深基坑錨拉樁錨索軸力及樁身變形監(jiān)測分析

李 嵩，張蓮花

(成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川成都610059)

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，深基坑工程不斷增加，對地下空間的利用率也越來越高，錨拉式支擋結(jié)構(gòu)在基坑支護(hù)中得到了廣泛應(yīng)用。其主要是由支護(hù)樁、錨索(桿)、腰梁及冠梁組成，通過給錨索施加預(yù)應(yīng)力，給支護(hù)樁提供拉力，使錨索與支護(hù)樁緊密結(jié)合，共同工作，減小支護(hù)樁位移和內(nèi)力，達(dá)到控制樁身變形的目的；因此預(yù)應(yīng)力錨索在整個支護(hù)體系中發(fā)揮著重要作用［1-3］。

錨拉式支擋結(jié)構(gòu)在為大型深基坑工程施工提供有效保障時，相應(yīng)的基坑支護(hù)事故也在不斷發(fā)生，監(jiān)測作為一種評價支護(hù)結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性的方法顯得格外重要。對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析可以為信息化施工及將來設(shè)計提供參考，文獻(xiàn)［1］、［4］研究表明，錨索預(yù)應(yīng)力的損失可分為三個方面：一是在張拉過程中，張拉系統(tǒng)摩阻力引起的損失；二是在千斤頂回油鎖定時，鋼絞線回彈引起的損失；三是在后續(xù)過程中，由于鋼絞線松弛，灌漿體和土體蠕變，腰梁銹蝕及周圍環(huán)境變化等引起的損失。文獻(xiàn)［2］、［5］研究將錨索軸力的變化分為三個階段，即快速下降階段、波動變化階段、穩(wěn)定階段。文獻(xiàn)［1］、［6］研究得出基坑的側(cè)向變形呈典型“魚腹”狀，樁體水平位移成類似簡支梁變形特性。

本文以宜賓市南溪區(qū)棚戶區(qū)安置房項目四期安置點基坑工程為依托，通過對預(yù)應(yīng)力錨索軸力以及樁體深層水平位移的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，分析了預(yù)應(yīng)力錨索軸力變化及樁身位移的一些規(guī)律。

1 工程概況

該基坑工程位于宜賓市南溪區(qū)紫云街南段，場地北側(cè)為紫云街，南側(cè)為在建小區(qū)，西側(cè)為上正街，東側(cè)為已建建筑。場地擬建3幢高層建筑(含2F商業(yè)裙房)和連體地下室(-2F)；主體結(jié)構(gòu)采用樁筏基礎(chǔ)，以粉砂層為持力層，地下室部分采用筏形基礎(chǔ)；基坑平面呈不規(guī)則長方形，基坑開挖面積約13 992 m2，開挖深度11.5 m?；悠矫媸疽鈭D詳見圖1。

圖1 基坑平面及監(jiān)測點布置示意

根據(jù)巖土工程勘察報告，勘察為枯水季節(jié)，水位埋深1.10～5.80 m，該場地地下水主要為粉砂和卵石土中的孔隙水，為上層滯水，其主要受雨水和周邊生活排水補(bǔ)給，水量較小；洪水季節(jié)場地卵石土、粉砂中的孔隙水與長江江水有水利聯(lián)系，其水量較大，隨江水起伏。各土層分布及物理力學(xué)參數(shù)詳見表1。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

本基坑AB段為兩級放坡土釘墻；EA段、BC段采用錨拉樁，樁上設(shè)兩道錨索，冠梁標(biāo)高±0.00 m；CD段為兩階放坡土釘墻+錨拉樁，樁上設(shè)一道錨索，冠梁標(biāo)高-8.00 m；DE段為放坡土釘墻 +錨拉樁，樁上設(shè)兩道錨索，冠梁標(biāo)高-5.00 m。鉆孔灌注樁為 φ800@2200，錨索成孔直徑為150 mm，采用3φs15.2，錨索與水平方向夾角為20°，采用二次壓力注漿工藝，注入水灰比為0.45的水泥砂漿，錨索設(shè)計參數(shù)詳見表2。

表2 錨索設(shè)計參數(shù)

2 錨索軸力監(jiān)測分析

為保證該基坑施工中的安全，在基坑各側(cè)面受力較大、較危險的部位布置了錨索測力計，以監(jiān)測預(yù)應(yīng)力錨索軸力的變化，實時反饋給施工方及設(shè)計方。錨索測力計的具體布置詳見表3。

表3 錨索測力計布置

基坑BC段和DE段中部分別布設(shè)了兩支和一支錨索測力計，錨索軸力變化曲線詳見圖2。C-2鎖定后的初始軸力為150.44 kN，由于該側(cè)基坑長度較大，約110 m，排水措施不到位，基坑變形較大，之后錨索軸力總體呈不斷增加趨勢，到基礎(chǔ)施工時，最后測得軸力為205 kN，比初始軸力增長了36.2%，占軸向拉力設(shè)計的65.7%。測力計C-1鎖定后軸力為165.78 kN，短期內(nèi)損失較大，分析原因是由于施工時未分級張拉，使得錨索預(yù)應(yīng)力初期損失率達(dá)到39.4%；第二排錨索進(jìn)行張拉后，第一排錨索軸力下降了1.1%，對第一排錨索軸力影響較??；由于第二排錨索軸力遠(yuǎn)小于設(shè)計時的鎖定值，預(yù)應(yīng)力損失過大，該側(cè)變形不斷增加，在5月18日對其采取了補(bǔ)張拉措施，補(bǔ)張拉完畢后錨索軸力達(dá)到188.4 kN，此時第一排錨索軸力下降了4.3%，說明補(bǔ)張拉具有一定效果。之后C-1軸力值變化較為穩(wěn)定，補(bǔ)張拉措施使得預(yù)應(yīng)力的損失得到了改善，最后測得軸力為190.7 kN，占軸向拉力設(shè)計的39.7%。C-4測力計初測軸力為240.12 kN，初期損失率達(dá)到20.5%，隨著基坑的開挖錨索軸力有增大趨勢，第二排錨索張拉完成后，對第一排錨索的卸荷作用不顯著；C-4軸力總體呈波動增加趨勢，最后趨于穩(wěn)定，測得軸力為196.03 kN，最大軸力占設(shè)計拉力的59.5%。

圖2 BC、DE段軸力監(jiān)測值隨時間變化曲線

C-5和C-6分別布置于基坑EA段的中部和陽角部位，錨索軸力變化曲線詳見圖3。C-6初始軸力為149.76 kN，前期預(yù)應(yīng)力有較明顯的損失，損失率為7.5%。隨著土體開挖，錨索軸力又增大，隨后又成下降趨勢，說明錨索軸力的變化一方面由于土體開挖，作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)上的主動土壓力增加，錨索軸力增大；但又由于鋼絞線的松弛以及錨固體的徐變、土體蠕變等因素影響，造成錨索軸力的波動變化。4月21日，對第二排錨索進(jìn)行了張拉，第一排錨索軸力下降了2%，對第一排軸力影響較小；之后隨基坑開挖，錨索軸力呈現(xiàn)波動變化，但整體呈增加趨勢，最終趨于穩(wěn)定；最終測得軸力151.94 kN，最大軸力占設(shè)計拉力的31.4%。C-5前期預(yù)應(yīng)力有較大損失，隨著下層土體開挖，支護(hù)結(jié)構(gòu)受力增加，錨索軸力增大，當(dāng)開挖完成后，錨索軸力又出現(xiàn)降低。分析原因，鋼絞線的松弛為主要因素，C-5鎖定值為158.8 kN，與設(shè)計鎖定值相差較大，說明錨索的張拉不到位，張拉時機(jī)、張拉大小存在問題［3］，導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力波動較大，為22.3%；隨后錨索軸力波動上升，最后趨于穩(wěn)定，最大軸力占設(shè)計拉力的32.2%。

圖3 EA段軸力監(jiān)測值隨時間變化曲線

綜上，C-5和C-6的錨索軸力隨時間變化圖較為典型，總體趨勢大致相同，軸力的變化可分為前期快速下降，其損失率為7.5%～39.4%。其后呈波動上升，最后穩(wěn)定三個階段。下層錨索的張拉對上層錨索的影響較小，上層錨索軸力減小范圍為1.1%～4.3%，卸荷作用不明顯，這與文獻(xiàn)［6］、［7］的研究結(jié)果一致。同時可以看出，自由段長度較短的，前期損失率較低；按照設(shè)計規(guī)范進(jìn)行張拉，能有效減小前期的預(yù)應(yīng)力損失。各測力計測得最大軸力占設(shè)計值的31.4%～65.7%，本設(shè)計方案還存在優(yōu)化空間。

3 深層水平位移監(jiān)測分析

在EA段中部和陽角處分別布置了IN5、IN6兩支測斜管，兩處最大位移量分別為10.38 mm、4.57 mm。由圖4可知，開挖初期樁身變形較小，變形速率較低，在第一排錨索張拉結(jié)束后，位移均有回彈；隨著基坑向下開挖，樁體位移又呈現(xiàn)逐漸增加趨勢，這是由于土體開挖后形成臨空面，土體的應(yīng)力釋放導(dǎo)致土體的變形增加，從而作用于樁體的壓力增大，樁呈現(xiàn)向坑內(nèi)位移趨勢；在第二排錨索預(yù)應(yīng)力施加完后，樁體有向坑外位移趨勢，說明錨索預(yù)應(yīng)力的施加使得樁后土體被壓回，樁身位移量減小。隨著基坑開挖到基底，位移又呈現(xiàn)增大趨勢，可以得出隨著開挖深度的增加，位移也不斷增加，開挖深度的大小是影響樁身位移主要因素。開挖結(jié)束后，隨時間的增加，土體蠕變等因素依然會使得變形增大，IN5和IN6在后期的變形均趨于穩(wěn)定。從兩圖中可以發(fā)現(xiàn)，基坑開挖面以上位移增長較快，開挖面以下位移增長較慢且小于開挖面上樁身位移。接近基坑底部時，位移均有較為明顯的減小，說明坑底以下土體對樁起到了一定的嵌固作用，嵌固深度對基坑的穩(wěn)定性具有重要的意義。

圖4 IN5、IN6深層水平位移曲線

IN5位移最大值均出現(xiàn)在樁頂附近，錨索位置附近未出現(xiàn)較為明顯的位移減小，在各層錨索施加預(yù)應(yīng)力后，短時內(nèi)對基坑的變形起到了較好的抑制作用。但綜合所有數(shù)據(jù)分析，錨索未能較好的發(fā)揮性能，結(jié)合錨索軸力分析，原因可能是錨索的鎖定值與設(shè)計值相差較大，張拉存在問題，導(dǎo)致錨索未能較好的影響樁體變形形態(tài)。

IN6在變形趨于穩(wěn)定后，整體呈現(xiàn)弓形，兩端變形較小，中部變形較大，變形最大值出現(xiàn)在第一層錨索與第二層錨索之間，在第二層錨索施加處位移有較明顯的減小，總體上錨索對樁身變形起到了一定的作用。

BC段中部IN2的變形觀測見圖5。前期該側(cè)變形相比EA段偏大，兩層錨索張拉后，樁身位移均有減小，但后期隨著開挖至基底，樁身位移不斷加大，最后超出監(jiān)測預(yù)警值12.26 mm。結(jié)合錨索測力計分析，第二層錨索張拉完后，位移增加速率較大，這與第二層錨索軸力前期損失較大有相關(guān)性，施工方及時進(jìn)行了補(bǔ)張拉，整體位移有少量回彈，但最終樁身位移并未得到較好控制。結(jié)合圖4分析，該變形類似于懸臂樁樁身變形，錨索位置處未起到支點作用，錨索與樁體未能較好的發(fā)揮共同作用。導(dǎo)致變形過大的原因可歸納為：一是該側(cè)長度較大，空間效應(yīng)較為顯著；二是施工時的張拉工藝存在待完善處，特別是分級張拉與鎖定工藝；三是該側(cè)排水措施不到位，導(dǎo)致積水較為嚴(yán)重。

圖5 IN2深層水平位移曲線

4 結(jié) 論

(1)結(jié)合錨索軸力監(jiān)測分析，典型的錨索軸力變化可分為快速下降、波動上升、趨于穩(wěn)定三個階段。前期損失率為7.5%～39.4%；最大軸力占設(shè)計值比值為31.4%～65.7%，錨索還有較大潛力；下層錨索的張拉對上層錨索的卸荷作用不顯著；錨索自由段長度較短的，前期損失率較低，符合錨索的一般規(guī)律。

(2)總體上錨拉樁的支護(hù)形式能較好發(fā)揮支護(hù)作用，基坑開挖過程中，存在空間與時間效應(yīng)；該基坑較為典型的深層水平位移圖像呈弓字形，兩端小中間大，錨索的施加改變了樁身變形的局部形態(tài)，土體對樁的嵌固作用顯著，樁體最大位移出現(xiàn)在兩道錨索之間。該監(jiān)測中基坑陽角處的位移要小于基坑中部位移。

(3)錨索的張拉和鎖定是決定錨索能否較好發(fā)揮工作性能的關(guān)鍵步驟，嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行張拉會使錨索預(yù)應(yīng)力損失較小；補(bǔ)張拉措施對彌補(bǔ)錨索預(yù)應(yīng)力損失有較好的作用，一定時間內(nèi)對減小樁身位移有較好作用。