超前排樁錨支護結構的樁頂變形特性分析

劉一宏　袁超

摘 要：超前排樁錨組合支護體系作為一種新型支護結構體系，多被應用于土巖組合深基坑的支護中。本文依托某城市實際開挖的大型深基坑工程的實時監測數據，對該支護體系的變形特性進行了探討，通過非線性模型最小二次估計，擬合出位移隨時間的變化趨勢，為類似工程提供參考。

關鍵詞：深基坑;超前樁錨支護結構;變形

中圖分類號：TU473.1? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2019）01-0052-03

1前言

超前排樁錨組合支護體系是在樁錨支護結構基礎上優化的一種支護方式，由于超前樁的施加可以使基坑分階支護，避免錨拉式樁板擋墻高度不宜大于25m的規定和支護樁入土深度過深造成的成本過大，同時可以使樁體和錨桿錨索組成的拉錨體系應用于更深的基坑工程，具體的工法是：在邊坡或基坑開挖前在地面上以人工挖孔或機械形成樁孔，下鋼筋籠并澆注混凝土形成樁身，然后開挖基坑到預應力錨桿或錨索位置時，制作錨桿或錨索應用于土巖組合場地時，超前制作的樁體長度小于基坑深度，略大于土層厚度[3]，當開挖到聯梁設計標高時，開始施工聯梁同時進行下排樁的制作，待下排樁澆筑完成，再沿下排樁垂直分部開挖，當開挖到基坑深度大于超前樁長度后，會有兩種情況，第一種是超前樁的錨固段過短或前端巖土體過薄，此時樁也可以稱為柱，發揮著與肋梁類似的作用，第二種即是保留超前樁足夠的錨固段，樁體仍然發揮樁的作用。

2工程概況

本基坑工程位于城市中心地帶，周邊環境較為復雜，破壞后果極為嚴重，該建設場地分為地塊一、地塊二、地塊三，其上擬建7棟單體建筑，場區東側緊鄰公園，交通便利。此次分析針對地塊二擬開挖基坑進行。根據場地周邊現狀地面標高及基坑開挖標高，基坑開挖后北側將形成高34.3～38.3m的基坑邊坡，基坑南側將形成高27.5～30.4m的基坑邊坡，屬于超限基坑邊坡，該基坑邊坡為土巖組合邊坡。上層覆蓋層為雜填土與紅粘土，下層為強風化白云巖與中風化白云巖。該支護體系采用兩階支護，超前樁錨支護體系， 樁徑為1.5m，在臺階處采用三角形連梁與下階樁連接，基坑典型支護剖面圖見圖1。基坑邊坡北側既有建筑外輪廓線距離擬建建筑地下室外輪廓線距離約為15米，無放坡空間;基坑邊坡南側緊鄰瑞花巷道路，人員較為密集，生產生活活動較為頻繁，地下管網較多，無放坡空間。

3監測結果

為了解超前排樁錨支護體系的變形特性，在基坑的地塊二即包括超前樁布置范圍南北方向分別布置測點，在基坑超前樁冠梁布置44個測點（依次編號為N1，N6，...，N44），基坑監測點見圖2。

3.1樁頂位移

3.1.1水平位移

南側超前樁頂部的各測點監測時間與累計水平位移關系見圖3，N6為最大水平位移監測點，最大位移量為26.3mm。南側測點最大累計水平位移值與時間關系如圖4。最大水平位移值同警戒值相比，警戒值均大于水平位移值。實際監測數據表明該支護形式對樁頂水平位移的控制效果較好，能有效控制樁頂水平位移的發展。

3.1.2豎直位移

南側超前樁頂部各測點累豎向計位移與監測時間關系見圖5，N6為最大豎直位移監測點，最大位移量為豎直向下7.3mm。南側測點最大累計豎直位移值與時間關系如圖6。

數據采集時間南側從2015年11月到2017年1月，根據監測結果可知：

（1）超前樁樁頂位移2015年11月到2016年2月為緩慢增長期，2月到6月增長速率最快，6月以后增長再次放緩，最后趨于平穩并達到峰值。

（2）基坑開挖至第四階前，是雜填土、紅黏土土層，分級施工有效控制了超前樁的位移量，當開挖到土巖結合面時也即第5階，超前樁樁頂的位移變化速率開始增大，當開挖到基坑設計標高后，樁頂位移達到最大值。

4實測數據擬合分析

4.1非線性模型最小二乘法估計

非線性回歸分析法是研究確定事物間關系的一種有效方法。最小二程法為一種優化方法，通過數據誤差的最小平方和計算，求取最可能反應實際情況的匹配函數。

對于樣本，通過關系式，得到數據，采用線性擬合，得到，根據最小二乘法原理：

假定一組與時間對應的基坑支護結構變形位移監測數據，其中為各階段時間，為各時間對應的變形位移，對數據采用多項式擬合。回歸方程為：

式中n為多項式冪指數。越大擬合度越高，一般即滿足工程運用需求。

公式為：

則為矩陣，求逆矩陣，則

利用上述方法，求出式中A的待定系數。

4.2超前樁頂部位移擬合

本工程基坑開挖時間從2015年11月到2016年12月，總計410天，其中北側基坑監測時間基本貫穿基坑施工全過程，變化到第8階后趨于平穩，為了更直觀、較普遍地反應基坑位移與監測時間的變化關系，現將第1階段至第8階段監測時間20等分，作為時間段變量，并將樁頂水平位移與時間段進行擬合，得到擬合曲線如圖7。

由圖7擬合曲線，推導出水平位移與時間段經驗公式為：

由圖7可知二者相關系數為，表明二者擬合度較高。

由4.2章節同理分析基坑支護結構頂部豎直位移與時間關系，將樁頂豎直位移與時間段進行擬合，得到擬合曲線如圖8。

由圖8擬合曲線，推導出豎直位移與時間段經驗公式為：

二者相關系數為，表明二者擬合度較高。

綜上可知，對于實際工程中，利用經驗公式來分別預測超前樁水平、豎直位移隨時間關系的變化趨勢，對工程中預報險情、指導施工具有一定的實際意義。

5結論

（1）在對土巖結合基坑邊坡開挖至超前樁樁底階段， 超前樁的受力特征類似于樁錨體系，支護結構頂部的水平位移和豎向位移均較小，在開挖至樁底以下以后，超前疏排樁底部前排部分巖體被挖除，端部約束部分減少，水平位移和豎向位移開始增長，在設計中應預留足夠的錨固段前端巖土體。

（2）通過實測數據曲線可知，在開挖至土巖結合面時，樁頂位移開始較快增大，內因是基坑邊坡部分錨索預應力損失較大，錨索對支護結構水平約束作用減弱。外因是巖層爆破施工對支護結構產生一定的不利影響。

（3）超前樁樁頂位移峰值發生在開挖至設計標高后，并且受水、土壓力的影響，支護結構變形不能立即收斂。隨著地下結構的施加，變形逐漸趨于穩定，變形收斂。

（4）基于實測數據擬合的經驗公式能在一定程度上反映超前樁位移隨時間的變化趨勢，可為類似地層條件下的支護結構變形提供參考。

（5）在土巖組合地層中，采用超前樁錨支護體系，能較為有效地控制基坑位移，有利于安全施工。

參考文獻：

[1] 黃強.深基坑支護工程設計技術[M].北京：中國建材工業出版社，2000.

[2] JGJ 120-99.建筑基坑支護技術規程[S].北京：中國建筑工業版社，1999.

[3] 丁慧 常娟娟.超前疏排樁（柱）錨組合支護體系的變形特性研究[J].公路交通科技，2013（6）;263-267.

[4] 賈金青.深基坑預應力錨桿柔性支護法的理論及實踐[M].北京：中國建筑工業出版社，2006.

[5] 常娟娟，超前疏排樁（柱）錨支護結構應用與數值模擬研究[D].貴州大學，2012.