錨索受力性能對(duì)深基坑安全性的影響

劉先文，韓建剛

(海南大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，海南 ?？?70228)

隨著城市化的發(fā)展，在限制區(qū)域內(nèi)對(duì)空間的需求逐漸擴(kuò)大，進(jìn)而對(duì)地下空間的發(fā)展就越顯急迫.但由于當(dāng)前對(duì)地下巖土工程的研究還不夠透徹，基坑工程的發(fā)展亦處于半理論半經(jīng)驗(yàn)的階段，因而使得深基坑樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)面臨著挑戰(zhàn).所以，在此發(fā)展現(xiàn)狀下，時(shí)有基坑倒塌事故的發(fā)生[1]，鑒此，有必要對(duì)深基坑樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力性能作進(jìn)一步的研究與分析.

關(guān)于深基坑樁錨支護(hù)體系的受力性能，張欽喜等人[2]的研究表明，錨索的拉力變大會(huì)使樁身剪力變小和彎矩變大，對(duì)此數(shù)值模擬能較好地反映其規(guī)律和特點(diǎn)；任君等人[3]的研究也表明，樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)具有其土壓力小于經(jīng)典土壓力的特點(diǎn)，所以有較大的優(yōu)化空間.考慮到深基坑樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計(jì)算很復(fù)雜[4]，因此本文采用PLAXIS數(shù)值分析軟件來(lái)模擬基坑開(kāi)挖的實(shí)際情況，以此反映基坑土壓力和樁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力情況.此外，藍(lán)文兵[5]的研究表明，水位變化對(duì)錨索受力的影響較大，但有關(guān)水位變化和樁錨受力對(duì)支護(hù)體系安全性影響的研究卻較少.因此， 本文利用數(shù)值模擬軟件PLAXIS對(duì)廣西南寧某深基坑倒塌案例進(jìn)行了模擬，并對(duì)該深基坑的中部錨索施加了不同大小的預(yù)應(yīng)力，研究了錨索受力性能和土壓力的分布規(guī)律；同時(shí)，考慮到了地下水位的因素，分析了樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)受力性能對(duì)深基坑安全性能的影響，為今后深基坑的錨索設(shè)計(jì)和施工提出了具有一定參考價(jià)值的結(jié)論和建議.

1 工程概況和地質(zhì)情況

該項(xiàng)目位于廣西省南寧市，基坑支護(hù)深度22.0 m，采用放坡與樁錨支護(hù)聯(lián)合模式，如圖1所示.其中，第一級(jí)放坡深度為2.0 m，冠梁頂面位于距坑頂2.0 m的位置，樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)有四排預(yù)應(yīng)力錨索，錨索水平間距為1.6 m，豎向間距為5.0 m，第一排錨索距離坑頂2.4 m，樁長(zhǎng)26.0 m，錨固長(zhǎng)度6.0 m，樁徑1.0 m，樁間距1.6 m.錨索的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1，M1～M4分別代表第一排到第四排的錨索(以下用M1～M4表示)，M1和M2為三股1×7直徑為15.2 mm的預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)，M3和M4為四股1×7直徑為15.2 mm的預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)(見(jiàn)表1).

表1 錨索設(shè)計(jì)參數(shù)表

該案例的土層主要由5.0 m填土、6.2 m強(qiáng)風(fēng)化泥巖、8.5 m強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖以及中風(fēng)化泥巖組成.根據(jù)參考文獻(xiàn)[6]，土層的具體參數(shù)信息見(jiàn)表2.該深基坑已發(fā)生長(zhǎng)約60 m寬約15 m的塌方事故，并造成了一定的社會(huì)影響.

表2 土體物理力學(xué)參數(shù)

2 錨索支點(diǎn)反力的計(jì)算

通過(guò)分析和總結(jié)大量支撐力和土壓力的工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，Terzaghi和Peck提出了主動(dòng)土壓力的計(jì)算簡(jiǎn)圖，如圖2所示[7-8]，在實(shí)際計(jì)算中：

(1)當(dāng)γavHe/cav>4時(shí)，用圖2(a)的土壓力分布模式來(lái)進(jìn)行計(jì)算，其中，Ka在[1-4cav/(γavHe)]和0.3中取最大值；

(2)當(dāng)γavHe/cav≤4時(shí)，用圖2(b)的土壓力分布模式來(lái)進(jìn)行計(jì)算.

其中，γav和cav分別為各層土按厚度加權(quán)的重度平均值和黏聚力平均值,替代原圖式中的γ和c；H為基坑深度，He為支護(hù)樁計(jì)算高度.

由表2計(jì)算得到，γav、cav和He的取值分別為20.355 kN/m3、69.809 kPa和20 m.本案例γavHe/cav5.832>4的，所以用圖2(a)來(lái)計(jì)算其土壓力，其中0.25He為5 m，水平土壓力σa為：

2.5 果園生草 提倡果園行間生草，通常以自然生草為主。每年4月初在果樹(shù)行間撒施尿素20 kg/畝，結(jié)合澆水，既增加了草的產(chǎn)量，又避免了草與樹(shù)爭(zhēng)肥。當(dāng)草長(zhǎng)到40 cm左右時(shí)及時(shí)收割，每年生長(zhǎng)季節(jié)用割草機(jī)割草3～4次，秋后用旋耕機(jī)全園深翻。自然生草連續(xù)進(jìn)行3年，可以提高土壤有機(jī)質(zhì)1%以上。

(1)樁頂h=2 m時(shí)，取σa=0；

(2)h=7～22 m時(shí)，取σa=γavHeKa；

其中：Ka=[1-4cav/(γavHe)]=0.314>0.3，取0.314.

(3)h=2～7 m時(shí)，σa在(1)、(2)所得的值中按線(xiàn)性插入，如圖3所示.

另外，案例中的2 m放坡部分按現(xiàn)行的國(guó)家行業(yè)規(guī)范《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》JGJ120—2012第3.4.8條所給公式計(jì)算，其附加豎向應(yīng)力σk，如圖3所示.

結(jié)合支撐荷載的1/2分擔(dān)法估算，根據(jù)圖2計(jì)算得到的σa以及圖3計(jì)算得到的σk進(jìn)行整理后，得到各錨索作用位置的支點(diǎn)反力FR，如表3所示.

表3 支點(diǎn)反力計(jì)算表

在表3得到的數(shù)據(jù)中，M2所承受的支點(diǎn)反力比M1所承受的支點(diǎn)反力要大，而在該案例中，M2的設(shè)計(jì)荷載要比M1的設(shè)計(jì)荷載小29.3%左右；同樣，李連祥等人[9]的研究表明，對(duì)于較淺的基坑，其支護(hù)結(jié)構(gòu)全長(zhǎng)范圍內(nèi)的土壓力增大，而對(duì)于深基坑，其淺層中層部位的土壓力增大，這也說(shuō)明了該案例中對(duì)于M2的設(shè)計(jì)荷載偏小了.

3 數(shù)值模型分析

圖4 數(shù)值模型及網(wǎng)格劃分

3.2 模型分析步驟具體計(jì)算步驟見(jiàn)表4，在激活每一排錨索的同時(shí)施加一定的預(yù)應(yīng)力，為了模擬實(shí)際基坑的受力性能，模型分析的控制值為錨索軸力的設(shè)計(jì)荷載.模型計(jì)算的錨索軸力如表5所示，該階段為地下水位(8 m)，且為M1到M4分別施加300 kN、200 kN、500 kN、500 kN預(yù)應(yīng)力時(shí)的結(jié)果.通過(guò)表5可知，所模擬的錨索軸力與設(shè)計(jì)荷載基本相近，此模型可以反映該基坑實(shí)際的受力性能.在此模型的基礎(chǔ)上控制水位變化和所施加的M2預(yù)應(yīng)力大小(M1、M3、M4的預(yù)應(yīng)力大小均保持不變)等參數(shù)，以此來(lái)分析支護(hù)結(jié)構(gòu)樁的頂位移和錨索的受力分布.

表4 模型計(jì)算步驟

表5 錨索軸力的對(duì)比表

4 模型結(jié)果的分析

4.1 樁頂位移的控制分析在3.2節(jié)模型的初始位置上，分別給M2施加200 kN、240 kN、280 kN、320 kN和360 kN的預(yù)應(yīng)力，并分別計(jì)算該支護(hù)結(jié)構(gòu)在地下水位8 m，6 m，4 m，2 m和0 m時(shí)的樁頂位移，如圖5所示.

從圖5中可以看到，隨著所施加的M2預(yù)應(yīng)力的增大，樁頂位移有相應(yīng)的減??；在確定施加預(yù)應(yīng)力大小的情況下，隨著水位的增加，樁頂位移有相應(yīng)增大，且在施加不同預(yù)應(yīng)力的情況下，增大的速率基本相同；在水位一定的情況下，隨著預(yù)應(yīng)力的增大，可以使樁頂位移相應(yīng)減小8.4%～10.7%.該結(jié)果表明，在M2的預(yù)應(yīng)力適當(dāng)增大的情況下，可以有效降低該支護(hù)結(jié)構(gòu)的樁頂位移.夏晉華等人[10]的研究同樣表明，預(yù)應(yīng)力錨桿對(duì)限制基坑坑壁的側(cè)移起著至關(guān)重要的作用.

4.2 錨索受力的變化分析圖6和圖7所示為對(duì)M2所施加的不同大小預(yù)應(yīng)力，且在保持對(duì)M1、M3、M4施加預(yù)應(yīng)力大小不變的情況下，分析了M1～M4在地下水位為0 m時(shí)(即樁頂位移最大時(shí))的軸力大小變化情況.

圖6的結(jié)果表明，在0 m水位下，隨著所施加的M2預(yù)應(yīng)力的增大，其本身的軸力亦隨之增大，且M1的軸力值隨之相對(duì)減小.圖7的結(jié)果表明，在0 m水位下，所施加的不同大小的M2預(yù)應(yīng)力對(duì)M3和M4的軸力影響較小，M1和M2的總體趨勢(shì)如圖8、圖9所示.

圖8的結(jié)果表明，隨著所施加的M2預(yù)應(yīng)力的增大，在其他錨索所施加預(yù)應(yīng)力保持不變的情況下，M2本身的軸力增大比較明顯，同時(shí)M1有較緩慢減小的趨勢(shì).通過(guò)圖8和圖9可以得到，在0 m水位下，M2的預(yù)應(yīng)力從200 kN增加到360 kN的過(guò)程中，可以使M1的軸力降低4.6%～5.6%.該結(jié)果表明，適當(dāng)提高M(jìn)2的設(shè)計(jì)荷載以符合水平土壓力的分布規(guī)律，可以使M1和M2在相同配筋的情況下受力更加合理，同時(shí)還可以提高基坑的安全性.

4.3 第一排錨索失效的影響在0 m地下水位的模型計(jì)算中，考慮到了水體上升可使土體抗剪能力降低和導(dǎo)致M1在支護(hù)結(jié)構(gòu)中失去作用的情況，并分析了其失效后對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響.在模型中將M1“凍結(jié)”后進(jìn)行數(shù)值分析，其支護(hù)結(jié)構(gòu)的樁頂位移如圖10所示.結(jié)果表明，M1失效后位移由原來(lái)40 mm左右的最大位移發(fā)展到了85 mm以上的位移，超過(guò)了基坑安全的預(yù)警值，可以發(fā)現(xiàn)該基坑已有倒塌跡象.因此，錨索失效與基坑倒塌具有直接聯(lián)系，同時(shí)也證明了錨索體系受力性能的合理性對(duì)基坑整體的安全性極其重要.

5 結(jié)論與建議

通過(guò)對(duì)廣西某倒塌深基坑樁錨支護(hù)體系的數(shù)值模擬分析可以得到以下結(jié)論：

(1)當(dāng)預(yù)應(yīng)力錨索的受力分布規(guī)律與土壓力分布包絡(luò)值的趨勢(shì)保持一致時(shí)，可有效降低支護(hù)結(jié)構(gòu)的樁頂位移，同時(shí)可以使相鄰錨索的受力更加合理，從而增強(qiáng)了整個(gè)樁錨支護(hù)體系的作用性能，以使得基坑的安全性得到提高.

(2)增加M2(第二排錨索)的預(yù)應(yīng)力后，可以使M1(第一排錨索)和M2的受力更加合理，并使基坑的安全性得到提高，從而可以有效預(yù)防基坑倒塌的發(fā)生.

通過(guò)對(duì)該基坑倒塌案例的分析，對(duì)于樁錨基坑支護(hù)體系的設(shè)計(jì)建議如下：

(1)在軟件計(jì)算結(jié)果中，錨索設(shè)計(jì)荷載應(yīng)符合土壓力的分布規(guī)律.

(2)考慮錨索預(yù)應(yīng)力存在損失的情況，故應(yīng)適當(dāng)提高錨索的預(yù)應(yīng)力，以保證其鎖定荷載在合理的范圍內(nèi).

(3)在深基坑及超深基坑中，在基坑彎矩較大的中上部區(qū)域，應(yīng)錨索軸力的安全設(shè)計(jì)值范圍.