析其原因，高壓旋噴錨桿與二次注漿錨桿在布置密度上相比，水平間距由1.5 m增大至1.8 m，豎向間距由2.00 m增大至2.75 m，在減少錨桿和支護樁使用數(shù)量的同時，也增大了變形控制的難度，但兩種支護方式變形相差不大，均滿足規(guī)范[14]對變形控制的要求。

圖5開挖完成后樁體水平位移對比曲線

4.2 坑底土體隆起與坑外地表土體沉降

坑外地表土體沉降見圖6，坑底土體隆起情況見圖7。由圖6可知：隨著距離邊坡距離的增加，兩種錨桿支護模型坑外地表土體沉降量均呈現(xiàn)先快速增大后緩慢減小的特點，沉降規(guī)律與文獻[15]對西安市深基坑工程的統(tǒng)計結(jié)果相符，驗證了本次模擬結(jié)果的正確。高壓旋噴錨桿支護模型在距離邊坡坡頂水平距離21 m時，沉降量達到最大值5.01 mm，二次注漿錨桿支護模型在距離邊坡坡頂水平距離23 m時，沉降量達到最大值5.13 mm。

圖6坑外地表土體沉降量圖

對比分析兩條曲線可知：在距離邊坡坡頂約20 m范圍內(nèi)，高壓旋噴錨桿模型比二次劈裂注漿模型沉降量大，分析其原因，這是錨桿長度和錨桿設置密度不同的結(jié)果，在錨桿施工過程中，注漿體將對土層起到一定的加固作用，由于二次注漿錨桿間距小，密度大，且其長度比高壓旋噴錨桿長，所以在錨桿長度范圍內(nèi)，其沉降量小。在20 m以外范圍，兩種模型沉降量逐漸趨于相同。

由圖7可知，高壓旋噴錨桿模型和二次劈裂注漿模型的坑底土體的隆起變化情況大致相同。在距支護樁水平距離約5 m范圍內(nèi)，坑底土體隆起由大變小，原因是圍護樁向基坑內(nèi)的變形，擠壓坑內(nèi)土體使樁體附近的土體向上凸起。距圍護樁水平距離5 m范圍以外，土體隆起隨距離的增大逐漸增大，并在基坑中部的土體隆起量達到最大值，最大值約34 mm。

圖7坑底土體隆起曲線

4.3 錨桿軸力分析

表4和表5為兩種支護形式中各排錨桿的軸力隨開挖深度的變化情況，可以看出高壓旋噴錨桿在施工階段中承受的最大軸力均未超過其承載力設計值，可以認為兩種支護方案中，錨桿的選型與布置是合理的。

表4 二次注漿錨桿軸力隨開挖深度變化情況統(tǒng)計表

表5 高壓旋噴錨桿軸力隨開挖深度變化情況統(tǒng)計表

5 結(jié) 語

(1) 以西安市某深基坑工程為例，通過有限元計算分析，得出以下結(jié)論：兩種基坑支護方式下，樁體水平位移均呈現(xiàn)“鼓肚狀”；在距離邊坡坡頂約20 m范圍內(nèi)，高壓旋噴錨桿模型地表土體的沉降量比二次注漿錨桿模型的沉降量大，在20 m以外范圍，兩種模型沉降量逐漸趨于相同；兩種支護方案坑底土體的隆起變化情況大致相同。

(2) 計算分析表明，兩種支護方式均可滿足該基坑支護的技術要求，但采用高壓旋噴錨桿支護時，錨桿使用數(shù)量更少。在本工程9 m支護長度范圍內(nèi)，采用二次注漿錨桿支護時，需要錨桿總長度516 m，采用高壓旋噴錨桿支護時，所需錨桿總長度320 m，為二次注漿錨桿長度的62%。可大幅度降低施工成本。

(3) 高壓旋噴錨桿與普通錨桿相比，單錨抗拔承載能力得到大幅度提升，且筋體可實現(xiàn)回收，降低了錨桿施工對周圍土層的干擾，其在黃土地區(qū)高邊坡和深基坑支護工程中有著廣泛的應用前景。

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HighPressureJetGroutingAnchorSimulationinLoessDeepFoundationPitSupport

XU Longshuai1, NI Wankui1, LIU Kui2, WANG Baisheng1, JIANG Qian1

(1.Chang'anUniversity,Xi'an,Shaanxi710054,China; 2.ElectronicComprehensiveInvestigation&SurveyingInstituteofMinistryofInformationIndustry,Xi'an,Shaanxi710054,China)

In order to analyze the behaviour of high pressure jet grouting anchor system in loess deep foundation pit, in the construction of a foundation pit in Xi'an, the finite element numerical simulation of the supporting system is developed by using MIDAS / GTS software and compared with the secondary splitting grouting anchor. The results show that the two kinds of foundation pit support methods can meet the technical requirements of the foundation pit support, but by using high pressure jet grouting anchor, the total length of the anchor is 62% of the secondary splitting grouting anchor, and high pressure jet grouting anchor bar can achieve recovery, reduce the effect of cable construction on the surrounding soil layers, it has a broad application prospect in the high slope and deep foundation pit supporting engineering in Loess Area.

highpresurejet-groutingcable;thesecondarysplittinggroutinganchor;recoverableanchor;loessarea;foundationsupport;numericalsimulation

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.05.023

2017-04-24

2017-05-20

陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計劃項目(2013KTCL03-12)

徐龍帥(1992—)，男，山東鄆城人，碩士研究生，研究方向為邊坡與基坑支護。E-mail: 1510176606@qq.com

倪萬魁(1965—)，男，寧夏固原人，博士，教授，博士生導師，主要從事邊坡穩(wěn)定性方面的研究工作。E-mail: 1326763493@qq.com

TU444

A

1672—1144(2017)05—0134—06