相鄰基坑對(duì)拉錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感性分析

吳曙光，韓培宇，宋 康，彭 朋

(1.山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(重慶大學(xué))，重慶 400045； 2.重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院, 重慶 400045；3.蘇州高新景楓投資發(fā)展有限公司，江蘇 蘇州 215010； 4. 長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢430010)

隨著我國(guó)城市建設(shè)不斷深化，高層建筑和超限超高層建筑不斷涌現(xiàn)，深基坑工程也越來(lái)越密集，不可避免地遇到相鄰深基坑等問(wèn)題。在某些情況下，相鄰深基坑之間的坡體由于特殊原因無(wú)法進(jìn)行開挖，且其距離較短，一般樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)無(wú)法對(duì)其進(jìn)行有效支護(hù)。為滿足基坑支護(hù)要求，就必須考慮樁支護(hù)與其他支護(hù)相結(jié)合的方式。對(duì)拉錨固技術(shù)是提供一種在滿足2個(gè)基坑間小凈距情況下，可保證支護(hù)結(jié)構(gòu)本身安全，保證周圍建(構(gòu))筑物安全和正常使用的支護(hù)方式[1]。

目前，已有學(xué)者對(duì)對(duì)拉錨固結(jié)構(gòu)做了一些有意義的研究工作。歐陽(yáng)仲春[2]采用彈性土壓力來(lái)計(jì)算拉桿的拉力，并根據(jù)彈性理論推導(dǎo)出彈性土壓力的表達(dá)式；康景文等[3]提出了此種結(jié)構(gòu)破壞狀態(tài)的一個(gè)判別標(biāo)準(zhǔn)和基于此判別標(biāo)準(zhǔn)的一種新設(shè)計(jì)計(jì)算方法；張宏博等[4]設(shè)計(jì)了室內(nèi)模型試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)并分析了對(duì)拉式擋土墻在傾覆破壞和沉降破壞時(shí)墻背側(cè)向土壓力分布特征及拉筋應(yīng)力變化規(guī)律。對(duì)拉錨固技術(shù)在橋臺(tái)加固、橋側(cè)墻加固、隧道加固等方面有較多的應(yīng)用和研究，但在基坑工程中，特別是結(jié)合樁的對(duì)拉錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)則需要進(jìn)一步研究。

筆者以某一采用樁-對(duì)拉錨索支護(hù)形式的基坑工程為例，在充分考慮錨索豎向間距、樁直徑、相鄰基坑間距、錨索預(yù)應(yīng)力、樁間距、樁嵌固段長(zhǎng)度等6個(gè)因素對(duì)樁-對(duì)拉錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)性能影響基礎(chǔ)上，利用FLAC3D軟件進(jìn)行支護(hù)參數(shù)敏感性分析。

1 工程概況

某工程總建筑面積13.8×104m2，地上建筑面積約8.7×104m2，包含2棟高層辦公樓，商業(yè)裙樓以及相關(guān)用房。按設(shè)計(jì)標(biāo)高整平場(chǎng)地，在地下室四周將形成高度約20 m基坑邊坡。在其基坑?xùn)|側(cè)與相鄰項(xiàng)目的基坑坡后土體地表下約2～5 m范圍內(nèi)埋設(shè)有電力管涵和給排水管道。兩項(xiàng)目基坑間距約為15 m，基坑間有重慶市江北區(qū)主供電電纜箱涵通過(guò)，關(guān)系到整個(gè)江北區(qū)的供電和供水問(wèn)題，坡體不能挖掘。且一旦邊坡穩(wěn)定性不能得到有效保障，整個(gè)江北區(qū)供電供水將會(huì)受到影響。因此必須采取有效的支護(hù)形式以確保在基坑施工過(guò)程中的安全。若對(duì)相鄰近距離基坑進(jìn)行分別單獨(dú)設(shè)置錨索，則會(huì)造成其錨索長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)或者錨固段無(wú)法滿足要求的情況。

設(shè)計(jì)采用樁+對(duì)拉錨索的支護(hù)結(jié)構(gòu)來(lái)保證坡體穩(wěn)定性以及控制變形。基坑支護(hù)豎樁為直徑1.5 m圓樁，樁中心距為3 m，混凝土強(qiáng)度為C30，錨索豎向間距為2.5 m。采用兩側(cè)錨索對(duì)拉方案：錨孔直徑為180 mm，17根直徑為15.2 mm的無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索。支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面如圖1。土的物理力學(xué)性質(zhì)如表1。

圖1 支護(hù)結(jié)構(gòu)示意Fig. 1 Sketch of supporting structure

參 數(shù)土體名稱素填土中風(fēng)化砂巖黏聚力/kPa302157內(nèi)摩擦角/(°)20．043．6容重/(kN·m-3)21．324．8變形模量/MPa233932

2 FLAC3D數(shù)值模擬

2.1 模型建立

為簡(jiǎn)化計(jì)算，模型寬度方向(Y軸)取兩倍樁間距；一般可取下截?cái)噙吔缰量拥椎木嚯x為最終開挖深度的3～4倍[5-7]，基坑深度20 m，因此模型高(Z軸)取80 m；長(zhǎng)度方向(X軸)考慮基坑開挖影響，兩側(cè)各取70 m，即X軸取140 m與相鄰基坑間距之和。土體本構(gòu)模型選用Mohr-Coulombr模型，彈性-理想塑性模型計(jì)算結(jié)果要好于線彈性模型，適合一般巖土力學(xué)分析，如邊坡穩(wěn)定、地下開挖[5]。預(yù)應(yīng)力錨桿采用FLAC3D中的Cable單元，樁采用Pile單元，錨索和樁單元連接采用刪除-建立Link的辦法建立[8]。由于采用無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索，所以Cable單元的gr_coh、gr_fric和gr_k均取0，其他參數(shù)按工程概況中實(shí)際采取方案取值。Pile單元參數(shù)分別如表2[9-12]。計(jì)算分析的整體思路為：首先完成初始應(yīng)力場(chǎng)平衡，然后開挖，再進(jìn)行樁、錨桿等施工。FLAC3D數(shù)值計(jì)算模型見圖2。

表2 樁單元參數(shù)Table 2 Parameters for pile unit

圖2 FLAC3D數(shù)值計(jì)算模型Fig. 2 Numerical calculation model of FLAC3D

由于模型較多，為優(yōu)化計(jì)算，筆者采用參數(shù)化建模的思想，設(shè)置6個(gè)核心參數(shù)，即筆者關(guān)注的6個(gè)影響因素。其他參數(shù)，如慣性矩、截面積、周長(zhǎng)等通過(guò)FLAC3D自動(dòng)計(jì)算。因此每次計(jì)算只需改變核心參數(shù)，可節(jié)約時(shí)間與精力。

2.2 分析方案

筆者考慮錨索豎向間距(因素A)、樁直徑(因素B)、相鄰基坑間距(因素C)、錨索預(yù)應(yīng)力(因素D)、樁間距(因素E)、樁嵌固段長(zhǎng)度(因素F)這6個(gè)因素對(duì)樁-對(duì)拉錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)性能的影響，具體為樁身彎矩、錨索軸力、樁后土體位移等3方面。選定一種方案為基本方案，每次改變一個(gè)參數(shù)取值。基本方案為錨索豎向間距2.5 m、樁直徑1.5 m、樁間距3 m、錨索預(yù)應(yīng)力500 kN、相鄰基坑間距15 m、樁嵌固段長(zhǎng)度7 m。各參數(shù)的取值見表3。

表3 影響因素和水平Table 3 Influence factors and levels

3 結(jié)果及分析

3.1 錨索豎向間距對(duì)性能的影響

保持其他參數(shù)同2.2節(jié)中所述基本方案一致，僅調(diào)整錨索間距，建立錨索間距為2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 m這 5種工況下的計(jì)算模型，分別獲得沿樁深度方向的樁身彎矩、錨索軸力、樁后土體水平位移(X方向位移，下同)變化曲線(圖3)。

由圖3(a)可知：樁身彎矩呈“波浪形”，錨索間距越大，起伏越大。波峰點(diǎn)即為錨索位置，這意味著在錨索作用下，樁身彎矩局部減小，錨索起到了控制彎矩的作用；計(jì)算中還發(fā)現(xiàn)：錨索面積越大，彎矩曲線呈“波浪形”這一特點(diǎn)也越明顯。錨索豎向間距由2 m增大到4 m，樁身最大彎矩由1 498 kN·m增長(zhǎng)為2 967 kN·m，增長(zhǎng)值1 469 kN·m，最大彎矩值為2 m時(shí)的1.98倍。

由圖3(b)可知：錨索軸力的最大值出現(xiàn)在下部的錨索當(dāng)中。錨索豎向間距由2 m增大到4 m，錨索最大軸力由597 kN增長(zhǎng)為815 kN，增長(zhǎng)值218 kN，最大軸力為2 m時(shí)的1.36倍。

由圖3(c)可知：樁頂后土體位移并不是偏向基坑一側(cè)，而是出現(xiàn)反向位移。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是：一方面是預(yù)應(yīng)力存在引起的；另一方面也與對(duì)拉錨索遠(yuǎn)端固定在樁上，而不是錨固在土體當(dāng)中有關(guān)，這種支護(hù)形式大大增強(qiáng)了錨索錨固能力。隨著錨索間距增大，上部樁后土體位移變小，下部樁后土體位移變大。樁后最大土體位移在接近基坑中下部最大，然后快速減小。增大錨索間距，位移變大，但增大的量有所減小。

圖3 錨索間距對(duì)性能的影響Fig. 3 Influence of the spacing of anchor cables on performance

3.2 樁直徑對(duì)性能的影響

保持其他參數(shù)同2.2節(jié)中所述基本方案一致，僅調(diào)整樁直徑，建立直徑為1.2、1.5、1.8、2.1、2.4 m這5種工況下的計(jì)算模型，分別獲得沿樁深度方向的樁身彎矩、錨索軸力、樁后土體水平位移變化曲線(圖4)。

由圖4(a)可知：樁身彎矩仍然呈現(xiàn)出“波浪形”，但隨著樁直徑的增大、樁身抗彎能力的提高，這一特點(diǎn)逐漸變?nèi)酰^索局部減小彎矩的作用被弱化。另外可看出：隨著樁直徑增大，嵌固段彎矩“零點(diǎn)”從22.5 m處逐漸轉(zhuǎn)移到25 m處，即樁的有效抗彎長(zhǎng)度隨著樁徑增大而變長(zhǎng)，因此樁嵌固長(zhǎng)度的選擇要充分考慮樁徑影響。樁直徑由1.2 m增大到2.4 m，樁身最大彎矩由1 272 kN·m增長(zhǎng)為2 754 kN·m，增長(zhǎng)值1 482 kN·m，最大彎矩值為1.2 m時(shí)的2.16倍。

由圖4(b)可知：錨索軸力并沒(méi)有呈現(xiàn)類似圖4中整體變大或變小的趨勢(shì)。隨著樁直徑增大，上部錨索軸力變大，下部錨索軸力變小，各排錨索軸力分布因樁直徑的增大而變得更加“均勻”，即不同錨索間軸力差值變小，有利于充分發(fā)揮材料性能。樁直徑由1.2 m增大到2.4 m，錨索最大軸力由702 kN減小為545 kN，減小值為157 kN，最大軸力為1.2 m時(shí)的0.78倍。

由圖4(c)可知：樁后土體位移變化規(guī)律較圖5有所變化。隨著樁直徑增大，上部樁后土體位移變小，下部樁后土體位移也變小，樁后土體位移分布更加“均勻”。當(dāng)樁直徑小于1.5m時(shí)，樁后土體位移沒(méi)有得到有效控制，建議樁徑不小于1.5 m。

3.3 相鄰基坑間距對(duì)性能的影響

保持其他參數(shù)同2.2節(jié)中所述基本方案一致，僅調(diào)整相鄰基坑間距，建立間距為11、14、17、20、23 m這5種工況下的計(jì)算模型，分別獲得沿樁深度方向的樁身彎矩、錨索軸力、樁后土體水平位移變化曲線(圖5)。

圖4 樁直徑對(duì)性能的影響Fig. 4 Influence of the pile diameter on performance

圖5 相鄰基坑間距對(duì)性能的影響Fig. 5 Influence of the spacing of adjacentfoundation pits on performance

由圖5(a)可知：隨著基坑間距增大，樁身彎矩呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，但隨著基坑間距增加，彎矩的增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸變緩，間距23、25 m情況相差不大。不同間距下彎矩值的差異主要體現(xiàn)在基坑底面兩側(cè)最大極值點(diǎn)處，而其他位置差異較小。相鄰基坑間距由11 m增大到23 m，樁身最大彎矩由1 556 kN·m增長(zhǎng)為2 497 kN·m，增長(zhǎng)值941 kN·m，最大彎矩值為11 m時(shí)的1.6倍。

由圖5(b)可知：相鄰基坑間距由11 m增大到23 m，錨索最大軸力由665 kN減小為646 kN，總體上基坑間距的變化對(duì)錨索軸力的影響不大。

由圖5(c)可知：隨著基坑間距增大，樁后土體位移呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，但隨著基坑間距增加，位移的增長(zhǎng)速度逐漸變緩，同樣樁身彎矩也存在這一現(xiàn)象，這是由于當(dāng)基坑間距大于破裂線水平投影長(zhǎng)度后，樁后土壓力增加緩慢的原因引起。

3.4 預(yù)應(yīng)力對(duì)性能的影響

保持其他參數(shù)同2.2節(jié)中所述基本方案一致，僅調(diào)整錨索預(yù)應(yīng)力，建立錨索預(yù)應(yīng)力為300、400、500、600、700 kN這 5種工況下的計(jì)算模型，分別獲得沿樁深度方向的樁身彎矩、錨索軸力、樁后土體水平位移變化曲線(圖6)。

圖6 錨索預(yù)應(yīng)力對(duì)性能的影響Fig. 6 Influence of the prestressed anchor cable on performance

由圖6(a)可知：樁身彎矩隨著錨索預(yù)應(yīng)力增加而變小，特別是基坑底面以下的彎矩極值大幅減小。錨索預(yù)應(yīng)力由300 kN增大到700 kN，樁身最大彎矩由2 679 kN·m減小為1 263 kN·m，減少值為1 416 kN·m，最大彎矩值為300 kN時(shí)的0.47倍。這意味著可通過(guò)增大預(yù)應(yīng)力方式，顯著減小樁身的控制彎矩，從而減少樁的配筋，有效節(jié)約工程造價(jià)。

由圖6(b)可知：隨著錨索預(yù)應(yīng)力增大，錨索軸力呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，越接近基坑底部增長(zhǎng)的幅度越大。錨索預(yù)應(yīng)力由300 kN增大到700 kN，錨索最大軸力由583 kN增大為769 kN，增大值為186 kN，最大軸力為300 kN時(shí)的1.32倍。

由圖6(c)可知：不同預(yù)應(yīng)力作用下，樁后土體位移并不是簡(jiǎn)單地變大或變小，而是呈現(xiàn)一種整體向基坑外側(cè)偏移的趨勢(shì)。

3.5 樁間距對(duì)性能的影響

保持其他參數(shù)同2.2節(jié)中所述基本方案一致，僅調(diào)整樁間距，建立樁間距為2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 m這5種工況下的計(jì)算模型，分別獲得沿樁深度方向的樁身彎矩、錨索軸力、樁后土體水平位移變化曲線(圖7)。

圖7 樁間距對(duì)性能的影響Fig. 7 Influence of the pile spacing on performance

由圖7(a)可知：樁身彎矩沿樁深度方向呈“S形”，且控制彎矩都位于嵌固段。樁間距由2 m增大到4 m，樁身最大彎矩由930 kN·m增大為2 359 kN·m，增大值為1 426 kN·m，最大彎矩值為2 m時(shí)的2.54倍。可見樁身彎矩對(duì)樁間距比較敏感，因此要綜合考慮造價(jià)和支護(hù)效果等因素，選擇合理樁間距。

由圖7(b)可知：由于基坑底部位移較小，最下一排錨索軸力基本和預(yù)加軸向拉力值保持一致。樁間距由2 m增大到4 m，錨索最大軸力由553 kN增大為751 kN，增大值為198 kN，最大軸力值為2 m時(shí)的1.36倍。

由圖7(c)可知：隨著樁間距增大，樁后土體位移呈現(xiàn)一種整體向基坑內(nèi)側(cè)偏移的趨勢(shì)，當(dāng)間距大于3.5 m時(shí)位移增長(zhǎng)迅速，建議樁間距不宜大于3倍樁徑。

3.6 樁嵌固段長(zhǎng)度對(duì)性能的影響

保持其他參數(shù)同2.2節(jié)中所述基本方案一致，僅調(diào)整樁嵌固段長(zhǎng)度，建立嵌固段為4、5、6、7、8 m這5種工況下的計(jì)算模型，獲得沿樁深度方向的樁身彎矩、錨索軸力、樁后土體水平位移曲線沒(méi)有變化。這意味：當(dāng)嵌固長(zhǎng)度滿足一定深度后，嵌固長(zhǎng)度變化對(duì)樁身彎矩、預(yù)應(yīng)力錨索軸力、樁后土體位移沒(méi)有影響，嵌固長(zhǎng)度可取3倍樁徑。在實(shí)際工程要合理選擇樁嵌固段長(zhǎng)度，節(jié)約工程造價(jià)。

4 結(jié) 論

1)預(yù)應(yīng)力錨索的設(shè)置使樁身彎矩局部呈“波浪形”。錨索錨固在樁上和預(yù)應(yīng)力的存在使樁頂后土體位移并不是偏向基坑一側(cè)，而是出現(xiàn)反向位移。

2)隨著樁直徑增大、樁身抗彎能力提高，樁身彎矩呈現(xiàn)出“波浪形”這一特點(diǎn)逐漸變?nèi)酢兜挠行Э箯濋L(zhǎng)度隨著樁徑增大而變長(zhǎng)。各排錨索軸力分布因樁直徑的增大而變的更加“均勻”。樁后土體位移分布也更加“均勻”，建議樁徑不小于1.5 m。

3)隨著基坑間距增大，樁身彎矩和樁后土體位移呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，但隨著基坑間距增加，增長(zhǎng)速度逐漸變緩，這是由于當(dāng)基坑間距大于破裂線水平投影長(zhǎng)度后，樁后土壓力增加緩慢的原因引起的。

4)可通過(guò)增大預(yù)應(yīng)力方式，顯著減小樁身的控制彎矩，從而減少樁的配筋，有效節(jié)約工程造價(jià)。

5)樁身彎矩沿樁深整體呈“S形”，且控制彎矩都位于嵌固段，建議樁間距不宜大于3倍樁徑。

6)當(dāng)嵌固長(zhǎng)度滿足一定深度后，嵌固長(zhǎng)度變化對(duì)樁身彎矩、預(yù)應(yīng)力錨索軸力、樁后土體位移沒(méi)有影響，故嵌固長(zhǎng)度可取3倍樁徑。

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