樁-錨+冠梁支護結(jié)構(gòu)之冠梁位移與樁身彎矩的測試研究

林 錦

（中億通達設(shè)計咨詢集團有限公司，福建 三明 365000）

0 引言

近年來，隨著我國城市建設(shè)發(fā)展步伐的加快，大面積的深基坑工程層出不窮，施工環(huán)境日趨復(fù)雜。由于施工場地等相關(guān)因素的限制，深基坑工程施工時多采用樁-錨支護結(jié)構(gòu)。進行樁-錨支護設(shè)計時，添加冠梁能夠促進整個支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，已有不少學(xué)者做了相關(guān)方面的研究。

曹慶義等推理得出了樁對冠梁的作用力，發(fā)現(xiàn)冠梁可以從一定程度上提升支護樁的承載能力，使整個支護體系的安全性得到極大的改善；何建明等和朱旭東等對排樁支護結(jié)構(gòu)進行了有限元分析，結(jié)果表明：排樁與冠梁的配合效果較好，在基坑中央可以忽略協(xié)同效應(yīng)，且隨著距離的拉力而增大；梁志翎和高印立在空間桿系有限元方法的基礎(chǔ)上，對其進行了空間有限元建模，并對其軸力作用下的剛性效應(yīng)進行了分析；高印立、陳萬祥等人從樁冠對樁身的約束與變形情況出發(fā)，推導(dǎo)出了考慮冠梁共同作用的樁身內(nèi)力計算公式；莫海鴻等將彎剪扭單元模型和桿系增量法結(jié)合起來，從圈梁作用機理、圈梁截面優(yōu)化、圈梁效應(yīng)與邊長之間的關(guān)系三個方面進行了優(yōu)化設(shè)計；李兆源運用ANSYS、FLAC等軟件對各種工作條件下的橫向橫向剛度進行了計算，得出了相應(yīng)的結(jié)果；李水泉等建立了圈梁-排樁相互作用的計算模型，并編寫了BPanalysis軟件，用于圈梁-排樁相互作用的數(shù)值模擬，通過實例驗證，證明了圈梁對樁體的彎曲和變形具有明顯的限制作用；宋捷、孫海濤、黃凱等人根據(jù)不同的支護條件，分別對冠梁的影響進行了分析，并給出了相應(yīng)的簡化計算公式；龍照等運用李正深基坑工程軟件，對單排懸臂樁的冠梁截面尺寸、基坑邊長等因素對其冠梁水平側(cè)向剛度的影響進行了分析，王建軍等、吳雄志等進行了現(xiàn)場實測，得到了冠梁的受力特征、冠梁內(nèi)力、彎矩與基坑施工過程的關(guān)系。

對于在樁-錨支護結(jié)構(gòu)設(shè)計中加入冠梁結(jié)構(gòu)已有眾多學(xué)者提出了各種不同的計算模型與方法，但有關(guān)冠梁位移和樁身彎矩的試驗研究較少，仍存在不足。基于此，本文以三明市梅列區(qū)青山三村二幼教學(xué)樓及其附屬設(shè)施深基坑工程為例，對冠梁位移和樁身彎矩進行了試驗分析，為基坑工程的設(shè)計提供參考。

1 樁-錨支護結(jié)構(gòu)類型與計算方法

1.1 樁-錨支護結(jié)構(gòu)類型

樁-錨支護結(jié)構(gòu)是一種具有穩(wěn)定性好、安全性高、施工方便的柔性支護結(jié)構(gòu)。根據(jù)基坑開挖深度和支護結(jié)構(gòu)的受力情況，可以將其劃分為：（1）單支點排樁支護：在基坑開挖深度大的情況下，由于懸臂樁本身無法達到樁體強度和變形的要求，可以在樁頂附近設(shè)置支座；（2）多支點排樁支護：在基坑開挖深度較深的情況下，可以采用多個支點（或錨桿）來減小樁體的受力和變形[1]。排樁的支護結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足安全性、經(jīng)濟型和可行性三個基本條件，即在滿足安全和可行性的條件下，盡量節(jié)約成本，減少工程造價。

1.2 樁-錨支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法

目前，通常將樁-錨支護結(jié)構(gòu)簡單地歸結(jié)為一個受水平側(cè)向力影響的受力結(jié)構(gòu)，其計算方法主要有傳統(tǒng)計算方法和彈性力學(xué)計算法。

（1）傳統(tǒng)計算方法：主要是按受側(cè)向加載的單元寬度梁系，例如傳統(tǒng)的1/2分割法、等值梁法、剛性支承連續(xù)梁法等。所用的土壓力包括太沙基的經(jīng)驗土壓力，以及典型的庫倫土壓力和朗肯土壓力等。該方法具有計算簡便、便于手工計算的優(yōu)點，但其缺點是無法計算出支撐結(jié)構(gòu)的位移，且未考慮施工條件的影響；結(jié)果表明，所得到的支撐力與實測值有很大差異[2]。

（2）彈性力學(xué)計算法：將支座或錨桿作為彈性支點，將地基下的土體分解成一組水平作用的彈簧，主動側(cè)的土壓力通常采用經(jīng)典土壓力理論進行計算，對彈性法的微分方程進行求證，計算出它的內(nèi)力和位移。

目前，在基坑支護中，主要采用彈性力學(xué)計算方法。

2 試驗基坑概況及試驗方法

帶冠梁的樁-錨支護結(jié)構(gòu)是一個多層介質(zhì)的空間系統(tǒng)，它與周邊土層形成了一個有機的整體，在開挖和施工中，冠梁的位移和樁身的彎矩都會發(fā)生不同的變化，往往理論分析與實際情況存在著較大的偏差。通過現(xiàn)場實測，可以測量出不同工作狀態(tài)下的冠梁位移和樁身彎矩。通過對三明市某基坑工程添加冠梁的樁-錨支護結(jié)構(gòu)進行試驗，分析基坑施工期間冠梁位移和樁身彎矩的變化情況；通過與理論計算結(jié)果的比較，探討支護結(jié)構(gòu)的變形特征[3]。

2.1 試驗基坑概況

擬建場地位于三明市梅列區(qū)青山三村青山五路東側(cè)，場地原為二幼教學(xué)樓及附屬教學(xué)設(shè)施，為3層框架結(jié)構(gòu)。場地北側(cè)為青山大道及閩光單身公寓，南側(cè)為三鋼信息技術(shù)中心及地下室，場地東、西兩側(cè)分別為青山四路、青山五路及青山三村住宅樓。基坑開挖深度為3.65～7.15m。東側(cè)采用鋼筋混凝土灌注樁+錨桿支護，北邊和西邊采用土釘法。樁徑800mm，樁距1.6m，樁長16m，離地2.0m處設(shè)一根18m的錨桿（錨固長度為13m），離地4.5m處設(shè)一根14m的錨桿（錨固長度為9m），其地質(zhì)參數(shù)如表1所示。

表1 基坑支護設(shè)計計算參數(shù)

2.2 冠梁位移測試點布置

根據(jù)“重點普遍差別待遇”的原則，在冠梁上設(shè)置7個試驗點，澆筑冠梁混凝土之前進行填埋布設(shè)。采用經(jīng)緯儀在不同的施工階段進行觀測，如圖1所示。

圖1 冠梁觀測點布置圖

2.3 樁身內(nèi)力測試方法

采用經(jīng)緯儀在不同的施工階段進行觀測，利用YJ-25型靜電阻應(yīng)變儀讀出基坑施工期間鋼筋上的應(yīng)變片的變形量，通過應(yīng)變片的變形量進行應(yīng)力計算，并對同一構(gòu)件進行抗拉試驗分析。為了確保試驗結(jié)果的可靠性和精確度，在試驗中添加了溫度補償板以降低溫度對試驗結(jié)果的影響[4]。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 冠梁位移實測結(jié)果分析

從圖2和圖3可知：（1）在深基坑開挖時，隨著開挖深度的增加，冠梁的位移逐漸增大，但其變化不是均勻地沿著冠梁方向，而是出現(xiàn)了中間偏大、兩邊偏小的特點；各試驗點的位移均為負。結(jié)果表明，在測點10和測點13等位置，冠梁兩側(cè)和轉(zhuǎn)角位置的位移較大，這是因為它們的變形不協(xié)調(diào)所致。（2）在基坑開挖及地基施工期間，冠梁的總體位移相對較小，其平均變形約為6.3mm，而冠梁兩側(cè)的變形均低于設(shè)計值。（3）開挖前期，冠梁中部和兩側(cè)的變形量變化幅度較大，而開挖到3.1m后，其增長速度基本保持不變。在錨固工程中，其位移速率明顯增加，在施加錨桿預(yù)應(yīng)力后，各個測點的位移都有所降低，其中錨桿的作用對冠梁中部位移的影響要比兩邊都大。

圖2 冠梁位移分布曲線

圖3 冠梁位移隨時間變化曲線

3.2 樁身彎矩測試結(jié)果分析

根據(jù)材料力學(xué)中的撓曲和應(yīng)力分析原理，可以用公式（1）來計算樁在任意截面上的彎矩：

采用此方法，可以得出在不同試驗時刻，樁身彎矩沿樁深度的變化規(guī)律，并與理論計算結(jié)果進行了對比。實測與計算彎矩對比見圖4。

圖4 實測與計算彎矩對比

從圖4可見：在懸臂期，測得的彎矩最大值與經(jīng)典法計算結(jié)果相近，而在曲線形態(tài)上則與彈性法相近；在采用預(yù)應(yīng)力錨桿的情況下，在基坑上方，無論是采用傳統(tǒng)方法還是采用彈性法計算，其計算結(jié)果與實際情況存在一定的偏差；在基坑下方，實測的彎矩峰值與傳統(tǒng)方法相比有較大的差異。試驗結(jié)果與兩種理論計算的結(jié)果有一些差異，原因在于一般認為預(yù)應(yīng)力錨索在開挖面與錨桿間產(chǎn)生的彎矩是負的，但在施工中，在錨桿與樁身之間，由于結(jié)合不嚴(yán)密、預(yù)應(yīng)力損失等因素，使錨桿的預(yù)應(yīng)力沒有得到充分的發(fā)揮，從而導(dǎo)致沒有負彎矩的出現(xiàn)，最終導(dǎo)致實測值與計算值存在差異。另外，根據(jù)現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GBJ10-89)，試驗樁的最大抗彎矩為130kN·m，而實測值為59kN·m，為最大抗彎矩的45%，說明現(xiàn)行的支護結(jié)構(gòu)設(shè)計方法有較大的缺陷，造成了嚴(yán)重的浪費[5]。

4 結(jié)束語

綜上所述，對樁-錨支護結(jié)構(gòu)的類型與計算方法進行了介紹，指出彈性力學(xué)計算方法應(yīng)用更廣泛；結(jié)合某基坑工程實例，對添加冠梁的樁-錨支護結(jié)構(gòu)進行了試驗研究，分析了冠梁位移和樁身彎矩的變化情況，并將試驗結(jié)果與理論計算進行了比較。根據(jù)對比結(jié)果可知：采用彈性力學(xué)計算法進行樁-錨支護設(shè)計計算，比傳統(tǒng)計算方法更為合理，但二者的計算值與實測值都存在一些差異，并且都較為保守；對設(shè)置冠梁的樁-錨支護結(jié)構(gòu)進行現(xiàn)場實驗，既能真實地反映冠梁的位移和樁身彎矩，又能根據(jù)實測數(shù)據(jù)優(yōu)化基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計，可為同類工程的設(shè)計提供參考。