樁錨基坑支護(hù)錨索位置優(yōu)化分析與探討

郭銳劍，段 建，俞 莉，周文權(quán)，母海鵬，黃佳梅

(1.湖南工程學(xué)院 建筑工程學(xué)院，湘潭 411104；2.蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，蘭州 730050；3.中都工程設(shè)計(jì)有限公司，成都 610041)

0 引言

樁錨支護(hù)技術(shù)因占用地少、整體穩(wěn)定性好，且能有效約束變形等特點(diǎn)，已在基坑工程中得到了廣泛運(yùn)用；同時(shí)，隨著當(dāng)前城鎮(zhèn)化建設(shè)的不斷深入推進(jìn)，城市建設(shè)用地日趨緊張，必將涌現(xiàn)諸多規(guī)模更大更深、周邊環(huán)境更為復(fù)雜的深基坑市場.鑒于樁錨支護(hù)技術(shù)突出優(yōu)勢與深基坑建設(shè)需求，開展其支護(hù)理論與應(yīng)用研究已迫在眉睫.目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)此開展了一些相關(guān)研究工作，如肖宏彬[1]等針對(duì)深基坑開挖中廣泛采用的多支撐擋土結(jié)構(gòu)，考慮分步開挖的施工過程對(duì)支撐反力、擋土結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移的影響，提出了以彈性地基梁理論為基礎(chǔ)的多支撐擋土結(jié)構(gòu)開挖過程的有限元分析方法，并推導(dǎo)出了各開挖階段矩陣方程的形式.馮紫良[2]等提出了一種新型的單元模型來模擬樁錨結(jié)構(gòu)，推導(dǎo)了錨樁工作狀態(tài)下接觸面處的位移解答和剛度公式，編寫了有關(guān)的計(jì)算程序.晏鄂川[3]等利用結(jié)構(gòu)力學(xué)理論，在研究樁錨結(jié)構(gòu)體系的兩階段變形過程的基礎(chǔ)上，對(duì)樁錨結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)方程進(jìn)行了改進(jìn)，包括改變?cè)蟹椒ㄖ锌够瑯痘嫣幬灰坪娃D(zhuǎn)角的計(jì)算方法以及改變第j排錨索對(duì)樁身i點(diǎn)處位移貢獻(xiàn)的計(jì)算形式.丁敏[4]等采用將樁錨結(jié)構(gòu)視為荷載作用-側(cè)向彈簧支承的連續(xù)梁模型，支護(hù)樁為直立的彈性地基梁，主動(dòng)土體轉(zhuǎn)換為土壓力，錨桿簡化成為可逐步施加的彈簧支承，而被動(dòng)土體則用側(cè)向支承的土體彈簧替代，以此提出了以矩陣分析為手段的樁錨結(jié)構(gòu)分析方法.張敏[5]等在傳統(tǒng)的三點(diǎn)定圓法、最小二乘法、自然樣條法反算彎矩的基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)的最小二乘法和改進(jìn)的自然樣條法，并利用兩種方法反演支護(hù)樁彎矩.陳涵[6]等運(yùn)用MIDAS GTS NX，數(shù)值分析預(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)力學(xué)變形之差異，認(rèn)為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.黃明輝[7]等采用有限元軟件MIDAS/GTS NX，建立樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)三維仿真模型，探討錨桿安置傾角作用機(jī)理，發(fā)現(xiàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)變形在一定傾角范圍內(nèi)出現(xiàn)谷值，存在最優(yōu)安置角范圍.等等，這些都大大豐富了樁錨支護(hù)技術(shù)理論基礎(chǔ)與工程應(yīng)用，為工程設(shè)計(jì)提供了一定的指導(dǎo)意義.然而，該技術(shù)涉及結(jié)構(gòu)與巖土體的相互作用，與周邊環(huán)境也相互制約，影響因素甚多，研究難度大，其相關(guān)支護(hù)理論、施工技術(shù)等目前還不夠完善，遠(yuǎn)跟不上工程實(shí)踐的步伐，在當(dāng)今城市建設(shè)日趨密集的環(huán)境下，常常出現(xiàn)一些基坑失穩(wěn)垮塌事件，相關(guān)報(bào)道也屢見不鮮，由此，加強(qiáng)此方面的研究尤顯重要.

為此，本文以實(shí)際工程為依托，在保證基坑穩(wěn)定和其他條件相同的前提下，僅通過調(diào)整錨索位置，對(duì)基坑進(jìn)行多次試算[8-9]，在深入分析樁身內(nèi)力和基坑變形變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，探討合理的錨索布置方案，以期為類似工程提供借鑒.

1 工程概述

擬建項(xiàng)目為長沙黃花綜合保稅區(qū)進(jìn)出口商品展示交易中心，位于市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)，該建筑地上6層，地下2層，框架剪力墻結(jié)構(gòu)，項(xiàng)目全貌如圖1所示.該場地地勢平坦，四周依次臨接已建黃金大道、巡邏路、停車場與大元路，基坑周邊環(huán)境復(fù)雜，且不具備放坡空間.

圖1 擬建建筑鳥瞰全貌

1.1 場地工程地質(zhì)條件

場地揭露地層依次為人工填土、粉質(zhì)粘土、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖與中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，其中西側(cè)原為水塘，地形地貌由近期人工填筑所形成，表層人工填土較深，厚約10 m.各地層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示.場地地下水為上層滯水，賦存于人工填土及第四系粘性土中，其在豐水期主要受大氣降水補(bǔ)給，在枯水季節(jié)則直接被蒸發(fā)，水位變化直接受氣候條件變化的影響；場地內(nèi)各地層均為弱透水層.場地西側(cè)工程地質(zhì)情況如圖2所示.

圖2(a) 場地西側(cè)工程地質(zhì)概貌

圖2(b) 場地西側(cè)工程地質(zhì)概貌

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

考慮到西側(cè)基坑人工填土深厚，工程地質(zhì)條件差，且基坑頂邊線距離征地紅線僅3 m，坑頂又選做施工料場，致使該側(cè)基坑開挖所形成的土質(zhì)邊坡變形難以控制，極易失穩(wěn)滑塌，本文旨以西側(cè)基坑支護(hù)進(jìn)行錨索位置優(yōu)化探討，以期為工程施工提供計(jì)算依據(jù)與理論指導(dǎo).

1.2 研究方案的擬定

西側(cè)基坑為一級(jí)基坑，擬采用排樁+預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)形式，總體布置如圖3所示.通過計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)錨索豎向位置對(duì)基坑支護(hù)工作性能影響較大，為了探明兩者間的相互關(guān)系，設(shè)置基本條件為：坑深取10.65 m，排樁樁徑為1.2 m，樁間距為2 m，樁嵌固段長5 m，錨索入射角為30°，坑頂設(shè)計(jì)荷載取30 kPa，錨索橫向布置于樁間土上(設(shè)置冠梁與鋼腰梁)，豎向共布置3排，從上至下每排錨索施加預(yù)應(yīng)力為：480 kN、380 kN、300 kN，且計(jì)算中滿足基坑整體穩(wěn)定性等各項(xiàng)指標(biāo)要求.考慮工程造價(jià)及變形限制等因素，在其他設(shè)計(jì)參數(shù)不變僅調(diào)整錨索豎向位置情況下，分析錨索豎向位置(h,d)對(duì)樁身內(nèi)力(彎矩Mmax和剪力Qmax)、樁頂水平位移Δx與坑頂?shù)乇沓两郸氐挠绊?，從而提出工程最?yōu)設(shè)計(jì)方案.

為此，錨索的豎向布置研究方案分兩個(gè)層面：①第一排錨索距樁頂距離h為1.0 m、1.5 m、2.0 m和2.5 m 4種情況；②錨索間豎向間距d分成2 m、2.25 m、2.5 m、2.75 m、3.0 m和3.25 m 6種情形.

圖3 西側(cè)基坑支護(hù)方案

2 樁身內(nèi)力與錨索位置關(guān)系

依據(jù)上述基本條件，計(jì)算獲得樁身最大彎矩、剪力與錨索位置關(guān)系如圖4所示.

圖4 樁身內(nèi)力與錨索布置關(guān)系

當(dāng)?shù)谝慌佩^索位置h一定、僅改變錨索間距d時(shí)，樁身最大彎矩Mmax隨間距d的增大而減小，如圖4(a)所示，當(dāng)錨索間距小于2.75 m時(shí)，每增加0.25 m索間距，彎矩減小值為100～140 kN·m，即：錨索間距在某一范圍內(nèi)，索間距的增大與彎矩的減小基本呈線性關(guān)系，表現(xiàn)為前半段直線下降特性；而當(dāng)錨索間距大于2.75 m時(shí)，隨著錨索間距的增加，彎矩的減小幅度下降，且其減小值與第一排錨索位置有著密切聯(lián)系，在此區(qū)間，當(dāng)?shù)谝慌佩^索與樁頂距離為1 m、1.5 m、2 m、2.5 m時(shí)，每增加0.25 m的錨索間距，彎矩的平均減小值分別為120 kN·m、71.5 kN·m、67.6 kN·m、5.4 kN·m，說明當(dāng)錨索間距大于某一限值時(shí)，增大錨索間距不能顯著減少彎矩，且隨著錨索總體位置的下移，彎矩值隨錨索間距的變化敏感性降低，體現(xiàn)在圖4(a)中的曲線越往下越平緩，甚至最下面的曲線出現(xiàn)不降反升的趨勢；出現(xiàn)該現(xiàn)象主要是由于錨索間距較大時(shí)，使得最下一排錨索與基坑底距離較近，其所分擔(dān)的土壓力減小，參與受力工作程度不高，致使樁身彎矩沒有明顯減小，尤其是當(dāng)?shù)谝慌佩^索與樁頂距離為2.5 m時(shí)，上部兩排錨索承擔(dān)了較大的土壓力，樁身彎矩不減而反升.同時(shí)，在錨索間距一定、僅改變第一排錨索位置h的情況下，第一排錨索與樁頂?shù)木嚯x每增大0.25 m，其彎矩減少值為200 kN·m左右，如圖4(a)可見四條曲線平行且間距基本相等.由上述分析可見，將第一排錨索下調(diào)0.25 m比擴(kuò)大錨索間距0.25 m所減少的彎矩更多，敏感性更高.在工程中，彎矩決定了樁身縱向受力鋼筋數(shù)量，直接影響工程造價(jià)，可通過上述規(guī)律調(diào)整錨索位置確定彎矩值，從而獲得經(jīng)濟(jì)安全的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案.

剪力值決定了樁身箍筋數(shù)量，此指標(biāo)也是制約工程造價(jià)重要因素之一，圖4(b)曲線描述了錨索布設(shè)方案與樁身剪力之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，總體上，剪力圖和彎矩圖形態(tài)基本相似，體現(xiàn)為兩個(gè)特征：

(1)四條曲線的前半段均成線性關(guān)系，后半段越來越平緩.在前半段的直線區(qū)段內(nèi)，錨索間距每增大0.25 m，剪力的減少值約為30 kN，直線段基本平行且間距相等；在后半段的非線性段內(nèi)，錨索間距每增大0.25 m，剪力的減少值平均不到10 kN，減小值顯著變小，甚至出現(xiàn)不降反增的趨勢.

(2)當(dāng)?shù)谝慌佩^索距樁頂1 m時(shí)，錨索間距從2 m增大到3.25 m，錨索間距每增大0.25 m，剪力值減小值分別為26.13 kN、26.43 kN、22.81 kN、24.56 kN和5.23 kN，僅在錨索間距達(dá)到3.25 m時(shí)，剪力減小幅度顯著降低；而當(dāng)?shù)谝慌佩^索距離樁頂2.5 m時(shí)，同樣情況下的剪力減小值分別為28.19 kN、27.34 kN、-17.96 kN、-5.14 kN、16.57 kN，僅僅在樁間距為2 m和2.5 m時(shí)保持線性比例關(guān)系.由此可見，剪力隨著錨索總體位置的下移，對(duì)錨索間距的增大越來越不敏感，在圖中表現(xiàn)為從上往下曲線的平緩段明顯增長，與彎矩圖相比較，這種特性剪力圖表現(xiàn)得更為明顯.

通過上述樁身內(nèi)力與錨索位置關(guān)系分析可知，彎矩、剪力-錨索位置關(guān)系圖特征相似，都呈現(xiàn)出直線段和非直線段，且直線段的間距基本相等，說明在該段內(nèi)力值與錨索間距、第一排錨索距樁頂距離均成比例關(guān)系；當(dāng)錨索整體偏下時(shí)，曲線圖則出現(xiàn)非直線段，在該段內(nèi)，錨索間距的增大和第一排錨索的下移均不會(huì)使內(nèi)力值明顯減小，且當(dāng)錨索間距過大，錨索整體位置下移可使曲線的平緩段增長.因此，在工程實(shí)際當(dāng)中，當(dāng)錨索總體位置偏上時(shí)，在一定范圍內(nèi)調(diào)整錨索的間距可使樁身內(nèi)力按比例變化，而當(dāng)錨索總體位置偏下時(shí)，不宜使錨索間距太大，使得布設(shè)的各層錨索均能充分發(fā)揮材料強(qiáng)度，樁與錨索共同受力工作，使其工作性能達(dá)到最佳；同時(shí)，調(diào)整第一排錨索位置比調(diào)整錨索間距對(duì)樁身內(nèi)力的影響更大.

3 變形與錨索位置關(guān)系

樁錨支護(hù)體系變形控制指標(biāo)一般以樁頂水平位移Δx和坑頂?shù)乇沓两郸貋砗饬浚瑘D5、圖6分別給出了其與錨索位置關(guān)系.

圖5 樁頂水平位移與錨索布置關(guān)系

圖6 坑頂?shù)乇碜畲蟪两蹬c錨索布置關(guān)系

由圖5可知，樁頂水平位移隨著第一排錨索與樁頂?shù)木嚯xh的增大而增大，與錨索間距d大小影響甚微，僅當(dāng)?shù)谝慌佩^索距離樁頂距離為1 m時(shí)，樁頂水平位移隨著錨索間距的增大而有稍許增大趨勢，且其增量值在工程中可以忽略不計(jì)，在實(shí)際工程中，錨索離樁頂太小會(huì)形成一定的施工難度和可操作性低的問題，因此一般不予考慮.同時(shí)，當(dāng)?shù)谝慌佩^索距樁頂分別為1 m、1.5 m、2 m和2.5 m時(shí)，樁頂位移分別為16.39 mm、21.46 mm、30.08 mm和40.31 mm，即第一排錨索每下移0.5 m，位移增加約10 mm；由此可見，樁頂水平位移主要由第一排錨索的位置來控制，也說明了第一排錨索預(yù)應(yīng)力大小對(duì)樁頂?shù)奈灰萍s束有著決定性的作用.因此，對(duì)于變形要求嚴(yán)格的工程，可通過調(diào)整第一排錨索位置及其預(yù)應(yīng)力大小來控制樁頂水平位移.

圖6給出了坑頂?shù)乇碜畲蟪两蹬c錨索布置關(guān)系.當(dāng)固定第一排錨索的位置，地表沉降值隨著錨索間距的減小而減小，錨索間距每減少0.25 m時(shí)，沉降約減少2～4 mm，沉降-錨索位置關(guān)系線表現(xiàn)為一直線，四條直線基本平行；同時(shí)，地表沉降值隨著第一排錨索的位置下移而增大，當(dāng)?shù)谝慌佩^索距樁頂小于2 m時(shí)，錨索總體每上移0.25 m，沉降減少約5 mm，而當(dāng)?shù)谝慌佩^索距樁頂大于2 m時(shí)，錨索總體每下移0.25 m，沉降增加約8 mm，增幅加大.

由上述分析可知，樁頂水平位移與坑頂沉降變化規(guī)律特征相似：第一排錨索位置較錨索間距對(duì)支護(hù)系統(tǒng)變形約束影響要大，尤其是樁頂水平位移，錨索間距對(duì)其影響甚微，造成這些特征是由于基坑支護(hù)系統(tǒng)變形通過第一排錨索預(yù)應(yīng)力的施加而得到有效控制，因此，對(duì)于周邊建筑物距離較近等對(duì)沉降要求嚴(yán)格的工程，應(yīng)盡量將錨索的整體位置上移.一般場地各土層通常具有上軟下硬特性，雖第一排錨索上調(diào)方案這種做法將會(huì)增長錨索長度，進(jìn)而增加工程造價(jià)，但可以通過增大錨索安裝傾角而得到有效緩解.

對(duì)于這種地質(zhì)條件差的工程，控制基坑變形尤為重要，為達(dá)到該目的，本項(xiàng)目使錨索整體位置偏上(h=1.5 m)，適當(dāng)增加錨索間距(d=2.5 m)，盡可能減少內(nèi)力值，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理.從本工程基坑開挖及運(yùn)營整個(gè)過程來看，此方案可行，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo).

4 結(jié)論

本文以實(shí)際工程為依托，以樁身內(nèi)力與基坑變形為考察指標(biāo)，開展樁錨基坑支護(hù)錨索位置優(yōu)化分析，以期為同類工程提供一定的參考與借鑒意義.通過分析，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)索間距一定時(shí)，基坑第一排錨索位置越靠近樁頂，樁頂水平位移與坑頂沉降值越小，而樁身彎矩和剪力則越大；

(2)第一排錨索位置一定時(shí)，隨著錨索間距的增加，樁身內(nèi)力越小，而坑頂沉降則越大，樁頂水平位移則影響甚微；

(3)與錨索間距因素相比，第一排錨索位置對(duì)樁身內(nèi)力和基坑變形的影響更為顯著；

(4)樁身內(nèi)力在一定范圍內(nèi)與第一排錨索位置和錨索間距兩個(gè)參數(shù)成比例關(guān)系；隨著第一排錨索遠(yuǎn)離樁頂，錨索間距的變化對(duì)內(nèi)力值影響越來減小，甚至出現(xiàn)負(fù)影響的情況.在實(shí)際工程中，應(yīng)避免將錨索總體位置設(shè)置偏下，且不宜將錨索間距調(diào)得過大；

(5)工程中，可通過調(diào)高第一排錨索位置以約束基坑變形，可適當(dāng)加大錨索間距以減小樁身內(nèi)力，以此達(dá)到基坑安全經(jīng)濟(jì)實(shí)用的目的.