噴錨技術(shù)在深基坑工程中的應(yīng)用及位移分析

郭學(xué)達(dá)，于清楊，孫 晶

(1.吉林大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長春 130021;2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津 300222)

1 噴錨支護(hù)結(jié)構(gòu)

噴錨支護(hù)是噴射混凝土、各類錨桿(管、索、栓)和鋼筋網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)的簡稱。由于其安全可靠、操作靈活、造價(jià)低，特別適用于小場地、深基坑情況下施工，近年來越來越多地應(yīng)用于深基坑邊坡支護(hù)工程并且取得了良好的效果。本文結(jié)合一個(gè)深度約7.5 m的住宅樓基坑工程，采用數(shù)值模擬分析方法對噴錨支護(hù)邊坡位移進(jìn)行模擬驗(yàn)算及定量分析。

錨桿(索)、鋼筋網(wǎng)、混凝土噴面共同組成噴錨支護(hù)結(jié)構(gòu)。噴射混凝土在高壓空氣作用下，高速噴向土層表面，先期骨料嵌入表土層內(nèi)，并為后繼料流所充填包裹，在噴層與土層間產(chǎn)生“嵌固層效應(yīng)”，并隨開挖逐步形成全封閉支護(hù)系統(tǒng)。噴層與嵌固層共同具有保護(hù)和加固表土層，使之避免風(fēng)化和雨水沖刷、淺層坍塌、局部剝落以及隔水防滲等作用。錨桿(索、管等)的錨固段深固于滑移面之外的土體內(nèi)部，其外錨固端同噴網(wǎng)聯(lián)為一體，可把邊壁不穩(wěn)定體“危機(jī)”轉(zhuǎn)移到內(nèi)錨固段及其附近并消除于無形。鋼筋網(wǎng)可使噴層具有更好的整體性和柔性，能有效地調(diào)控噴層與錨桿內(nèi)應(yīng)力分布。

常見的放坡與噴錨相結(jié)合的噴錨支護(hù)結(jié)構(gòu)，其示意如圖1。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

圖1 噴錨支護(hù)結(jié)構(gòu)

某商業(yè)—住宅樓基坑深度約7.5 m，電梯井深度為9.5 m。基坑西側(cè)邊坡外有一排二層樓房，距擬建建筑物西側(cè)基礎(chǔ)邊線為5.5 m，條形基礎(chǔ)埋深1.2 m，場地條件不具備天然放坡的條件。同時(shí)需限定基坑開挖后邊坡水平位移與建筑物垂直位移，因而基坑西側(cè)邊坡采用放坡與噴錨相結(jié)合進(jìn)行支護(hù)。基坑西側(cè)邊坡土層:①雜填土，厚度約1.5 m，重度為1 800 kN/m3，黏聚力為18 kPa，內(nèi)摩擦角為15°;②粉土，厚度約4.0 m，重度為1 960 kN/m3，黏聚力為 12 kPa，內(nèi)摩擦角為23°;③黏性土，厚度約 6.0 m，重度為1 980 kN/m3，黏聚力為22.5 kPa，內(nèi)摩擦角為11°。地下水位埋深為6.0 m，類型為潛水。

2.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基坑西側(cè)邊坡采用放坡與噴錨相結(jié)合進(jìn)行支護(hù)。坡度系數(shù)為1∶0.3，共布置4道錨桿，錨桿施工參數(shù)見表1。坡面鋼筋網(wǎng)為φ8@200 mm×200 mm，圍檁采用1根［18a槽鋼。基坑開挖前進(jìn)行了降水處理。

2.3 位移監(jiān)測

該邊坡支護(hù)在20 d內(nèi)完成，支護(hù)效果較好。

觀測點(diǎn)分別設(shè)在邊坡坡頂(間隔20 m)及相鄰建筑物墻角處。從基坑開挖至基坑邊坡支護(hù)工程完工后，累計(jì)最大水平位移為8.0 mm;基坑西側(cè)二層樓房累計(jì)最大沉降量為1.8 mm。邊坡水平位移在第四道錨桿(索)張拉鎖定后趨于穩(wěn)定。邊坡支護(hù)工程結(jié)束后繼續(xù)監(jiān)測，在隨后的10 d內(nèi)邊坡位移均無出現(xiàn)較大增量。

表1 錨桿施工參數(shù)

3 噴錨支護(hù)邊坡位移分析

3.1 計(jì)算模型

數(shù)值模擬分析不僅可以模擬開挖支護(hù)全過程，而且還可以得到基坑邊坡土體的位移場值、應(yīng)力場、支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力以及各節(jié)點(diǎn)的位移。因此，在這里選取數(shù)值模擬方法進(jìn)行位移穩(wěn)定性分析。

由于最大位移量出現(xiàn)在基坑西側(cè)，所以這里只模擬基坑西側(cè)邊坡開挖與支護(hù)過程。為了保證計(jì)算速度和足夠的計(jì)算精度，整體模型共4 485個(gè)單元，5 760個(gè)節(jié)點(diǎn);本構(gòu)模型采用經(jīng)典的庫侖摩爾模型;基坑采用空模型模擬開挖;基坑支護(hù)采用錨索單元與殼單元。西側(cè)二層樓房荷載值按30 kPa考慮，靠近基坑邊坡部分超載按15 kPa施加于地面。基坑開挖前初始模型與基坑挖至槽底及加入支護(hù)結(jié)構(gòu)單元的模型分別見圖2和圖3。

圖2 基坑初始模型

圖3 基坑模型及結(jié)構(gòu)單元

3.2 位移計(jì)算結(jié)果及分析

計(jì)算中對模型中6個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移進(jìn)行了記錄。節(jié)點(diǎn)的位置分別對應(yīng)于基坑邊坡監(jiān)測點(diǎn):坡頂位置設(shè)置了3個(gè)水平位移監(jiān)測點(diǎn)，由于選取模型關(guān)系，監(jiān)測點(diǎn)間隔0.8 m;在二層樓位置也設(shè)置了3個(gè)垂直位移監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測點(diǎn)間隔0.8 m。數(shù)值模擬過程與實(shí)際施工開挖步驟相同，即開挖深度分別為2.0 m，3.6 m，5.2 m和6.8 m，掛網(wǎng)噴混凝土、錨索張拉并鎖定分別對應(yīng)于1，2，3，4 號工況。

3.2.1 邊坡坡頂水平位移分析

邊坡坡頂水平位移數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)見圖4。

圖4 邊坡坡頂記錄點(diǎn)位移隨工況變化曲線

1)從圖4還可以看出，隨著基坑開挖的進(jìn)行，邊坡坡頂水平位移逐漸變大，同實(shí)際監(jiān)測的位移曲線形狀相似。其中最大水平位移出現(xiàn)在工況4(即挖至槽底)，最大模擬水平位移值為11.9 mm，實(shí)測最大水平位移值為8.0 mm。

2)從數(shù)值模擬的位移值看，3個(gè)點(diǎn)的位移值沒有太大的差異，基本相等。

3)從圖4可以看出，隨著開挖深度的增加，邊坡坡頂水平位移值持續(xù)增加，這與一般規(guī)律相符。

3.2.2 西側(cè)建筑物沉降位移分析

對西側(cè)建筑物選取3個(gè)沉降點(diǎn)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，其位移值與實(shí)測位移值見圖5。

1)從圖5可以看出，工況1、2、3對于建筑物的沉降位移并沒有太大的影響，其垂直沉降位移一直保持在1 mm左右，隨著開挖深度的增加，挖至槽底即工況4時(shí)，位移出現(xiàn)較大的增加，最大位移為2.9 mm，實(shí)測位移為1.8 mm。

2)圖中數(shù)據(jù)顯示，開始開挖時(shí)沉降點(diǎn)出現(xiàn)了向上的位移，數(shù)值為0.3 mm。原因可能為基坑開挖，邊坡臨空面附近水平應(yīng)力為零，引起相鄰建筑物相互擠壓造成向上的位移。3個(gè)點(diǎn)的數(shù)值模擬沉降計(jì)算值基本相等。

圖5 建筑物記錄點(diǎn)沉降位移隨工況變化曲線

3)從圖5還可以看出，沉降記錄點(diǎn)的位移隨著開挖深度的增加而持續(xù)增加。基坑深度的增加直接導(dǎo)致相鄰建筑物的沉降值的增加，造成建筑物的不均勻沉降，這對基坑支護(hù)的安全穩(wěn)定性提出了更高的要求。

4 結(jié)論

將模擬結(jié)果與工程實(shí)測結(jié)果對比，得出如下結(jié)論:

1)噴錨支護(hù)的邊坡水平位移小，為開挖深度的0.11%，穩(wěn)定性較好。噴錨支護(hù)結(jié)構(gòu)主動(dòng)支護(hù)土體，并與土體共同工作。鋼筋網(wǎng)噴層具有較好的整體性與柔性，可以有效地調(diào)整錨桿與噴層內(nèi)的應(yīng)力分布。

2)基坑外圍相鄰建筑物最大沉降值為1.8 mm。對于基坑周圍存在重要建筑物，工程進(jìn)行不僅要保持本身的穩(wěn)定性，更不能對相鄰建筑物造成影響或破壞，在這種情況下噴錨支護(hù)結(jié)構(gòu)可以滿足該要求。

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