無支撐前斜后直傾斜雙排樁支護(hù)監(jiān)測與分析*

余地華，田 野,2，張 濤，張松波，宋 志,2

(1.中建三局集團(tuán)有限公司工程總承包公司，湖北 武漢 430064； 2.湖北中建三局建筑工程技術(shù)有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430070)

0 引言

由于深基坑支護(hù)工程為臨時(shí)性工程，伴隨著基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜、支護(hù)費(fèi)用越來越高、支護(hù)對環(huán)境的影響越來越嚴(yán)重，基坑支護(hù)工程也帶來了巨大的資源浪費(fèi)和環(huán)境破壞。為此，減少基坑支護(hù)工程費(fèi)用的占比、提高基坑支護(hù)的綠色、節(jié)約化水平，提倡節(jié)約型新型無支撐或少支撐基坑支護(hù)技術(shù)意義重大。

近些年國內(nèi)進(jìn)行了軟土中無支撐支護(hù)技術(shù)的嘗試[1]，鄭剛等提出新型的傾斜樁支護(hù)方法，無需水平支撐，用適當(dāng)角度的傾斜單排樁代替豎直單排樁作為基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)，從而能夠在相同條件下減小排樁的變形與內(nèi)力[1-4]。

基坑工程中因地層的差異性及周邊環(huán)境的復(fù)雜性，導(dǎo)致很多支護(hù)結(jié)構(gòu)的工作機(jī)理存在不確定因素[5-6]。為研究“前斜后直”傾斜樁在基坑開挖過程中的變形特性及內(nèi)力狀態(tài)，本文以工程實(shí)例為基礎(chǔ)，通過設(shè)置斜測儀、鋼筋應(yīng)力計(jì)及應(yīng)變計(jì)，采用自動實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測支護(hù)樁結(jié)構(gòu)內(nèi)力、位移等參數(shù)，并采用有限元方法進(jìn)行數(shù)值分析，對比不同監(jiān)測方法以及計(jì)算值與監(jiān)測值間的差異，研究“前斜后直”雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形及受力特征，探討傾斜樁支護(hù)的設(shè)計(jì)方法，以期為傾斜樁基坑支護(hù)設(shè)計(jì)與施工提供一定的參考。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)條件

表1 地層巖土參數(shù)

1.2 基坑支護(hù)方案

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，基坑總體采用三面放坡及坡體加固，另一面采用前排傾斜樁+后排直樁的支護(hù)形式，本文主要針對“前斜后直”傾斜樁進(jìn)行分析研究，支護(hù)剖面如圖1所示。前排傾斜樁傾斜15°，直徑1m，間距1.5m，樁長30m；后排直樁直徑1m，間距1.5m，樁長30m。傾斜樁和直樁中心間距3m，樁頂均設(shè)置1.2m×0.9m的冠梁，并通過0.9m×0.9m的連梁連接。

圖1 基坑支護(hù)典型剖面

2 監(jiān)測內(nèi)容及方法

2.1 監(jiān)測內(nèi)容

依據(jù)監(jiān)測目標(biāo)及要求，確定本次監(jiān)測項(xiàng)目有：支護(hù)樁內(nèi)力、連梁內(nèi)力、深層水平位移。本次監(jiān)測針對特定斷面選擇兩幅共計(jì)4根支護(hù)樁。監(jiān)測前后樁水平位移、內(nèi)力與連梁內(nèi)力。所有監(jiān)測數(shù)據(jù)整合到同一個(gè)自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)內(nèi)，實(shí)時(shí)監(jiān)控基坑施工過程中支護(hù)樁內(nèi)力和支護(hù)結(jié)構(gòu)變形，為信息化施工提供數(shù)據(jù)支撐。

2.2 監(jiān)測方法

支護(hù)樁內(nèi)力監(jiān)測采用鋼筋計(jì)與應(yīng)變計(jì)對比分析監(jiān)測。采用鋼筋計(jì)監(jiān)測換算步驟較多，易產(chǎn)生較大的誤差，而應(yīng)變計(jì)施工干擾較大。為了能夠?qū)Ρ确治?，得出更加精確的支護(hù)樁內(nèi)力，采用兩者結(jié)合監(jiān)測，對比分析。在ZX-15幅支護(hù)樁中采用鋼筋計(jì)監(jiān)測支護(hù)樁內(nèi)力及位移，在ZX-12支護(hù)樁中采用應(yīng)變計(jì)監(jiān)測支護(hù)樁內(nèi)力及位移，對比分析兩種方法得到的監(jiān)測結(jié)果，連梁內(nèi)力采用鋼筋計(jì)監(jiān)測。

2.3 監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)

2.3.1監(jiān)測斷面布設(shè)及布點(diǎn)數(shù)量

遠(yuǎn)離基坑側(cè)的直樁在②2,③1，④2土層各布設(shè)2個(gè)監(jiān)測斷面，土層⑤布設(shè)1個(gè)監(jiān)測斷面，共計(jì)7個(gè)斷面，4根樁共計(jì)28個(gè)斷面。靠近基坑側(cè)的斜樁按4m斷面間距布設(shè)7個(gè)監(jiān)測斷面，4根樁共計(jì)28個(gè)斷面。監(jiān)測斷面設(shè)置埋深如表2所示，監(jiān)測點(diǎn)平面如圖2所示。

圖2 監(jiān)測點(diǎn)平面

表2 樁內(nèi)力監(jiān)測點(diǎn)埋深 m

2.3.2連梁內(nèi)力監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)

連梁內(nèi)力監(jiān)測均采用鋼筋計(jì)，每根連梁布設(shè)8個(gè)內(nèi)力監(jiān)測點(diǎn)，埋設(shè)在同一斷面上，兩幅共2根連梁，共計(jì)16個(gè)監(jiān)測點(diǎn)。監(jiān)測斷面監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)如圖3所示。

2.3.3深層水平位移監(jiān)測

測斜儀按1m間距埋入支護(hù)樁內(nèi)，每根樁共埋入30個(gè)測斜儀，兩幅共4根樁，總計(jì)埋入120個(gè)測點(diǎn)，如圖4所示。

圖4 支護(hù)結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測剖面

2.4 監(jiān)測設(shè)備安放

2.4.1鋼筋計(jì)布設(shè)

支護(hù)樁及連梁內(nèi)力通過鋼筋計(jì)進(jìn)行監(jiān)測。安裝埋設(shè)時(shí)，將鋼筋按要求的尺寸裁截，然后將鋼筋計(jì)對接或?qū)冈阡摻钌希⒈ＷC鋼筋計(jì)與鋼筋在同一軸線上，如圖5所示。鋼筋計(jì)直接布置在鋼筋籠的主筋上。安裝時(shí)應(yīng)注意盡可能使鋼筋計(jì)處于不受力狀態(tài)，特別不應(yīng)處于受彎狀態(tài)，將鋼筋計(jì)的導(dǎo)線逐段捆在臨近鋼筋上，引到外露的測試匣中，灌混凝土后，檢查鋼筋計(jì)的電阻值和絕緣情況，做好引出線和測試匣的保護(hù)措施。

圖5 鋼筋計(jì)安裝示意

2.4.2應(yīng)變計(jì)布設(shè)

應(yīng)變計(jì)采用一對不銹鋼管卡固定于2根主筋之間。安裝埋設(shè)時(shí)，保證應(yīng)變計(jì)軸向與支護(hù)樁軸向平行。將應(yīng)變計(jì)的導(dǎo)線逐段捆在臨近鋼筋上，引到外露的測試匣中，灌混凝土后，檢查應(yīng)變計(jì)的電阻值和絕緣情況，做好引出線和測試匣的保護(hù)措施，如圖6所示。

圖6 應(yīng)變計(jì)及安裝示意

2.4.3測斜儀布設(shè)

深層水平位移通過測斜儀進(jìn)行監(jiān)測。本試驗(yàn)使用的測斜儀為中巖科技RSM-CXY(M)微型測斜儀，埋設(shè)模式為一次性埋入測量單元，通過x,y,z三軸±180°同時(shí)測量，將無線數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，位移變化數(shù)值自動累加計(jì)算。

2.4.4導(dǎo)線的安裝及保護(hù)

所有埋入樁內(nèi)儀器設(shè)備的導(dǎo)線均就近捆綁于鋼筋上，向上牽引，并在距離樁頂3m左右處沿一個(gè)方向引出樁外,并在樁身的一個(gè)側(cè)面引出。導(dǎo)線引出樁外后，為防止施工過程中，特別是破樁時(shí)將導(dǎo)線損壞，所有導(dǎo)線集中于1根不銹鋼導(dǎo)管中，通過導(dǎo)管引出地面。

2.4.5自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

所采用的鋼筋計(jì)、應(yīng)變計(jì)屬于振弦類傳感器，故采用振弦式多通道采集儀(RSM-FAS1032)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集上傳。微型測斜儀采用RSM-DAS(M)數(shù)碼控制器及配套設(shè)置器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集上傳。

2.4.6監(jiān)測云平臺數(shù)據(jù)管理及分析

通過武漢中巖測控研發(fā)的基坑自動化監(jiān)測系統(tǒng)，可在監(jiān)測云平臺遠(yuǎn)程查看監(jiān)測數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，設(shè)置自動預(yù)報(bào)警閾值及報(bào)警短信，在線編輯監(jiān)測報(bào)告，實(shí)現(xiàn)基坑24h實(shí)時(shí)監(jiān)測，確?；庸こ贪踩?。

3 監(jiān)測結(jié)果分析

3.1 位移監(jiān)測

5月19日開挖至基坑并完成基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)施工，6月15日地下室局部回填。監(jiān)測系統(tǒng)獲取的2組前排傾斜樁及后排直樁的樁身位移如圖7所示。

圖7 支護(hù)樁監(jiān)測位移

1)支護(hù)樁樁身最大位移總體發(fā)生在樁頂向下的位置，其中隨時(shí)間推移或開挖深度增加，樁身最大位移下移趨勢明顯，且傾斜樁相比直樁表現(xiàn)出樁身最大位移下移更明顯，說明傾斜樁表現(xiàn)出一定斜撐效應(yīng)[4]。

2)12號斜樁樁身最大位移為59.14mm，位于樁頂向下約6m；12號直樁樁身最大位移為41.20mm，位于樁頂向下約1m；15號斜樁樁身最大位移為56.33mm，位于樁頂向下約5m；15號直樁樁身最大位移為43.25mm，位于樁頂向下約3m，斜樁位移略大于直樁位移，且斜樁最大位移位置相比直樁離樁頂更遠(yuǎn)。監(jiān)測結(jié)果基本滿足結(jié)構(gòu)安全要求，且采用鋼筋計(jì)和應(yīng)變計(jì)監(jiān)測結(jié)果差異并不顯明。

3.2 內(nèi)力監(jiān)測

監(jiān)測系統(tǒng)獲取的2組前排傾斜樁及后排直樁開挖至基底工況下的樁身彎矩如圖8所示。

圖8 監(jiān)測斷面樁身彎矩

1)直樁與傾斜樁樁身彎矩總體一致，即上部分彎矩和下部分彎矩相反，這一變化趨勢與傳統(tǒng)垂直雙排樁一致。

2)15號前排斜樁及后排直樁樁身彎矩均大于12號前排斜樁及后排直樁，可能是由于監(jiān)測點(diǎn)位的差異，也可能是采用鋼筋計(jì)監(jiān)測要大于應(yīng)變計(jì)監(jiān)測結(jié)果的原因。同時(shí)，傾斜樁樁身彎矩要顯著大于直立樁樁身彎矩。在工程設(shè)計(jì)中，直樁與斜樁配筋可進(jìn)行區(qū)分。

12號與15號前斜后直雙排樁中間連梁監(jiān)測斷面彎矩如圖9所示。2幅連梁彎矩相差較大，連梁彎矩最大值≤300kN·m，均出現(xiàn)在基坑開挖至基底后。

圖9 監(jiān)測斷面連梁彎矩

4 數(shù)值計(jì)算分析

選取斜樁計(jì)算剖面，采用Midas GTS NX有限元計(jì)算軟件，按二維平面應(yīng)變考慮，模型寬度取整體基坑寬度(見圖10)，寬度為130m，高度取6倍基坑開挖深度，高70m。支護(hù)地面考慮超載20kPa，除頂面外，其他三面邊界條件設(shè)置約束，模型計(jì)算方法為修正莫爾-庫侖模型，土體卸載模量對于填土和一般黏性土取3～5倍彈性模量，支護(hù)樁、連梁、冠梁等結(jié)構(gòu)單元數(shù)據(jù)參照GB50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》選取。巖土物理力學(xué)參數(shù)由勘察報(bào)告選取(見表1)。

圖10 有限元模型

4.1 位移結(jié)果分析

分別計(jì)算前排斜樁和后排直樁在開挖深度2，4，6，8，10m條件下位移變化，計(jì)算結(jié)果如圖11所示。

圖11 位移計(jì)算結(jié)果

1)在相同支護(hù)深度，位移隨開挖深度的加深而增大，在同一開挖深度，位移隨支護(hù)深度的加深先減少后增大，在支護(hù)深度為6～10m時(shí)達(dá)到最大。前排傾斜樁和后排直樁的位移最大分別為39.090mm和36.585mm。

2)計(jì)算得到的前排傾斜樁與后排直樁位移形態(tài)相近，而在監(jiān)測中，直樁與斜樁位移形態(tài)存在一定差異，相比斜樁，直樁更傾向懸臂樁位移形態(tài)，計(jì)算樁身位移相比實(shí)測結(jié)果表現(xiàn)出更強(qiáng)的斜撐效應(yīng)，并隨開挖深度的加深更加明顯。實(shí)測位移量相比計(jì)算值略大。

3)計(jì)算顯示，“前斜后直”傾斜樁中前排斜樁與后排直樁樁端均產(chǎn)生一定側(cè)移，并隨開挖深度的加深更加明顯，位移量約為6～10mm，前排斜樁與后排直樁均產(chǎn)生了朝向基坑的運(yùn)動趨勢，二者形成聯(lián)動整體。對比監(jiān)測結(jié)果，樁端位移量約為3～5mm，側(cè)移并不十分明顯，可能由于樁的入土深度較大，被動區(qū)抗力阻擋了樁端位移。工程設(shè)計(jì)中應(yīng)注意傾斜樁樁端位移對結(jié)構(gòu)安全的影響，并宜確保足夠的嵌固深度。

4.2 內(nèi)力分析

通過數(shù)值計(jì)算，得到開挖深度為8，10m時(shí)前排斜樁及后排直樁樁身彎矩情況，如圖12所示。

圖12 計(jì)算樁身彎矩

1)與監(jiān)測結(jié)果類似，前排斜樁與后排直樁樁身彎矩相近，并隨開挖深度加深，彎矩先增大后減小。計(jì)算樁身彎矩隨深度變化形態(tài)與監(jiān)測結(jié)果相近，計(jì)算彎矩值大于監(jiān)測值，且斜樁彎矩大于直樁彎矩，計(jì)算反彎點(diǎn)要小于監(jiān)測反彎點(diǎn)位置。

2)在基坑開挖8～10m過程中，樁身彎矩表現(xiàn)出明顯增大，對比監(jiān)測位移與實(shí)測位移值，均在基坑開挖8～10m時(shí)，位移數(shù)據(jù)明顯增大，說明基坑挖深超過8m時(shí)，支護(hù)體系內(nèi)力及位移對挖深更敏感，支護(hù)結(jié)構(gòu)更接受安全開挖深度。

有限元計(jì)算得到的前排斜樁與后排直樁連梁彎矩如圖13所示。計(jì)算表明，梁身呈正負(fù)彎矩形態(tài)，連梁對前后排樁的位移控制發(fā)揮了比較好的協(xié)同效應(yīng)，其彎矩最大值與監(jiān)測結(jié)果較接近。

圖13 計(jì)算連梁彎矩

通過有限元方法對“前斜后直”傾斜樁支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力及位移的計(jì)算，表明監(jiān)測結(jié)果較好地驗(yàn)證了理論計(jì)算，為施工提供了技術(shù)支撐和安全保障，達(dá)到了基坑工程安全控制的目的。

5 結(jié)語

采用自動化實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)平臺，通過設(shè)置鋼筋計(jì)和應(yīng)力計(jì)進(jìn)行“前斜后直”無支護(hù)傾斜樁支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移監(jiān)測，并經(jīng)有限元數(shù)值計(jì)算結(jié)果對比，檢驗(yàn)監(jiān)測值與計(jì)算值差異，探討“前斜后直”傾斜樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的有效性，經(jīng)研究得出如下結(jié)論。

1)“前斜后直”傾斜雙排樁樁身最大位移總體發(fā)生在樁頂向下的位置，隨時(shí)間推移或開挖深度加大，樁身最大位移下移趨勢明顯，其斜撐效應(yīng)也更顯著。

2)計(jì)算得到的前排傾斜樁與后排直樁位移形態(tài)相近，計(jì)算樁身位移相比實(shí)測結(jié)果表現(xiàn)出更強(qiáng)的斜撐效應(yīng)，并隨開挖深度的加深更加明顯。監(jiān)測位移量相比計(jì)算值更大。監(jiān)測結(jié)果基本滿足結(jié)構(gòu)安全要求，且采用鋼筋計(jì)和應(yīng)變計(jì)監(jiān)測結(jié)果差異并不顯明。

3)監(jiān)測及計(jì)算結(jié)果表明，直樁與傾斜樁樁身上部分彎矩和下部分彎矩相反。計(jì)算彎矩值略大于監(jiān)測值，且斜樁彎矩大于直樁彎矩。

4)通過有限元方法對“前斜后直”傾斜樁支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力及位移的計(jì)算，并與監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對比，表明監(jiān)測結(jié)果較好地驗(yàn)證了理論計(jì)算，達(dá)到了比較好的工程效果。