樁錨支護結構在深厚砂層基坑中的應用分析

樂生煊，林禎杰，吳能森，莊鈴強

(福建農林大學 交通與土木工程學院，福建 福州 350002)

隨著地下基礎建設研究的不斷深入，SMW工法的出現對于沿海地區地下空間開發與利用起到了重要的作用，具有支擋、止水、成本低、地下空間利用率高的優點。單一打樁、噴錨等支護結構已無法滿足深大基坑的建設要求，采用樁錨聯合支護在深開挖基坑的變形位移控制上有更好的效果。錨索與SMW工法樁結合使用，充分發揮了錨索支護不影響坑內作業空間的優勢，利用錨索反拉支撐作用，有效減小樁身位移變形，技術與經濟優勢兼備。

對錨索與SMW工法樁聯合支護在軟土基坑中的應用研究已經取得了許多研究成果，如劉新榮等利用現場試驗與數值模型相結合的方法，分析了錨索預應力在一次張拉和分布張拉不同方案下支護結構的變化規律，研究表明采取分布張拉控制措施能有效提高圍護效果；樓春暉等針對某超長基坑工程實例，對圍護結構的變形進行系統分析，表明將錨索與SMW工法樁聯合支護應用于軟土基坑工程，限制變形效果良好；朱志鵬、吳斌等對不同地區軟土基坑工程，采用SMW工法樁+錨桿進行支護，通過有限元建模分析，結合監測數據的對比分析，均表明軟土基坑采用SMW工法樁與錨桿聯合支護，可以取得良好的技術經濟效果。可是，在以非軟土為主的深厚砂層基坑工程中，目前錨索與SMW工法樁聯合支護的研究較少。為此，依托福建濱海某深厚砂層深基坑工程，通過原位監測和軟件模擬相結合的方式，對錨索與SMW工法樁聯合支護結構的應用效果進行研究分析。

1 工程概況

該工程項目位于福建省福州市高新區安置房小區，主體為7幢27層框剪結構居民樓，擬建項目有兩層地下室，自然地面標高為-0.800 m，負一層地下室樓面標高為-5.500 m，負二層地下室的樓面標高為-9.700 m，地下室結構底面標高為-10.400 m，地下室總開挖面積約34 400 m。基坑北側、西南側均與道路相鄰，路基埋有地下管線，東南側為12層已建住宅小區，基坑安全等級為一級。

1.1 場地工程地質條件

根據勘察報告，場地土層自上而下分布如下：①粉質黏土，成分以粘粒及粉粒為主，強度與韌性較好，層厚為0.9～3.4 m；②中砂，成分以石英-長巖和石質結構為主，粒徑相對較大，場地分布普遍，且厚度大，層厚為12.1～20.6 m；③淤泥夾薄層細砂，成分以黏粒、粉粒為主，夾薄層粉細砂，層厚為1.65～6.8 m；④粉質黏土，成分以黏粒、粉粒為主，含少量的黏土和砂，坡積成因，層厚為1.70～4.90 m。場地中砂層中富存大量潛水，穩定水位埋深為3.40～3.90 m。各土層的物理力學指標如表1所示。

表1 土層物理力學指標

圖1 基坑典型支護斷面

1.2 基坑支護方案

考慮本工程場地中砂層分布范圍廣且厚度較大，可以為錨索提供足夠的錨固力，且場地周邊相對開闊，為給地下室結構施工提供充分的工作面，提高工效并節省基坑支護費用，擬采用預應力錨索配合SMW工法樁進行基坑支護。

SMW工法樁的直徑為800 mm，搭接200 mm，以“插二跳一”的方式布置H型鋼水泥攪拌樁。錨索采用可拆卸式預應力錨索，分別于標高1.74 m、2.45 m、2.9 m安裝三道預應力錨索，錨索預應力皆為130 kN，錨孔向下的傾斜角為25°，三道錨索的自由段長度自上至下分別為6 m、4 m、4 m，錨固段長度分別為15 m、12 m、12 m。為節省支護結構工程量，上部1.5 m做1∶1.0放坡，基坑的典型支護斷面如圖1所示。

2 建模分析

2.1 建模及開挖工況

越來越多專家學者通過有限元建模來解決大型深基坑開挖過程中遇到的各種情況，并在基坑工程領域取得了很大的成果。依據實際地質情況及開挖工序，通過有限元軟件建立三維模型可以對土體的水平位移、周邊的地表沉降、樁身的變形等情況進行仿真分析。

根據本工程實際情況，取長70m×寬12m×高50m建立基坑及支護的有限元模型。為簡化模型，假定樁錨支護構件為各向同性線彈性材料，依據等效剛度原理將SMW工法樁簡化為0.57 m厚的連續墻，采用板、梁、植入式桁架三種單元分別建立SMW工法樁與素噴混凝土面層、冠梁與鋼圍檁、錨索，坡頂施工荷載取20 kPa。基坑有限元模型如圖2所示。根據施工方案的數值模擬5個開挖工況如表2所示。

圖2 基坑有限元模型

表2 數值模擬開挖工況信息

2.2 計算結果分析

(1)土體水平位移。各工況土體水平位移云圖如圖3所示。從圖3可見，在工況二至工況四時，坑壁土體的最大水平位移均在坑頂處，但當基坑開挖到工況五后，坑壁中部土體水平位移最大，呈“鼓肚型”，土體水平位移峰值出現在基坑側壁6.1 m處，約為0.6倍開挖深度處，土體水平位移峰值為19.3 mm，小于允許限值30 mm。基坑開挖結束后，基坑水平位移峰值不再出現在坑頂，主要是由于樁錨支護結構有效限制了上部土體水平位移的發展。

圖3 各工況土體水平位移云圖

(2)地表沉降。各工況土體豎向位移云圖如圖4所示，周邊地表沉降如圖5所示。從圖4、圖5可見，周邊地表沉降總體呈現出“勺狀”趨勢，在距離基坑20 m處沉降量趨于平穩。當工程開挖至基坑底部時，地表沉降對周圍土體的影響范圍約為2倍開挖時深度，距離基坑邊緣4.8 m處，出現地表沉降最大值為5.7 mm。地表沉降主要是由開挖導致的，沉降會引起周邊管線道路、建筑物土層發生擾動，應加強監測。

(3)樁身水平位移。各工況樁身水平位移如圖6所示。從圖6可見，各工況樁身水平位移曲線介于直線和拋物線形之間。工況三和工況四分別在-5.3 m和-8.4 m處安裝預應力錨索和腰梁后，約束了開挖面處樁身水平位移，但受樁后土壓力的影響，樁頂處水平位移最大，分別為5.7 mm和10.3 mm，位移曲線特征與懸臂結構類似。工況五開挖至樁頂下9 m處，即開挖至基坑底部，此時在樁頂下6.1 m處的樁身水平位移最大，達19.3 mm，而最小位移仍處于樁底。

圖4 各工況土體豎向位移云圖

圖5 周邊地表沉降 圖6 各工況樁身水平位移

圖7 工況五錨索拉力

(4)錨索拉力。工況五的錨索拉力曲線如圖7所示。從圖7可見，錨索拉力曲線呈“駝峰”狀，自錨固端開始，錨索拉力先沿著軸向距離逐漸增大，在錨固端與自由端交接處出現峰值，然后又沿著錨索末端逐漸減小。三道錨索的拉力呈上小下大分布，但差距不大，拉力峰值均達到160kN以上，說明在深厚砂層基坑中，通過合理設置錨索錨固段長度和預應力大小，錨索能夠提供足夠的錨拉作用，進而有效地限制基坑和支護結構變形。

3 數值模擬與監測結果對比分析

本工程按規范開展深層土體水平位移(測斜)和錨索拉力監測：①利用CX-3C測斜儀，在基坑坡頂，沿著基坑逆時針走向每隔30～50 m埋設1根測斜管，整個基坑共布設26個測點；②利用CTY-202頻率儀，在基坑工程內部共埋設6個錨索計，對錨索拉力進行監測。監測預警值：深層土體水平位移(測斜)累計值小于40 mm，且變化速率小于2 mm/d；錨索拉力為70%承載力設計值。

基坑典型斷面的第一道錨索(錨索1)的拉力最大值與樁頂水平最大值的模擬結果與監測結果對比情況如表3所示。其中的相對誤差和絕對偏差以監測值為基準計算。由表3可見，無論是錨索拉力還是樁身水平位移，模擬值與監測值隨開挖工況的整體變化趨勢一致，且均在監測預警值范圍內；錨索1最大拉力相對誤差除工況二稍大外，其余工況均在±5%以內；各工況下樁身最大水平位移的模擬值與監測值的量級相同，絕對偏差基本控制在±3mm以內，其中工況五樁身水平位移最大值不足監測預警值一半，效果良好。

表3 模擬結果和監測數據對比

4 結語

通過對福建濱海某深厚砂層基坑工程數值模擬并結合工程監測分析，得到以下幾個結論：

(1)在深厚砂層的基坑工程中應用錨索與SMW工法樁組合支護結構，通過合理設置預應力錨索，能提供充足錨固力，可較好地滿足基坑穩定、變形以及止水等要求，具有施工便利、工期短、綜合成本低等技術和經濟優勢。

(2)在基坑開挖過程中，隨著錨索預應力的施加，坑壁土體和樁身的水平位移逐漸由“懸臂型”向“鼓肚型”發展，基坑開挖結束后其水平位移峰值約出現在0.6倍開挖深度處；基坑周邊的地表沉降曲線為“勺狀型”，地表沉降的影響范圍約為開挖深度的兩倍。

(3)錨索拉力曲線呈“駝峰”狀，在自由段和錨固段交接點處拉力最大。雖然三道錨索的拉力呈上小下大分布，但差距不大，拉力峰值均達到160 kN以上，錨索能夠提供足夠的錨拉作用，達到有效限制基坑和支護結構變形的效果。