某工程深基坑支護(hù)中預(yù)應(yīng)力錨桿復(fù)合土釘墻支護(hù)體系性能分析研究

火高德，黃 瑞，張 鑫，潘有旺

（1.甘肅第六建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，甘肅 蘭州 730046；2.甘肅省建筑科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730070 ）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市建設(shè)用地規(guī)模不斷增大，為了提高土體利用率，高層及超高層建筑在城市當(dāng)中大量的被建造。為了使高層建筑達(dá)到使用功能、受力性能及節(jié)約用地的目的，高層建筑的地下部分越來(lái)越被地產(chǎn)開(kāi)發(fā)商所重視，其已經(jīng)成為高層建筑不可缺少的組成部分。隨著汽車(chē)的普及，在一些城市出現(xiàn)了停車(chē)位緊張，停車(chē)費(fèi)昂貴的現(xiàn)象，由此，地下停車(chē)空間開(kāi)始進(jìn)入人們的視野。修建在廣場(chǎng)的地下停車(chē)場(chǎng)、大型的地下商業(yè)街等地下建筑物屢見(jiàn)不鮮。歐洲的有些城市，修建在地下的污水處理廠(chǎng)節(jié)約了大量的土地的同時(shí)，也節(jié)約了資源；在國(guó)內(nèi)，有些城市提出了在城市的地下修建大型蓄水池的思想，在多雨的季節(jié)將雨水儲(chǔ)存并凈化，在干旱的季節(jié)里將儲(chǔ)蓄的雨水提到地表，作為城市的綠化用水。為了修筑地下建構(gòu)筑物，人們不得不投入大量的資金去開(kāi)挖基坑以及隧道。為了滿(mǎn)足人們的生活及生產(chǎn)需求，基坑及隧道尺寸也向著“大、深”發(fā)展，其數(shù)量也日趨增多。對(duì)于大型的基坑工程，明挖法施工具有出土方便，施工速度快的特點(diǎn)，被人們廣泛使用。但同時(shí)也存在著許多工程實(shí)際問(wèn)題，有些基坑支護(hù)過(guò)于保守，浪費(fèi)了大量的資源；有些基坑支護(hù)偏于危險(xiǎn)，導(dǎo)致基坑周?chē)?gòu)筑物產(chǎn)生過(guò)大的位移，甚至基坑失穩(wěn)。

基坑支護(hù)最簡(jiǎn)便的是放坡法，放坡法具有經(jīng)濟(jì)方便的優(yōu)點(diǎn)；但是，在城市當(dāng)中，地表及地下的建構(gòu)筑物密度往往較大，基坑工程所處的工程環(huán)境因此而比較復(fù)雜，采用放坡開(kāi)挖的方法顯然是不可行的。因而不得不減小放坡開(kāi)挖的坡度，由此基坑開(kāi)挖中各種各樣的支護(hù)體系便應(yīng)運(yùn)而生。針對(duì)不同基坑的特點(diǎn)，選用相應(yīng)的支護(hù)形式。越來(lái)越多的基坑工程表現(xiàn)出開(kāi)挖深度深、土層條件復(fù)雜多變、受地下水影響嚴(yán)重、擬開(kāi)挖基坑周邊建筑物密集、基坑可施工時(shí)間短以及事故易發(fā)等特點(diǎn)。于此同時(shí)，時(shí)空效應(yīng)對(duì)基坑開(kāi)挖的影響也應(yīng)被考慮，基坑工程的復(fù)雜性可見(jiàn)一斑［1］。面對(duì)地層條件復(fù)雜多樣、基坑周邊環(huán)境嚴(yán)峻、具有“大、深”特點(diǎn)的特殊基坑工程，大量的新型支護(hù)技術(shù)不斷創(chuàng)新并得到了廣泛的研究及應(yīng)用。基坑支護(hù)是基坑施工過(guò)程中的最重要的部分，尤其是自 21 世紀(jì)以來(lái)，深基坑支護(hù)問(wèn)題引起了建筑工程界廣泛而深入的研究討論。對(duì)于高層建筑的基礎(chǔ)施工，得出這樣的一個(gè)結(jié)論“兩個(gè)三分之一”，即基礎(chǔ)施工約占建筑物造價(jià)的1/3，建筑物施工工期的1/3被基礎(chǔ)施工所占用。而基坑作為一個(gè)臨時(shí)性構(gòu)筑物，如何快速、經(jīng)濟(jì)地施作是在高層建筑建造過(guò)程中亟待解決的問(wèn)題。

土釘墻支護(hù)［2］是一種年輕的新型支護(hù)形式，其主要組成部分為鋼質(zhì)釘材、配有鋼筋網(wǎng)片的噴射混凝土面層，土釘影響范圍內(nèi)的土體。土釘墻支護(hù)下的土體本身具有自穩(wěn)能力，若坡頂具有外加荷載或坡體中有水壓力時(shí)仍然能夠保持邊坡及基坑的穩(wěn)定性。土釘墻支護(hù)在結(jié)構(gòu)施工速度快、經(jīng)濟(jì)性能好的同時(shí)，能夠保證邊坡支護(hù)的可靠度，因此迅速在我國(guó)大面積地使用。在土釘墻支護(hù)設(shè)計(jì)過(guò)程中，土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)的釘長(zhǎng)、截面積及間距等參數(shù)與被支護(hù)坡體的土體特性、施工區(qū)域地下水賦存狀態(tài)、支護(hù)坡面的角度、基坑周邊地下及地表建（構(gòu)）筑物環(huán)境、坡體的設(shè)計(jì)使用年限以及坡體的用途等因素有關(guān)。

1 工程概況

工程位于蘭州市安寧區(qū)，基坑整體深度9.0 ～9.6 m，土層分布較均勻。基坑開(kāi)挖深度大，且基坑周?chē)扔薪ㄖ镙^多，場(chǎng)地不具備完全的放坡基坑開(kāi)挖的條件。因此選擇預(yù)應(yīng)力錨桿土釘結(jié)構(gòu)在基坑的開(kāi)挖過(guò)程中進(jìn)行支護(hù)。在基坑開(kāi)挖及支護(hù)范圍內(nèi)，由上至下土層分布依次為雜填土、黃土狀粉土、卵石層，在卵石層的底部分布有泥巖。

各層土體巖性特征如下所述。

1）雜填土。松散，稍濕，主要由建筑垃圾、磚塊、水泥地坪、三七灰土等組成，黃土狀粉土填充其中。該層厚 0.40～2.30 m，場(chǎng)地內(nèi)均有分布。

2）黃土狀粉土。灰黃、褐黃色，可塑，松散～稍密，稍濕～濕，中等～高壓縮性，上部含植物根系。主要以粉粒為主，巖芯呈散狀，層頂埋深 0.40～2.30 m，層頂標(biāo)高 1 539.60～1 544.70 m，層厚 5.50～11.70 m，場(chǎng)地內(nèi)均有分布。

3）卵石。中密，濕，顆粒相互交錯(cuò)排列，磨圓度較好，呈圓形～亞圓形，顆粒直徑一般為 20～50 mm，最大粒徑為 20 0 m m，粒徑大于 20 m m 的含量占57.8 %～62.7 %，2～20 mm 的含量占 19.5 %～29.6 %，顆粒間由中粗砂充填。局部夾有中粗砂細(xì)砂薄層或透鏡體。鉆進(jìn)較困難，層頂埋深 6.30～11.70 m，層頂標(biāo)高 1 528.50～1 535.60 m，層厚 4.00～9.70 m，場(chǎng)地內(nèi)均有分布。

該場(chǎng)地范圍內(nèi)有地下水，地下水位埋深 7.80～12.80 m，地下水類(lèi)型為孔隙潛水，主要含水層為卵石層，年水位變幅±1.0～3.5 m 左右，滲透系數(shù)大于 30.0 m/d。

2 試驗(yàn)方案

選取該工程基坑作為本課題現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的試驗(yàn)場(chǎng)地。根據(jù)本課題的研究需要，在施工現(xiàn)場(chǎng)選取兩地質(zhì)剖面進(jìn)行坡體水平位移及坡頂豎向沉降的研究分析。

具體剖面的支護(hù)形式如圖1～2 所示，圖1 所示剖面為只有一道預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)的邊坡剖面，圖2 所示剖面為施作兩道預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)的邊坡剖面。兩剖面的地層條件相差不大，兩剖面所處位置處坡頂在施工過(guò)程中均不存在堆載及車(chē)輛荷載施加，圖2 所示剖面所在位置附近存在對(duì)位移控制要求較為嚴(yán)格的居民樓，因此，兩剖面較為符合本課題的研究需要。

3 試驗(yàn)操作及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

圖1 單道預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)剖面（單位：mm）

本課題在研究過(guò)程中主要對(duì)基坑坡體的水平位移及基坑頂部的豎向位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)。水平位移監(jiān)測(cè)（見(jiàn)圖3）是通過(guò)埋設(shè)在基坑上口線(xiàn)位置的測(cè)斜管實(shí)施的，監(jiān)測(cè)過(guò)程中嚴(yán)格按照儀器操作說(shuō)明的要求進(jìn)行使用，能夠有效地減小人為的誤差。豎向位移（見(jiàn)圖4）是通過(guò)打設(shè)在基坑附近的豎向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，再輔以水準(zhǔn)儀進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。由于基坑開(kāi)挖較淺，故測(cè)點(diǎn)布設(shè)較少，在監(jiān)測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)較遠(yuǎn)測(cè)點(diǎn)位置位移基本為零（人為測(cè)量誤差范圍內(nèi)），后僅對(duì)距離基坑較近監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)。

監(jiān)測(cè)采用隔天一測(cè)的方式進(jìn)行，在開(kāi)挖基坑底部土體過(guò)程中采用一天一測(cè)的方式進(jìn)行。由于基坑坡比為 1∶0.3，在基坑尚未開(kāi)挖之前，放點(diǎn)結(jié)束以后，在距離基坑上口線(xiàn) 0.3 m 的位置布設(shè)側(cè)斜管，基坑開(kāi)挖深度為 10 m，且基坑底部以下為卵石，測(cè)斜管埋置深度為 15 m，基本能夠保證測(cè)斜管端部處于穩(wěn)定巖層中作為位移測(cè)量的零點(diǎn)控制端。在基坑開(kāi)挖之前測(cè)斜管即被埋入土體當(dāng)中。測(cè)斜管周邊先用細(xì)砂緩慢填充密實(shí)的同時(shí)，在管內(nèi)灌入適量水，防止測(cè)斜孔成孔過(guò)程中的泥漿滲入測(cè)斜管內(nèi)堵塞測(cè)斜管，提高測(cè)斜管成活率。等到測(cè)斜管與側(cè)斜孔之間縫隙內(nèi)的土體填充密實(shí)后，在基坑開(kāi)挖之前對(duì)測(cè)斜管進(jìn)行首次測(cè)量，作為測(cè)斜管工作之前的初始數(shù)據(jù)備用。

沉降監(jiān)測(cè)基本操作步驟同上，首先建立控制點(diǎn)，之后以控制點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量，初次測(cè)量值作為初始數(shù)據(jù)。本課題使用的沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置距基坑上口線(xiàn)的距離為 3 m。

圖3 水平位移測(cè)斜管

圖4 沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)

4 試驗(yàn)規(guī)律分析

由于測(cè)斜持續(xù)周期較長(zhǎng)，數(shù)據(jù)繁多復(fù)雜，只對(duì)每次基坑開(kāi)挖完畢后，基坑水平位移監(jiān)測(cè)穩(wěn)定后的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，以期為蘭州類(lèi)似的基坑工程提供技術(shù)參考。兩剖面水平位移監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5～6 所示。

圖5 兩道錨桿基坑水平位移

圖6 單道錨桿基坑水平位移

圖5 及圖6 為 2 剖面在各個(gè)階段使用測(cè)斜管測(cè)得的水平位移量數(shù)據(jù)。由數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，只有一道預(yù)應(yīng)力錨桿的坡頂水平位移約為兩道預(yù)應(yīng)力錨桿水平位移的 2 倍。當(dāng)使用兩道預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)坡面位移曲線(xiàn)較一道預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)位移穩(wěn)定。而在第二道預(yù)應(yīng)力錨桿施加位置處基坑坡面的位移表現(xiàn)出明顯的約束效果。除坡頂以外的最大水平位移均出現(xiàn)在黃土狀粉土層的中間偏下位置。由此可以推測(cè)，在卵石層與黃土狀粉土層交界的位置，由于交界面的存在，能夠?qū)ν馏w的水平位移提供一定的約束作用。

5 結(jié)論

圖7為基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置處沉降位移-時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)。由圖7 可知，基坑頂部沉降量隨著基坑開(kāi)挖深度的增加而增加，若基坑保持在某一深度時(shí)，坑頂沉降不會(huì)發(fā)生較大突變。在基坑的開(kāi)挖工程中，使用兩排預(yù)應(yīng)力錨桿進(jìn)行基坑的支護(hù)，可以有效地控制基坑頂部土體的豎向沉降量。

圖7 基坑監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置處沉降位移-時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)

使用兩排預(yù)應(yīng)力錨桿與土釘復(fù)合能夠有效地控制坡體位移。在基坑支護(hù)設(shè)計(jì)過(guò)程中，可根據(jù)基坑位移的控制要求選用相應(yīng)的支護(hù)形式對(duì)基坑進(jìn)行支護(hù)。土釘相對(duì)于預(yù)應(yīng)力錨桿具有工藝簡(jiǎn)單、施工速度快的優(yōu)點(diǎn)。選用土釘作為支護(hù)單元可以有效地縮短工期，有效減少資金投入，減小時(shí)空效應(yīng)對(duì)基坑開(kāi)挖帶來(lái)的不利影響。

6 結(jié)語(yǔ)

在本課題的研究中，預(yù)應(yīng)力錨桿施加位置均來(lái)自于實(shí)際工程，其對(duì)基坑位移控制的效果僅通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)來(lái)反映，沒(méi)有對(duì)其位移機(jī)理進(jìn)行深入系統(tǒng)的分析研究，且預(yù)應(yīng)力錨桿施加位置對(duì)位移控制的效果在本文中尚沒(méi)有進(jìn)行研究。數(shù)值模擬過(guò)程中，土體模型、土體參數(shù)與實(shí)際工程中的數(shù)據(jù)尚存在較大的問(wèn)題，需要廣大的巖土工作者一起努力，才能夠相對(duì)準(zhǔn)確地通過(guò)理論計(jì)算分析得出與施工現(xiàn)場(chǎng)相符合的數(shù)據(jù)。

預(yù)應(yīng)力錨桿軸力與土體位移相耦合的實(shí)測(cè)研究尚且存在較大的空白區(qū)，可以試驗(yàn)測(cè)得的土體參數(shù)為基準(zhǔn)，對(duì)土體模型進(jìn)行合理的優(yōu)化，將優(yōu)化后的模型通過(guò)數(shù)值模擬的方法進(jìn)行驗(yàn)證，以期通過(guò)數(shù)值模型較為準(zhǔn)確地指導(dǎo)設(shè)計(jì)、施工［3］。