軟土地層基坑施工過程土錨索受力狀態原位試驗研究

柳林齊，葉可炯，趙國強，王穎軼

[1.上海城建市政工程（集團）有限公司，上海市200065；2.上海交通大學，上海市200240]

0 引 言

錨索支護體系的作用效果是通過初錨力（預應力）的張拉作用約束控制開挖面位移、改變開挖面巖土體應力狀態從而提高巖土體的強度，達到穩定工程結構的目的。錨索結構在二十世紀初即被廣泛應用于礦山、隧道、水利工程等領域，形成了成熟的技術體系。隨著城市建設工程的規?；?，錨索支護方法被逐步推廣應用并形成獨具特色的土錨索技術體系。迄今國內外已有大量土錨索成功案例，尤其在土體強度較高、穩定性較好、地下水位較低的工程地質條件下，土錨索支護體系以其施工機械化程度高、成本相對較低等優點，得到越來越多的應用。長期以來，人們通過理論分析、數值模擬和模型試驗等綜合方法，對錨桿（錨索）支護相關的理論和技術問題進行了許多有價值的研究，包括錨桿（錨索）支護體系的受力特性[1-6]、錨索支護作用機理及其位移控制[7-13]、錨桿預應力損失特性及其支護參數影響[14-17]等。

土錨索的支護效果取決于錨索結構的張拉作用，一旦錨索軸向出現超限的縮短位移，將產生預張力損失，其支護作用效果將大大弱化甚至失去。在迄今研究成果和工程設計中，基坑錨索支護的計算通常不考慮施工過程對周邊土體的擾動及其可能引起錨頭與錨固端的相對位移，導致工程中存在錨索位移、松弛、預應力損失等不確定性，甚至支護失效的技術風險。因此，軟土地層尤其淤泥質強流變性軟土地層中采用土錨索體系，存在著錨固端穩定效果難以保障、初錨力損失、土體蠕變位移導致錨索預應力損失等問題，從而可能造成錨索支護體系失效，危及基坑工程安全性等問題。

基于上述考慮，本研究依托溫州機場某超大面積基坑工程，通過安裝原位監測應力傳感器，建立基于監測數據自動采集、遠程傳輸及風險評價系統，獲得依托工程施工全過程長錨索預應力實時變化等與施工參數、工程地質參數及擾動狀態密切相關的原位實驗數據，分析評價軟弱地層超大面積基坑長錨索支護抗力、支護效果等的變化特性及其施工參數的敏感性。以期為軟土深基坑錨索支護設計及穩定性評價提供理論依據。

1 依托工程概況

本研究依托工程為溫州機場交通樞紐綜合體及公用配套工程。北鄰溫州永強機場T1航站樓、空管區，東側基坑距離T2航站樓76 m，距離高架41 m；基坑南側、西側現為農田，西側距濱海大道104 m。周邊環境條件相對簡單，地表建筑物對土錨索影響較小。基坑工程由相毗連的深基坑和淺基坑組成。其中，試驗場地基坑382.6 m×157.7 m，開挖深度5.9 m，6.8 m和7 m，面積59 550 m2。場地工程地質概況如圖1所示。

圖1 基坑區域工程地質概況

基坑坑底位于第②1-3淤泥夾粉砂層中，圍護鉆孔樁樁底位于第②3淤泥層中。

基坑圍護采用φ700@900 mm的鉆孔灌注樁圍護+φ650@450三軸攪拌樁止水帷幕+兩道φ500@900 mm旋噴攪拌加勁樁的支護體系。

基坑采用放坡開挖：澆筑頂圈梁，安裝第一道錨桿，并施加預應力；開挖至二道錨桿底，安裝第二道錨桿，并施加預應力；開挖至坑底，并及時澆筑素混凝土墊層和底板。

2 原位試驗方法

2.1 測區和測點布置

根據設計資料，選取基坑南邊中部區域的錨索結構進行監測。測區測點位置如圖2所示。

圖2 測點及傳感器安裝方法示意圖

圖2（a）中紅色圓點為測點。該測區范圍位于基坑長軸的中部，是基坑開挖施工過程土體擾動最敏感區域，同時是基坑工程穩定性風險最高的典型區域。對研究錨索受力隨施工過程的變化規律、預應力損失具有敏感性和典型性。

2.2 儀器設備及監測系統

土錨索應力監測系統由錨索測力計、安裝輔助機構、自動采集單元、遠程傳輸系統、無線傳輸網關、用戶終端及軟件系統組成。設備及技術指標見表1。

表1 錨索受力監測系統及其技術性能

2.3 監測系統安裝及技術要求

錨索測力計安裝除應符合相關規范外，還應保證錨索計安裝基面與錨索方向的垂直。檢查錨墊板與錨束張拉孔的中心軸線是否相互垂直，允許的垂直偏差范圍是±1.5°。任何超過該偏差范圍的安裝會導致錨索測力計在錨束張拉過程中在墊板上產生滑移、測值偏小或測值失真。根據圖2（b）所示錨索與水平面設計夾角為20°，傳感器與錨墊板之間加裝楔形墊板進行糾偏，確保相互垂直度。圖3為錨索測力計安裝構成示意圖。

圖3 錨索測力計安裝構成示意圖

現場安裝時，務必在測力計兩個承壓面均設置承載墊板，以保證平整結合以便荷載均勻傳遞。承載墊板應經加工平整，不得有焊疤、焊渣及其他異物，必要時還可在承載墊板上增加與測力計或工作墊板相匹配、深度不小于2 mm的限位槽，以在安裝時方便對中以及預防失穩。同時，錨索測力計應該盡量對中，以避免過大的偏心荷載。

監測系統安裝調試應嚴格滿足以下技術要求：

（1）配套的錨索測力計應置于錨板和錨墊板之間，并盡可能保持三者同軸；

（2）通過讀數儀讀出錨力計的編號，并與安裝位置一起做記錄；

（3）在加載時宜對鋼鉸線采用整束、分級張拉，以使錨索計受力均勻；

（4）加載時，應在荷載穩定后讀數；

（5）在儀器保護箱內安裝采集儀器、無線傳輸模塊，將儀器保護箱固定在構筑物表面；

（6）進行系統調試，用USB轉485線連接電腦和采集儀器，設定采集參數（采集時間、頻率、周期等），開始采集數據并自動發送給主監測中心，查看監測數據是否正常。否則，檢查調整傳感器、傳輸線、GSM網絡信號等，直至系統正常工作。

2.4 試驗數據采集與傳輸

未獲得基坑施工過程錨索錨固力的實時數據，土錨索受力監測數據采集傳輸系統由錨索測力傳感器、自動采集儀（含無線傳輸裝置）、通信基站、數據及網絡服務終端等構成，如圖4所示。

圖4 土錨索受力監測數據采集傳輸系統

數據采集終端軟件負責配置采集設備的基本信息及采集頻率，支持定時采集，并采用主動式觸發數據發送模式，既保證了數據的實時性，又保證了數據的有效性。在系統初始化的過程中，數據采集終端軟件可以快速完成設備的采集工作，采集模式分為主動式和問答式兩種結構模式，支持前端存儲傳輸脫機工作模式、具備雙向備份功能。數據發送到監控中心，軟件自動對測量數據進行換算，直接輸出監測物理量GPRS/BD網絡進行數據傳輸或者內部局域網方式，完成對傳感器數據的采集和監控。

3 結果分析

3.1 基坑開挖過程錨固力變化

試驗錨索采用3根φ15.2 mm高強鋼絞線組成，材料強度為1 860 MPa。每根錨索的設計臨界張力為1 012.54 kN，按臨界張力的70%設定錨索的鎖定荷載為708.78 kN。采用高壓油泵和100 t穿心千斤頂進行張拉鎖定。正式張拉前先用20%鎖定荷載預張拉一次，再以50%、100%的鎖定荷載分級張拉，然后超張拉至110%鎖定荷載，在超張拉荷載下保持5 min，觀測錨頭無位移現象后再按鎖定荷載鎖定。

試驗獲得了依托工程基坑施工過程約340天、6個測點的錨索應力監測數據近60萬組。各測點傳感器型號及其轉換參數見表2。

表2 測點傳感器型號及標定參數

換算后的錨索應力實時變化如圖5所示。

圖5（a）～（c）所示測點編號MS-01-1～MS-01-3為上排錨索監測點，橫坐標T=0為錨索計安裝調試完成并進入監測狀態的起始時間（2018年1月6日）。結果顯示：（1）T=0～900 h，3個測點錨索張力均在預張力水平上保持相對穩定；（2）T=900～1100 h，各測點錨索張力出現不同程度的突變；（3）隨后，各測點錨索張力隨基坑施工過程保持緩慢增長趨勢，直到施工完成。

圖5（d）～（f）所示測點編號MS-02-1～MS-02-3為下排錨索監測點，橫坐標T=0為錨索計安裝調試完成并進入監測狀態的起始時間（2018年3月16日）。結果顯示：（1）T=0～250 h，3個測點錨索張力均在預張力水平上保持相對穩定；（2）T=250～500 h，各測點錨索張力出現不同程度的突變；（3）隨后，各測點錨索張力基本保持小幅振蕩的動態平衡狀態，直到施工完成。

圖5 基坑開挖過程各監測點錨固力變化（單位：kN）

3.2 開挖擾動對錨固力影響

根據施工組織設計，基坑開挖施工分區如圖6所示。基坑分成W1區、W2區及W3區，其中W1區分為13段（跳槽開挖施工旋噴攪拌加勁樁），W2區分為14段（由西南和西北側向中間開挖，從W2區①～⑥順序施工，保證出土路線），W3區分為7段（由中間向南北側開挖，從W3區①～④順序施工）。

圖6 基坑開挖分區示意圖

根據施工順序與監測結果的時間關聯關系，對開挖擾動對錨索錨固力影響作概要分析。上排錨索計錨固力隨時間變化如圖7所示。

圖7 上排錨索錨固力隨時間變化

根據施工進度，錨索計進入正常監測前，W1區已完工并進入W2區的施工過程。圖7表明：（1）T1對應W2①A和W2②A（W2①B和W2②B）開挖施工階段，開挖深度為2.5 m且開挖區域與測點的最小水平距離為81 m，施工對監測區域無擾動影響，錨索總體上保持初錨力不變；（2）T2對應W2③A和W2④A（W2③B和W2④B）及W2⑤開挖施工階段，監測區域周邊土體卸載導致基坑圍護結構上浮位移，錨索產生相應張拉變形從而產生相應的附加錨固力；（3）T3對應剩余部分區域的開挖施工階段，遠距離卸載使監測區域產生隨施工過程變化的擾動位移從而使錨索產生隨時間緩慢增加的附加錨固力。

下排錨索錨固力隨時間變化如圖8所示。

圖8 下排錨索錨固力隨時間變化

下排錨索測力計在基坑W2①②③區開挖完成后安裝并施加預錨力，基坑進入第二層土體開挖。圖8所示的開挖時段對應的施工順序包括：（1）T1對應第二層土體W2①A和W2②A（W2①B和W2②B）開挖施工階段，開挖土層厚度為2.5 m且開挖區域與測點的最小水平距離為81 m，施工對監測區域無擾動影響，錨索總體上保持初錨力不變；（2）T2對應第二層土體W2③A和W2④A（W2③B和W2④B）及W2⑤開挖施工階段，監測區域周邊土體卸載導致基坑圍護結構上浮位移，錨索產生相應張拉變形從而產生相應的附加錨固力；（3）T3對應第二層個區段開挖至坑底標高后分區及時澆筑底板混凝土及剩余部分區域的開挖施工階段，由于及時分塊封底，底板與坑底樁基聯合作用，減少了土體上浮位移，從而使錨索錨固力保持基本穩定狀態。

3.3 錨索預應力變化的施工因素分析

按照基坑土錨索結構及其受力特征，建立計算模型如圖9所示。

圖9 基坑開挖過程錨固力計算模型

當基坑開挖，錨索兩端固定點均有可能由于土體擾動產生位移，考慮兩端點相對位移可分解為水平及鉛錘正交分量。假設：（1）錨索處于線彈性受力狀態；（2）錨固端與土體之間無相對位移；（3）錨索鎖定端與地墻維護結構無相對位移。則錨索端點位移引起的錨固力變化理論解如式（1）所示。

式（1）中：P0為錨索鎖定預應力；ΔP為錨固力增量；α為錨索安裝角；EA為錨索抗拉剛度；{ux，uy}為錨索鎖定端水平及豎向位移；l—錨索標準長度。

根據溫州機場基坑錨索支護設計資料，取錨索支護參數見表3。

表3 模擬計算參數

模擬錨索鎖定端相對位移，根據式（1）可得錨索錨固力隨位移變化狀態如圖10所示。

圖10 錨固力隨相對位移的變化

錨固端不發生位移時，隨著錨頭的位移，錨頭處荷載不斷發生變化，隨著位移變化率的增大，錨頭荷載變化率也隨著增大；反之，當錨索固定端與鎖定端相對位移增量為負值時，錨索錨固力線性減小，造成錨索預張力的損失。

圖10顯示：（1）錨索錨固力與錨索兩端點相對位移呈線性變化關系；（2）錨固力變化與錨索安裝角密切相關，由于工程實際中錨索安裝角通常小于30°，因此水平位移對錨固力變化的影響更為敏感；（3）結合式（1），錨索錨固力變化與{E，A，P0，α，l}等錨索物理參數和工程設計參數密切相關。

監測結果反映了依托工程基坑工程錨索支護體系在復雜地質條件、施工方式、施工開挖順序等工程因素及錨索長度、安裝角、錨索抗拉剛度、預張力等錨索設計參數的綜合影響。其中，前者影響錨索兩端的相對位移狀態，決定著錨索預張力的增大或減?。〒p失）；后者反映影響程度和參數的敏感程度。那么，如何預測計算錨索兩端相對位移的正負、如何定量計算和評價錨索設計參數對預張力變化程度（參數敏感性）影響是軟土地層基坑開挖土錨索設計及其適用性的兩個重要問題。

迄今為止研究顯示，錨索固定端的位移狀態取決于地層物性狀態、地連墻或圍護結構的插入深度等條件；而錨索鎖定端位移與地層的物理力學性質密切相關，當土體極端軟弱時，基坑開挖很可能引起周邊土體及圍護結構產生下沉位移。換言之，錨索兩端的相對位移存在諸多不確定性，從而錨索預張力變化存在不確定性。下面以依托工程為例，采用FEM數值方法模擬試驗位置錨索力學行為，對上述問題作概要分析?；又胁拷孛嫠轿灰迫鐖D11所示。

圖11 基坑水平位移分布

圖11顯示,錨索安裝位置處于基坑開挖擾動水平位移變化梯度較大區域，錨固端土體位移約-15 mm，朝基坑中心方向（坐標反向）；錨索鎖定端水平位移為零。錨索兩端相對位移呈縮小趨勢，一定程度上導致錨索預張力損失，參照圖10，錨索預張力損失約0.2%。假設錨索兩端與土體間無相對位移，根據計算結果，作錨固段水平位移和錨索相對位移隨錨索長度的變化如圖12所示。

圖12 錨索相對位移隨長度變化

圖12顯示，錨固端水平位移及錨索增量位移隨錨索長度增大而減小，當錨索長度接近3倍基坑深度（錨索安裝角20°），錨索相對位移趨于零。即隨著錨索長度增大，錨固力損失量逐漸減小，當錨索長度大于等于3倍基坑深度時，錨固力損失趨于零，支護風險可以忽略不計。

4 結 論

研究結果顯示，各測點錨索錨固力與基坑開挖時間及其空間位置密切相關，按基坑開挖的區段及時間，錨固力變化呈現三個顯著變化階段。第一階段為遠離測點區位開挖（最小距離60 m），開挖擾動影響微弱，各測點數據呈穩定狀態；第二階段為開挖面近鄰監測點位置，開挖擾動影響大，測點數據產生突變，錨固力變化幅值為20～50 kN；第三階段為其他遠離監測點位的開挖，此時開挖面積增大、土體卸載面積相應增大，擾動影響范圍增大，錨固力總體呈現緩慢增大趨勢。

結合FEM數值模擬計算和理論分析，基坑開挖過程中錨索錨固端及錨頭均不同程度受到施工擾動影響。錨索兩端的相對位移狀態直接影響錨索張力的增加或損失，錨固力變化模式受土體物理力學性質、錨索長度等影響。土體越軟弱、錨索長度越短，越容易造成預張力損失；反之，有利于預張力的增長及基坑支護的穩定性。

錨固端水平位移及錨索增量位移隨錨索長度增大而減小，當錨索長度接近3倍基坑深度（錨索安裝角20°），錨索相對位移趨于零。即隨著錨索長度增大，錨固力損失量逐漸減小，當錨索長度大于等于3倍基坑深度時，錨固力損失趨于零。