樁錨直徑等對(duì)水泥土樁錨墻支護(hù)影響

馬海龍，唐志軍，石敦敦

（1.浙江理工大學(xué) 巖土工程研究所，杭州 310018；2.常熟市城市經(jīng)營(yíng)投資有限公司，江蘇 常熟 215500）

1 引 言

水泥土樁主要應(yīng)用于飽和軟黏土地基加固中，在地基土中形成豎向增強(qiáng)體，由于水泥土的壓縮模量比較小，因此，被歸類(lèi)為柔性樁范疇。

形成豎向增強(qiáng)體的水泥土樁用做基坑的獨(dú)立支護(hù)時(shí)，多以重力式擋墻形式出現(xiàn)，因此，在軟土中的支護(hù)深度應(yīng)在6 m 左右，由于擋墻厚度與開(kāi)挖深度呈正比，開(kāi)挖深度增加，水泥土墻體厚度也增加，支護(hù)成本增加。另外由于水泥土樁墻為懸臂支護(hù)結(jié)構(gòu)，隨著支護(hù)深度的增大，樁頂位移也隨著增大。因此，當(dāng)軟土中的基坑開(kāi)挖深度超過(guò)6.0 m 時(shí)，基本上就不采用單一的豎向水泥土樁墻支護(hù)了。

傳統(tǒng)的深基坑支護(hù)方法，多采用鉆孔灌注樁、地下連續(xù)墻等加內(nèi)支撐或拉錨[1－3]構(gòu)成，對(duì)這類(lèi)支護(hù)的應(yīng)用計(jì)算分析以及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)研究[3－5]比較成熟，它們是一種被動(dòng)擋土的支護(hù)方式。由于該類(lèi)支護(hù)結(jié)構(gòu)的截面尺寸有限，不能改善被支護(hù)土體的物理力學(xué)性質(zhì)，于是，有時(shí)還需要對(duì)基坑坑底的軟土進(jìn)行加固，改善坑底土的物理力學(xué)性質(zhì)，增加被動(dòng)土壓力。該類(lèi)支護(hù)方法成本較高。

本文研究的是一種新型的基坑支護(hù)方法，被稱(chēng)為水泥土樁錨墻支護(hù)體系[6－7]。該法的支護(hù)機(jī)制與傳統(tǒng)支護(hù)方法不同，從傳統(tǒng)的被動(dòng)擋土結(jié)構(gòu)改變?yōu)橹鲃?dòng)加固墻后土體，從而顯著改變被支護(hù)土體的力學(xué)性質(zhì)。該體系主要由水泥土形成，即由豎向水泥土增強(qiáng)體、水平向水泥土增強(qiáng)體構(gòu)成，其中豎向水泥土增強(qiáng)體稱(chēng)為水泥土樁墻，水平向水泥土增強(qiáng)體稱(chēng)為水泥土樁錨[7]。

基坑坑頂有放坡的水泥土樁錨墻支護(hù)體系見(jiàn) 圖1。

然而，據(jù)了解目前采用水泥土樁錨墻支護(hù)體系進(jìn)行基坑支護(hù)設(shè)計(jì)的案例很少，對(duì)水泥土樁錨墻支護(hù)體系作用機(jī)制研究的更少，現(xiàn)有文章多是一些工程實(shí)錄[8－9]，限制了該方法的推廣使用。尤其是作 為水平向增強(qiáng)體的水泥土樁錨，對(duì)基坑支護(hù)作用的影響機(jī)制和影響程度尚不清楚。

筆者在2008 年采用水泥土樁錨墻支護(hù)結(jié)構(gòu)體系，支護(hù)了飽和軟黏土中的7.5 m 深基坑（局部 8.5 m），在支護(hù)及開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)基坑進(jìn)行了變形和水泥土樁錨抗拔力等的監(jiān)測(cè)和測(cè)試[7]。

“絕知此事要躬行”，可以預(yù)見(jiàn)的是，在科技扶貧專(zhuān)家服務(wù)團(tuán)的支撐引領(lǐng)下，宜章的農(nóng)業(yè)一定會(huì)更強(qiáng)，農(nóng)村一定會(huì)更美，農(nóng)民一定會(huì)更富！

水泥土樁錨與傳統(tǒng)的錨桿有很大不同，傳統(tǒng)的錨桿采用鋼筋（鋼管）灌水泥砂漿形成，錨桿截面多在100 mm 以?xún)?nèi)[10]。橫向水泥土樁錨的直徑多在400 mm 以上，其作用已經(jīng)不是單純的抗拔功能了，還對(duì)墻后飽和軟黏土起到主動(dòng)加固、置換、加筋等作用，改善墻后土體力學(xué)性質(zhì)，減少主動(dòng)土壓力。

為了研究水平向水泥土樁錨在基坑支護(hù)中的作用，采用有限單元法對(duì)作為橫向增強(qiáng)體的水泥土樁錨長(zhǎng)度、直徑等進(jìn)行分析計(jì)算，獲得水泥土樁錨墻支護(hù)的定量研究成果。經(jīng)與工程實(shí)測(cè)對(duì)比，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值接近，且分布趨勢(shì)相同，對(duì)該類(lèi)支護(hù)方法有一定的指導(dǎo)和參考價(jià)值，以期推動(dòng)對(duì)該支護(hù)方法的使用。

2 計(jì)算條件及計(jì)算模型

2.1 計(jì)算條件

為了能夠使計(jì)算值與工程實(shí)測(cè)值對(duì)比，本文計(jì)算分析參數(shù)完全取自同一工程基坑[7]。該基坑開(kāi)挖深度為7.5 m，局部深度為8.5 m。土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

工程基坑在地面卸載1.5 m 深，剖面圖如圖1所示，從上到下共設(shè)3 道水平向樁錨，樁錨的水平間距為1.5 m，豎向水泥土樁墻墻頂在地面下1.5 m處，第1 道樁錨在水泥土樁墻墻頂下0.5 m，第2、3 道樁錨豎向間距為1.6 m，第3 道樁錨距離基坑底2.3 m，開(kāi)挖深度計(jì)為7.5 m。該工程樁錨墻支護(hù)剖面實(shí)例見(jiàn)圖2（該圖未開(kāi)挖到底時(shí)拍攝）。

2.2 基坑支護(hù)計(jì)算模型

土體采用雙曲硬化模型。土體硬化模型是可以模擬包括軟土和硬土在內(nèi)的不同類(lèi)型的土體行為的模型[11]。在主偏量加載下，土體的剛度下降，同時(shí)產(chǎn)生了不可逆的塑性應(yīng)變，軸向應(yīng)變與偏差應(yīng)力之間的關(guān)系可以很好地由雙曲線來(lái)逼近。

Kondner[12]最初闡述了這種關(guān)系，后來(lái)這種關(guān)系用在了著名的雙曲線模型中。目前土體硬化模型已經(jīng)取代了這種雙曲線模型。土體硬化模型使用的是塑性理論，而不是彈性理論，另外，它考慮了土體的剪脹性，并引入了屈服帽蓋準(zhǔn)則。計(jì)算的土體硬化模型參數(shù)見(jiàn)表2，其中切線剛度對(duì)應(yīng)于壓縮模量，割線剛度及卸載加載剛度按程序建議取值。

圖2 基坑支護(hù)剖面實(shí)例 Fig.2 The profile of retaining and protection of building foundation excavation

表2 土體硬化模型參數(shù) Table 2 The hardening parameter of soils

水泥土樁墻和水泥土樁錨采用彈塑性模型，由于水泥土樁墻、水泥土樁錨與被支護(hù)的土體性質(zhì)相近，在接觸面的地方相對(duì)位移較小，其接觸界面不做特殊處理。淤泥質(zhì)土的滲透性很弱，根據(jù)卸載加載時(shí)間，采用固結(jié)快剪指標(biāo)。

水泥土樁墻厚度為3.2 m，嵌入坑底深度為4.5 m，水泥土彈性模量取500 MPa[13]，水泥土重度取 20 kN/m3。基坑坑頂作用均布荷載15 kPa，作用范圍為坑頂25.0 m 以?xún)?nèi)。計(jì)算分析內(nèi)容見(jiàn)表3。

表3 計(jì)算內(nèi)容 Table 3 The calculation contents

3 計(jì)算分析

3.1 樁錨直徑的影響

計(jì)算條件是，水平向樁錨長(zhǎng)度為12.0 m，沿豎直向有水平向樁錨3 排，其中1#、2#、3#依次是自上而下第1、2、3 排樁錨。

3.1.1 樁錨直徑對(duì)墻頂水平位移的影響

圖3 是樁錨直徑對(duì)墻體最大水平位移的影響。樁錨直徑d 從100 mm 增加到300 mm 時(shí)，控制水平位移效果最顯著，以直徑600 mm 對(duì)應(yīng)的水平位移90 mm 為基準(zhǔn)，此范圍水平位移減少量達(dá)到77%，d 增大到400 mm 時(shí)，水平位移減少量為88%。當(dāng)d ＞400 mm 時(shí)，控制水平位移的效果就不顯著了。d=400 mm 時(shí)，就能獲得較好的控制水平位移效果。

圖3 樁錨直徑對(duì)墻頂水平位移的影響 Fig.3 The influence of anchor’s diameter on the wall's horizontal displacement

3.1.2 樁錨直徑對(duì)墻后土體沉降的影響

圖4是樁錨直徑對(duì)墻后土體沉降s 的影響。d 越大，墻后土體沉降越小。d 從100 mm增加到300 mm時(shí)，以d=600 mm 對(duì)應(yīng)的墻后土體沉降93 mm 為基準(zhǔn)，此范圍段的沉降減少量為74%，d 增大到 400 mm 時(shí)，沉降減少量為87%。當(dāng)d ＞400 mm 時(shí)，控制墻后土體沉降的效果就不顯著了。

圖4 樁錨直徑對(duì)墻后土體沉降的影響 Fig.4 The influence of anchor’s diameter on settlement of the soil mass behind the retaining wall

原因是，d＜200 mm 時(shí)，樁錨在飽和軟黏土中的置換、占位、加筋效果不明顯，墻后土體沉降較大。而當(dāng)d ＞300 mm 時(shí)，樁錨在飽和軟黏土中的置換、占位、加筋效果明顯，控制墻后土體沉降效果好。當(dāng)d ＞400 mm 以后，控制沉降的效果不隨直徑增大而呈正比增長(zhǎng)。

3.1.3 樁錨直徑對(duì)樁錨抗拔力的影響

圖5 是樁錨直徑對(duì)不同位置樁錨抗拔力F 的影響。雖然不同位置的樁錨直徑相同，但抗拔力相差很大，1#的抗拔力比2#、3#的大得多，2#又比3#的大。隨著樁錨直徑的增大，樁錨的抗拔力也在增大，但當(dāng)d ＞400 mm 時(shí)，樁錨的抗拔力的增長(zhǎng)幅度不大。從此看出，水泥土樁錨墻支護(hù)體系中，樁錨的作用已經(jīng)不是傳統(tǒng)意義上的抗拔功能了，而是在飽和軟黏土中根據(jù)樁錨直徑的大小，起到置換、占位、加筋的作用，從而控制墻頂水平位移和墻后土體沉降。

圖5 樁錨直徑對(duì)樁錨抗拔力的影響 Fig.5 The influence of anchor’s diameter on the anchor withdrawal resistance

3.1.4 樁錨直徑對(duì)樁墻墻身彎矩的影響

圖6 為樁錨直徑對(duì)樁墻墻身最大彎矩M 的影響。隨著樁錨直徑的增大，豎向水泥土墻身最大彎矩也在增加，當(dāng)d ＞400 mm 以后，樁錨直徑的增加對(duì)豎向水泥土墻身最大彎矩影響不大，穩(wěn)定在115 kN· m/m 左右。

圖6 樁錨直徑對(duì)樁墻墻身彎矩的影響 Fig.6 The influence of anchor’s diameter on the bending moment of wall

3.2 樁錨長(zhǎng)度的影響

計(jì)算條件是，d =400 mm，沿豎直向有水平向樁錨3 排，其中1#、2#、3#依次是自上而下第1、2、3 排樁錨。

3.2.1 樁錨長(zhǎng)度對(duì)墻頂水平位移的影響

圖7 是樁錨長(zhǎng)度l 對(duì)墻體最大水平位移的影響。樁錨長(zhǎng)度對(duì)控制墻體水平位移影響很大。從圖看出，隨著樁錨長(zhǎng)度增加，墻頂水平位移逐漸減小，在樁錨長(zhǎng)度9.0 m（1.2 倍基坑開(kāi)挖深度）以前，控制水平位移的效果較為顯著，即使在樁錨長(zhǎng)度9.0 m 以后，隨著樁錨長(zhǎng)度的增加，其控制水平位移的能力幾乎線性增大。因此，比較難找到1 個(gè)合理的控制水平位移的樁錨長(zhǎng)度。聯(lián)合其他因素，樁錨的合理長(zhǎng)度為12.0 m，為基坑開(kāi)挖深度的1.6 倍。

圖7 樁錨長(zhǎng)度對(duì)墻頂水平位移的影響 Fig.7 The influence of anchor’s length on the wall's horizontal displacement

3.2.2 樁錨長(zhǎng)度對(duì)墻后土體沉降的影響

圖8 為樁錨長(zhǎng)度對(duì)墻后土體沉降的影響。l 在6.0、7.5、9.0、12.0 m 這些區(qū)間，墻后10.0 m 范圍內(nèi)的土體沉降隨著l 的增加而均勻的減小。l 從 12.0 m 增加到13.5 m 時(shí)，墻后土體沉降分布幾乎與12.0 m 的重合。因此，從控制墻后土體沉降效果看，水平樁錨合理長(zhǎng)度為12.0 m。

圖8 樁錨長(zhǎng)度對(duì)墻后土體沉降的影響 Fig.8 The influence of anchor’s length on settlement of the soil mass behind the retaining wall

3.2.3 樁錨長(zhǎng)度對(duì)樁錨抗拔力的影響

圖9 為樁錨長(zhǎng)度對(duì)不同位置樁錨抗拔力的影響。當(dāng)l ＞7.5 m 以后，隨著樁錨長(zhǎng)度的增加，樁錨抗拔力增加卻不顯著。因此，水泥土樁錨墻支護(hù)體系中，不能按照樁錨長(zhǎng)度確定樁錨抗拔力。樁錨的抗拔力在此類(lèi)支護(hù)體系中的作用已經(jīng)弱化，原因是水泥土樁錨的置換、加筋、占位效果起了主導(dǎo)地位。

圖9 樁錨長(zhǎng)度對(duì)樁錨抗拔力的影響 Fig.9 The influence of anchor’s length on the anchor withdrawal resistance

3.2.4 樁錨長(zhǎng)度對(duì)樁墻墻身彎矩的影響

圖10 為樁錨長(zhǎng)度對(duì)樁墻墻身最大彎矩的影響，樁錨長(zhǎng)度對(duì)豎向水泥土墻身最大彎矩的影響分為3個(gè)階段。l 小于1.0 倍的基坑開(kāi)挖深度時(shí)，隨著樁錨長(zhǎng)度的增加，墻身彎矩增大。l 在1.0～1.4 倍開(kāi)挖深度階段，墻身最大彎矩基本維持不變。當(dāng) l 大于1.4 倍開(kāi)挖深度時(shí)，隨著樁錨直徑增加，豎向水泥土墻身彎矩減小。

圖10 樁錨長(zhǎng)度對(duì)樁墻墻身彎矩的影響 Fig.10 The influence of anchor’s length on the bending moment of wall

4 計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比

4.1 墻后土體沉降

圖11 是墻后土體沉降計(jì)算值和實(shí)測(cè)值的對(duì)比，實(shí)測(cè)值資料來(lái)源于文獻(xiàn)[7]。從圖的沉降大小到分布形態(tài)，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值較為吻合。

圖11 墻后土體沉降比較 Fig.11 Comparing between test and calculated settlement of the soil mass behind the retaining wall

4.2 水平樁錨抗拔力

圖12 是實(shí)測(cè)不同位置樁錨的抗拔力與時(shí)間的關(guān)系[7]，圖中1#、2#、3#分別是自上而下第1、2、3排樁錨。

由圖可以看出2 個(gè)特點(diǎn)，一是第1 排樁錨的抗拔力最大，第2、3 排樁錨分別遞減，這個(gè)規(guī)律同樣可以從圖5、9 中看到。二是抗拔力隨時(shí)間的關(guān)系，可以看出，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)（開(kāi)挖深度的加大），第1 排樁錨抗拔力增加很大，突出了第1 排樁錨的作用。由于第1 排樁錨的加筋、遮攔、置換等效應(yīng)，降低了以下各排樁錨的抗拔力發(fā)揮。

圖12 實(shí)測(cè)樁錨抗拔力 Fig.12 The measured anchor withdrawal resistance

根據(jù)文獻(xiàn)[7]施工時(shí)間與施工內(nèi)容對(duì)應(yīng)關(guān)系可知，55 d 時(shí)基坑已開(kāi)挖至坑底標(biāo)高。圖12 實(shí)測(cè)樁錨抗拔力分2 個(gè)階段，以55 d 為分界線，55 d 前，是基坑開(kāi)挖到坑底階段，55 d 后，是地下結(jié)構(gòu)部分施工階段。55 d 對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)值，應(yīng)是基坑開(kāi)挖到底的樁錨抗拔力。表4 是計(jì)算樁錨抗拔力、55 d 實(shí)測(cè)樁錨抗拔力對(duì)比，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值幾乎一致。

5 結(jié) 論

（1）樁錨直徑達(dá)到400 mm 時(shí)，樁錨在飽和軟黏土中的置換、占位、加筋效果明顯，控制墻頂水平位移、減小墻后土體沉降效果顯著。

表4 計(jì)算抗拔力與實(shí)測(cè)抗拔力 Table 4 The calculated and measured withdrawal resistance

（2）樁錨長(zhǎng)度達(dá)到1.6 倍的基坑開(kāi)挖深度時(shí)，能有效控制墻頂水平位移以及墻后土體沉降。樁錨長(zhǎng)度超過(guò)1.6 倍的基坑開(kāi)挖深度，控制墻后土體沉降效果不再明顯。

（3）樁錨直徑大于400 mm 時(shí)，樁錨的抗拔力的增長(zhǎng)幅度不大。從上至下，第1 排樁錨的抗拔力最大，向下逐排遞減。另外，隨著基坑開(kāi)挖深度增加，第1 排樁錨的抗拔力增加顯著。因此，要重視第1 排樁錨的施工質(zhì)量。

（4）計(jì)算與實(shí)測(cè)沉降值接近，墻后沉降的分布形態(tài)接近。3 排樁錨的計(jì)算的樁錨抗拔力與實(shí)測(cè)樁錨抗拔力接近。

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