基坑工程中樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)變形特性研究

陳涵，雷鳴，程成，汪中林

(長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州 434023)

基坑工程中樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)變形特性研究

陳涵，雷鳴，程成，汪中林

(長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州 434023)

樁錨支護(hù)體系是基坑工程中常用的支護(hù)形式，由于其獨(dú)特的支護(hù)特性和受力性能，在工程實(shí)際中被廣泛應(yīng)用。為研究樁錨結(jié)構(gòu)的力學(xué)變形特性，結(jié)合某深基坑工程實(shí)例，運(yùn)用巖土有限元軟件MIDAS GTS NX，分析預(yù)應(yīng)力錨桿和普通注漿錨桿組成的樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)變形規(guī)律。結(jié)果表明，在基坑開挖到底后，預(yù)應(yīng)力錨桿+排樁的支護(hù)結(jié)構(gòu)，排樁的最大水平位移為13mm，預(yù)應(yīng)力錨桿的最大軸力為145kN；普通注漿錨桿+排樁的支護(hù)結(jié)構(gòu)，排樁的最大位移值為28mm，注漿錨桿的最大軸力為53kN；相比普通注漿錨桿而言，預(yù)應(yīng)力錨桿具有較好的限制變形能力，該研究成果可為類似工程提供一些參考。

基坑支護(hù)；MIDAS；預(yù)應(yīng)力錨桿；注漿錨桿

基坑工程在巖土工程領(lǐng)域占有很重要的地位，是整個建筑安全的關(guān)鍵。隨著時代的發(fā)展，基坑工程項(xiàng)目越來越多，所涉及到的工程地質(zhì)條件越來越復(fù)雜，支護(hù)方法和支護(hù)結(jié)構(gòu)也更加多樣，人們對基坑支護(hù)的安全性、實(shí)用性和適用性提出了更高的要求[1～4]。在眾多支護(hù)形式中，利用排樁+錨桿(索)組合的支護(hù)結(jié)構(gòu)體系由于其支護(hù)效果好、安全可靠、便于施工和開挖等一系列特點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用到工程生產(chǎn)中[5]。但目前對預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)的理論研究相對滯后于工程實(shí)踐。樸龍澤等[6]采用理論分析方法與有限元法，研究了預(yù)應(yīng)力錨索錨根處的應(yīng)力特征。尤春安[7]根據(jù)錨固系統(tǒng)的受力特征研究了預(yù)應(yīng)力錨桿錨固段的應(yīng)力分布規(guī)律。高永濤等[8]根據(jù)彈性力學(xué)共同變形原理，得出預(yù)應(yīng)力錨桿承載過程中錨桿軸力及其變形的計算公式。在眾多支護(hù)形式中，樁錨支護(hù)與內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)相比，具有支護(hù)空間較小、施工便捷、造價低等優(yōu)點(diǎn)；與水泥土墻支護(hù)相比，具有材料用量少、污染小、適用性廣等優(yōu)點(diǎn)；與土釘支護(hù)相比，樁錨支護(hù)可以更好的控制土體變形[9]。

顯然，樁錨支護(hù)在眾多支護(hù)形式中優(yōu)勢明顯，但是常規(guī)錨桿的作用機(jī)理仍然是被動受力，即土體產(chǎn)生位移之后，錨桿的作用才能得以發(fā)揮，這對高質(zhì)量的基坑支護(hù)和臨近建筑的整體性很不利[10,11]。為了減少甚至是消除這種安全隱患，采用排樁+預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)可以很好解決這一問題[12,13]。下面，筆者結(jié)合基坑工程實(shí)例，對基坑開挖過程中土體的變形進(jìn)行了模擬，結(jié)合理論分析和數(shù)值模擬，總結(jié)了樁錨支護(hù)體系中土體的變形規(guī)律。

1 工程概況及方案設(shè)計

1.1 工程概況

該項(xiàng)目地上19層，地下1層，框架剪力墻結(jié)構(gòu)，地下室基坑支護(hù)設(shè)計后的基坑面積1955.5m2，基坑周長184.2m。地下室主樓部分為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，基坑邊緣承臺布置較密，基坑開挖深度計算到邊承臺墊層底，基坑邊緣承臺墊層底普遍標(biāo)高為-8.80m，則實(shí)際設(shè)計計算深度為8.5m；承臺墊層底普遍標(biāo)高為-10.10m，則實(shí)際設(shè)計計算深度為9.8m。

1.2 方案設(shè)計

根據(jù)場地的周邊環(huán)境及地質(zhì)情況，基坑的支護(hù)形式為排樁+預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)。支護(hù)樁直徑800mm，C30混凝土，樁間距1300mm。錨桿采用直徑25mm的HRB400級鋼筋，錨桿的水平間距為1.3m，傾角20°，上下2排錨桿豎向間距2m。上排錨桿設(shè)計拉力值為265kN，下排錨桿設(shè)計拉力值為210kN，實(shí)際施加的預(yù)應(yīng)力為140kN。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 設(shè)計參數(shù)

表1 基坑支護(hù)設(shè)計土層參數(shù)

基坑支護(hù)設(shè)計相關(guān)的土層參數(shù)如表1所示。

綜合考慮基坑土方分層開挖的影響，錨桿采用預(yù)應(yīng)力錨桿，上下2排錨桿間距為2m，錨桿水平間距為1.3m，傾角20°。第1道錨桿自由段長度為6m，錨固段長度為12m；第2道錨桿自由段長度為5m，錨固段長度為10m。根據(jù)相關(guān)研究結(jié)論，不能對錨桿施加過大的預(yù)應(yīng)力，以免樁體過分后移而使受力條件惡化，危及強(qiáng)度和整體穩(wěn)定性安全，施加的最佳預(yù)應(yīng)力值為錨桿設(shè)計拉力的60%左右[14]。工程錨桿設(shè)計拉力值為265kN和210kN，為達(dá)到較好的支護(hù)效果，錨桿施加預(yù)應(yīng)力為140kN。

2.2 數(shù)值模擬

利用巖土有限元分析軟件MIDAS GTS NX模擬分析排樁+注漿錨桿支護(hù)和排樁+預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)這2種不同情況下的周邊土體及支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的變形規(guī)律。由于工程土質(zhì)及周邊環(huán)境并不十分復(fù)雜，為簡化建模采用二維平面模擬，巖石的本構(gòu)模型選用巖土工程中常用的摩爾-庫倫模型。為了方便比較常規(guī)錨桿和預(yù)應(yīng)力錨桿的特性，左邊上下2排錨桿施加140kN的預(yù)應(yīng)力，右邊上下2排錨桿不施加預(yù)應(yīng)力。重點(diǎn)研究錨桿的支護(hù)特性，故未設(shè)置內(nèi)支撐，開挖后基坑2側(cè)的相互影響可以忽略不計，為了更直觀的比較，在同一基坑內(nèi)設(shè)置普通注漿錨桿和預(yù)應(yīng)力錨桿，開挖后網(wǎng)格圖如圖1所示。

圖1 開挖后網(wǎng)格圖

3 結(jié)果對比分析

3.1 支護(hù)樁側(cè)向位移對比分析

從模擬結(jié)果(見圖2和圖3)可以得出，由于左邊2排錨桿施加了預(yù)應(yīng)力，其所在一側(cè)的排樁側(cè)向位移較小，模擬結(jié)果顯示最大位移值為13mm；而右邊2排錨桿未施加預(yù)應(yīng)力，其所在一側(cè)的排樁側(cè)向位移較大，模擬結(jié)果最大位移值為28mm。根據(jù)《基坑工程技術(shù)規(guī)程》(DB42/T159-2012)，該工程屬于一級基坑，且a

圖2 基坑位移云圖

圖3 排樁位移云圖

3.2 錨桿軸力對比分析

開挖后錨桿軸力云圖如圖4所示。由于左右2側(cè)排樁間并未設(shè)置內(nèi)支撐，故左右2側(cè)錨桿間的相互影響可以忽略不計。左側(cè)上下2排錨桿施加140kN的預(yù)應(yīng)力，開挖后最大軸力為145kN，且小于錨桿的極限設(shè)計值210kN；右側(cè)上下2排錨桿未施加預(yù)應(yīng)力，開挖后最大軸力僅為53kN，遠(yuǎn)小于錨桿的極限設(shè)計值，沒有充分發(fā)揮錨桿的錨固作用。從模擬結(jié)果可知，預(yù)應(yīng)力錨桿可以有效的控制基坑的變形，而未施加預(yù)應(yīng)力的注漿錨桿，在基坑開挖后被動受力，該側(cè)基坑變形較大，且沒有發(fā)揮錨桿的最大作用。顯然，預(yù)應(yīng)力錨桿較普通注漿錨桿具有更佳的支護(hù)效果。

圖4 錨桿軸力云圖

4 結(jié)論

采用MIDASGTSNX有限元軟件對該深基坑排樁+預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了排樁的水平位移變形和錨桿的受力特性，得出以下結(jié)論：

1)MIDASGTSNX計算的結(jié)果規(guī)律是正確的，且與實(shí)際的基坑變形特性一致，即模擬與實(shí)際的吻合度較高，模擬結(jié)果可為實(shí)際施工提供指導(dǎo)。

2)通過對比發(fā)現(xiàn)，預(yù)應(yīng)力錨桿比普通注漿錨桿具有明顯的優(yōu)勢，預(yù)應(yīng)力錨桿作用的發(fā)揮可以較好的控制排樁的位移變形，表明了預(yù)應(yīng)力錨桿在基坑工程中的優(yōu)越性；預(yù)應(yīng)力錨桿雖然比注漿錨桿單價高，但是其錨固效果遠(yuǎn)優(yōu)于注漿錨桿，且長期經(jīng)濟(jì)效益較高，可在基坑工程實(shí)際中推廣應(yīng)用。

3)錨桿預(yù)應(yīng)力的大小對排樁變形影響較大，后期將在施加預(yù)應(yīng)力的大小如何取值對基坑支護(hù)最有利等方面做進(jìn)一步的研究。

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[編輯] 計飛翔

2016-12-01

湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2015CFB667)；湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(Q20141307)；大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項(xiàng)目(2015004)。

陳涵(1981-)，男，碩士生，現(xiàn)主要從事工程項(xiàng)目管理方面的研究工作。

雷鳴(1974-), 男，博士，副教授，現(xiàn)主要從事工程項(xiàng)目管理方面的教學(xué)與研究工作,88456455@qq.com。

TU470

A

1673-1409(2017)05-0060-04

[引著格式]陳涵，雷鳴，程成，等.基坑工程中樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)變形特性研究[J].長江大學(xué)學(xué)報(自科版)，2017,14(5)：60～63.