巖士勘察在樁錨支護基坑大型模型試驗中的研究

摘要：為探究西北地區黃土基坑樁錨支護結構的受力特性及變形規律，文章設計并實施了一項幾何相似比為1∶10的樁錨支護基坑大型模型試驗，通過模擬坑邊附加荷載、土層開挖、錨桿張拉等條件，系統性地研究支護結構的受力和變形特性。試驗結果表明，錨桿對于樁體位移的約束作用顯著。在工況1的條件下，樁體的最大位移為1.00 mm；而在工況11的條件下則增至3.90 mm，證明首排錨桿在控制樁體變形中起到了至關重要的作用。此外，預應力錨桿的應用改變了樁的受力狀態，由原先的一側受拉、另一側受壓的狀態轉變為“S”形主動應力狀態。在基坑開挖后期，樁前被動土壓力呈上大下小的分布狀態，最大值為-12 kPa，最小值為-80 kPa。因此，建議在實際施工時張拉同一水平位置的錨桿，以減少前端錨桿預應力損失。

關鍵詞：巖士勘察；樁錨支護；基坑；模型試驗

中圖分類號：TU4 " " "文獻標識碼：A " " "文章編號：1674-0688（2024）10-0104-05

0 引言

土體作為一種非線性彈性材料，其在應力作用下的應力-應變關系和強度特性與常規均質材料在簡單壓力作用下的表現存在很大差異。傳統的常規模型試驗通常在標準的1 g重力環境下進行，這種方法可能無法充分反映基坑開挖過程中墻體變形和土壓力變化情況，存在低估基坑開挖引發的土壓力變化和土體變形的風險。在針對錨樁支護結構受力特性及變形規律的研究中，李連祥等[1]在分析離心模型試驗中常用停機開挖、排液法開挖及微型機器人開挖的缺點的基礎上，設計并研制了一種新型開挖模擬裝置，該裝置能夠實現非停機開挖，并能較準確地模擬土體側壓力；周瑋寧等[2] 開展了離心模型試驗，對比了成層地基中微型樁加固淺基礎與未加固基礎的情況，分析了地基土和基礎受力后的變形情況和破壞響應，試驗結果表明，在微型樁的加固作用下，相較于淤泥質粉質黏土層，粉質黏土層影響區域寬度減小幅度更為顯著；張建成等[3]通過開展大比尺剛性擋土墻模型試驗，并采用人工控制擋土墻位移的方式，分析了輕量土作為墻后填土時的主動土壓力分布規律，研究結果表明，輕量土的側向土壓力隨著擋墻位移量的增加，呈現先降低后逐漸穩定的趨勢。

當前的研究主要集中在經濟發達的中國東部軟土區。相比之下，由于西北黃土區的經濟水平和城市建設相對落后，因此對該地區的基坑工程研究也相對滯后。鑒于黃土與軟土在工程特性上存在顯著差異，黃土區無法直接借鑒軟土區基坑的所有經驗[4]。因此，針對黃土區特性開展基坑室內模型試驗研究是非常必要的。本文利用自主研發的模型箱，對樁錨支護基坑進行了大規模的模型試驗研究，深入分析了基坑開挖過程中支承樁的位移規律和土壓力變化，并探討了不同工況（如錨樁張拉）對支承樁內力的影響。研究結果旨在為樁錨支護坑的模型試驗方法及工程應用提供參考。

1 模型試驗

1.1 模型箱和試驗土壤

本次基坑支護試驗采用樁錨結構支護形式，并利用自研模型箱進行。該模型箱內部尺寸為 3.4 m（長）×1.4 m（寬）×2.7 m（高）。為確保試驗過程中能直觀觀測土壤變形情況，模型箱兩側采用了12 mm厚的有機玻璃。試驗土壤取自基坑現場，土壤呈黃褐色且土質較均勻。試驗土壤經過篩分、加水攪拌、燜燒處理后，采用分層填筑法（每層厚度為15 cm），整平并均勻壓實，確保壓實系數達到0.90的較高標準［5-6］。為減少邊界效應對試驗結果的影響，模型箱內被均勻地涂抹了硅烷。此外，考慮到填土完成后土體的重塑作用，模型在試驗前需放置 24 h以上，并在填土過程中取樣進行室內土工試驗。試驗土壤物理參數見表1。

1.2 支撐樁和錨固件

支撐樁和錨的幾何參數見表2。樁身鋼筋采用8號鍍鋅鐵絲；混凝土配合比為0.490（水）∶1（水泥）∶1.370（沙子）∶2.486（石頭）。沿側排布置7根支撐樁，其中樁1至樁3（按照從左到右的順序編號）進行應變和樁頂位移測試。錨固件主體材質是直徑為8 mm的鋼筋；灌漿料配比為1（水）∶0.5（水泥）。全場共設置30根錨固件，采用Mi-j編號體系（i為行號，j為列號），試件編號示意圖見圖1。此外，對第1、3 、5列的所有錨固件進行軸向力測試。

考慮到填土采用水平分層填筑方式，并且錨桿為預制件，在實際工程中需要設置一定水平傾斜度以確保灌漿效果，因此在模型箱中，錨桿被設置為水平布置，便于軸向力的施加和測量。錨桿的自由段采用波紋管進行包裹，避免其與土壤直接接觸。錨桿從模型箱內部向外穿過預留孔，隨后，通過KBT-10T型錨桿拉拔器進行張拉操作后，被固定于基坑中。錨桿長度及施加的預應力見表3。

1.3 試驗方法

將應變片貼附于支護樁混凝土和錨固鋼筋表面，隨后進行物理保護及防水處理。土壓力盒固定于樁體表面。為將千斤頂荷載傳遞至土壤，在支撐樁頂部后方土壤上鋪設了尺寸為138 mm（長）×48 mm（寬）×30 mm（厚）的鋼板。基坑周圍的附加荷載由自行設計的垂直加載系統模擬，該系統集成了液壓千斤頂、反力框架（梁）、荷載傳感器和承壓鋼板，可以確保千斤頂軸線與鋼板幾何中心對齊。試驗中，20 kPa 的均布荷載經等效換算后，以30 kN的集中力形式施加。

模型箱前擋板采用6塊 40 mm厚的硬木板構成，便于分層挖掘土壤。土壤每24 h挖掘一層，隨后張拉并鎖定錨桿。挖掘和錨桿張拉的工作條件設計見表4。在樁土界面上布置細鋼絲網片，用于模擬噴射混凝土表面并防止土壤從樁間涌出。同時，采用DH3816 N靜態應力應變測試分析系統進行數據采集。錨固件安裝和開挖完成情況見圖2。

2 結果與討論

2.1 樁頂水平位移分析

圖3展示不同工況下的樁頂水平位移情況。從圖3中可以看出，隨著樁前土方的開挖和錨桿的張拉，樁頂位移呈非線性增長趨勢。邊緣樁的最大水平位移為3.78 mm，中間樁為 3.92 mm。預應力錨桿的張拉增強了土體的抗剪強度，并增大了土體與錨桿實體之間的摩擦阻力，從而減緩了土體的水平位移速率。特別地，第一排錨桿對樁身水平位移的控制作用尤為明顯，它導致樁身產生了負位移，并對后續樁身位移的發展起到了減緩作用。工況1條件下的最大位移為1.00 mm，而工況11條件下的最大位移為3.90 mm。由此可見，第一排錨桿對樁體變形的控制起到了關鍵作用，進一步驗證了錨桿在控制樁及樁后土體變形方面的有效性。

2.2 支承樁的應力分析

根據材料力學知識，樁身彎矩M的計算公式為

[M=EIεi1-εi2B] ， " " " " " " " " " " " （1）

其中：EI為樁身的彎曲剛度，εi1、εi2為第i個測量點兩側的應變值，B為樁徑。

由公式（1）可知，樁的抗彎剛度EI和樁徑B均為定值，因此樁身彎矩的分布與應變差的分布具有一致性。為直觀分析樁身內力的變化規律，本文進一步分析了樁1和樁2在不同開挖條件下錨桿張拉的應變分布（圖4）。隨著樁前土體開挖施工的推進，樁身應變分布呈現非線性特征。在工況1（懸臂階段）條件下，樁的護壁側處于拉伸狀態，拉伸應變的最大值位于樁頂，并且應變分布呈現兩端小、中間大的特征。當應變為-250 ??時，樁2的最大沉降為-1 856 mm；而應變為0 ??時，樁1和樁2的最大沉降均為-1 500 mm。

當樁體由懸臂狀態轉變為單支點支撐狀態時，彎矩由護壁側的拉力轉變為空心側的拉力。隨著支承樁進入多支點狀態，被動區土體的阻力逐漸增大，導致樁身的最大彎矩及抗彎點均向下移動，同時空心側的最大彎矩值明顯減小。與僅受土壓力作用的懸臂樁不同，樁錨支護結構需同時承受土體的卸載效應和錨桿的張拉作用。在此過程中，嵌入端的彎矩也從初始工作狀態下的擋土側受拉，轉變為多支點階段的中空側受拉，開挖完成后又恢復為擋土側受拉的狀態。由此可見，錨桿張拉與樁體、土體之間形成協同效應，有效調整了支護樁的受力狀態，避免了樁體達到極限受力狀態。

此外，側樁附近的邊界效應使樁周土體展現出較高的自穩性，降低了作用在樁上的土壓力，進而減小了樁身彎矩。在實際工程中，由于存在陰影角，所以基坑角落的支護樁所承受的彎矩通常小于基坑中部的樁。整體而言，樁身彎矩分布呈現“S”形，反向彎曲點靠近基坑底部。支護樁在坑底以上部分主要承受空心側的拉力作用，而在坑底以下則轉為擋土側受拉，并且最大正彎矩值大于最大負彎矩值。樁—土—錨三者之間的相互作用使樁體的彎矩分布比懸臂狀態更合理，降低了樁體內力，提升了支護結構的安全性和穩定性。

土層錨桿之間的群錨效應導致相鄰錨桿張拉時相互影響其內力。以錨桿M1-3為例，研究相鄰錨桿張拉對其軸向力的影響，設計了兩種張拉順序方案（圖5）：方案1的張拉順序為錨桿M1-3→張拉錨桿M1-2→張拉錨桿M1-4；方案2的張拉順序為錨桿M1-3→錨桿M1-5→錨桿M1-4。為更直觀展地展現錨桿M1-3 軸向力的損失情況，將相鄰錨桿張拉時錨桿M1-3的內力進行歸一化處理，并以軸向力的相對值表示，初始值設置為1。結果顯示，當采用方案1的張拉順序時，張拉M1-2導致M1-3的軸向力損失39%，隨后張拉M1-4 又進一步使M1-3的軸向力損失32%，M1-3最終的軸向力僅為其初始值的29%；采用方案2的張拉順序時， 張位M1-5后，M1-3的軸向力相對值為0.74， 張拉M1-4后則降至0.45。

上述結果表明，錨桿的張拉順序對其軸向力具有顯著影響，并且張拉間距越大，損失減少越明顯。因此，在基坑支護施工中，錨桿的張拉順序應遵循一定的張拉間距原則，以最小化軸向力損失，確保錨桿錨固效果，從而有效控制基坑變形，減少施工過程中的安全隱患。

2.3 土壓力分析

不同工況條件下的土壓試驗結果與朗肯土壓的對比結果見圖6。實測結果顯示，主動土壓力在基坑底部以上逐漸增大，呈現頂部小、底部大的分布狀態。當基坑深度為0 cm時，主動土壓力為16 kPa；當基坑達到最大深度-250 cm時，主動土壓力增至22 kPa。出現這一結果是因為支護樁在樁前開挖土體和樁后頂部附加荷載的作用下基坑內發生位移，帶動樁后土體前移，導致主動區土體應力逐漸增大。對于被動區土體壓力，隨著開挖深度的增加，在支護樁的支撐作用下，開挖面以下的土體壓力被轉移至開挖面一側，樁前土體因擠壓導致應力增大。在開挖初期，樁前被動區的土體應力隨深度增加而增大，呈現上部小、下部大的分布特征。后期則轉變為上部大、下部小的分布特征。被動土壓力的最大值為-12 kPa，最小值為-80 kPa。

為驗證測量土壓的準確性，計算了支撐結構的朗肯土壓力并與實測值進行了比較。結果顯示，實測土壓力小于朗肯理論預測值，并且分布形態呈現非線性特征。出現這一現象是因為朗肯土壓力理論基于剛性擋土墻假設，并且假定土體達到極限平衡狀態，而在實際工程中，是不允許土體達到此極限狀態的。因此，在樁錨支護結構設計中應用朗肯理論時，計算結果可能偏大，特別是在開挖條件復雜和支護結構變形控制要求嚴格的情況下，經典朗肯土壓力理論的計算結果可能無法滿足工程要求。

3 結語

樁錨支護結構在基坑工程中展現出較好的支護效果，這得益于樁、土、錨三者相互作用機制促進了土體與支護結構變形的相互協調，有效抑制了樁后土體的側向位移，特別是第一錨點的全責設置對支護樁的位移控制起到了關鍵作用。與土壓力的經典線性分布模式不同，樁—錨—支撐結構中的主動土壓力和被動土壓力分布呈現出顯著的非線性特征，這主要是被動側土體開挖引起的卸荷效應以及預應力錨桿的共同作用的結果。因此，在實際施工過程中，建議錨桿的張拉順序需要遵循一定的張拉間距原則，減少前錨桿的預應力損失，從而提升整體的錨固效果。實測數據顯示，土壓力的分布形態與朗肯土壓力理論預測存在顯著差異，具體表現為實測土壓力值普遍低于朗肯土壓力值。鑒于此，未來研究應聚焦于探索適用于基坑圍護結構在非極限狀態下的土壓力計算方法與理論，以期更準確地反映實際工況，優化支護結構的設計，從而確保基坑工程的安全性與經濟性。

4 參考文獻

［1］李連祥，符慶宏，張永磊，等.基坑離心模型試驗開挖方法研究與應用［J］.巖石力學與工程學報，2016，35（4）：856-864.

［2］周瑋寧，李子曦，張嘎.成層地基微型樁加固淺基礎的離心模型試驗研究［J］.巖土工程學報，2024，46（S1）：81-85.

［3］張建成，侯天順，劉浩鈺，等.剛性擋土墻后輕量土主動土壓力特性模型試驗研究［J］.地震工程學報，2023，45（6）：1397-1407.

［4］潘春輝，安昕暉，陳光仔.軟土地區基坑分坑開挖對周邊地鐵的影響［J］.城市建設理論研究（電子版），2024，（31）：208-210.

［5］董建華，吳曉磊，師利君等.季節凍土區邊坡支護結構凍融模型模擬系統研制與應用［J］.應用基礎與工程科學學報，2023，31（2）：374-386.

［6］周德志.CFG樁土復合地基條件下傾斜樁支護基坑工作特性研究［J］.吉林水利，2023（7）：24-30.