深基坑樁錨支護結(jié)構(gòu)受力變形及穩(wěn)定性研究

貴州地礦基礎(chǔ)工程有限公司，貴州 貴陽 550001

1 工程概況

文章以某研究中心深基坑工程為例，基坑面積為1550m2，開挖深度為15m，建筑為地上8層、地下2層。該工程的基坑支護結(jié)構(gòu)主要以預(yù)應(yīng)力錨索支護為主，以鋼筋網(wǎng)噴射混凝土作為輔助；圍護樁采用φ0.6m@1500長螺旋壓灌樁，樁體長度為16m，嵌固深度為1m，樁長樁距控制在1.1m，各樁頂處均設(shè)置規(guī)格為0.5m×0.8m的冠梁。工程所在場地地下水為第四系松散巖類孔隙潛水，地下水補給由降水及地下水側(cè)向流動補給構(gòu)成，地下水穩(wěn)水位埋深約為7.9m，滲透系數(shù)為9.25×10-4m/s。工程施工時使用人工管井井點降水法將地下水位控制在工程基坑開挖面以下。

2 基坑支護結(jié)構(gòu)計算分析

2.1 支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算

由于深基坑支護施工的優(yōu)化主要受到支護安全性以及工程造價等因素的影響，因此所構(gòu)建的優(yōu)化模型需要有設(shè)計變量、約束條件以及設(shè)計變量的函數(shù)。支護結(jié)構(gòu)力學參數(shù)如表1所示。

表1 支護結(jié)構(gòu)力學參數(shù)

此研究中基坑水平抗力系數(shù)計算公式如下：

式中：ks為基坑中內(nèi)側(cè)土體的水平抗力系數(shù)，kN/m4；m為土體水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)，kN/m4；z為計算區(qū)域與地面的距離，m；h為計算工況條件下基坑的開挖深度，m。

式中：c為土體的黏結(jié)力，MPa；φ為土體的內(nèi)摩擦角，°；υb為基坑內(nèi)支護結(jié)構(gòu)發(fā)生的水平位移值，mm。

計算所得土層的水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)如表2所示。

表2 各土層水平抗力的比例系數(shù)

開挖施工結(jié)束后圍護樁的最大位移量主要發(fā)生在深度約為17m的區(qū)域，并且最大的位移量為7mm；樁頂?shù)奈灰品较驗榭油夥较颍蛑饕情_挖初期階段樁后土壓力數(shù)值較低、錨索預(yù)應(yīng)力逐漸增加，最終導(dǎo)致樁頂向樁后移動，最大位移量為7.4mm。基坑支護結(jié)構(gòu)的最大彎矩及剪力值分別為346kN?m、292kN，并且發(fā)生最大彎矩的區(qū)域與發(fā)生最大位移的區(qū)域相一致；最大的剪力發(fā)生在第7道錨索區(qū)域，其深度約為21m。在錨索錨固力的影響下，樁體內(nèi)力發(fā)生了近似連續(xù)梁受力的情況，對比不加錨索懸臂樁，其受力情況有較大的改進。

2.2 深基坑穩(wěn)定性分析

（1）深基坑滑動穩(wěn)定性驗證。經(jīng)過計算，此研究中最危險滑動圓弧的直徑為49.6m，其穩(wěn)定安全系數(shù)Ks值為1.596，數(shù)值大于相關(guān)規(guī)范中的規(guī)定值（1.2），因此滿足深基坑滑動穩(wěn)定系數(shù)的要求。

（2）深基坑抗傾覆穩(wěn)定性驗證。深基坑抗傾覆的安全系數(shù)可以表示為

式中：Mp為被動土壓力與支點力在樁底產(chǎn)生的抗傾覆彎矩力（支點力取錨固力與抗拉力最小值），kN·m；Ma為主動土壓力在樁底產(chǎn)生的抗傾覆彎矩力，kN·m。

（3）深基坑抗隆起穩(wěn)定性驗證。深基坑中樁錨支護結(jié)構(gòu)的抗隆起安全系數(shù)計算公式如下：

式中：Kb為抗隆起的安全系數(shù)；γm1、γm2為基坑外部與內(nèi)部圍護樁底上部土體的天然重度，kN/m3；ld為圍護樁的嵌固深度，m；h為深基坑的深度，m；q0為地面的均布荷載，kPa；Nc、Nq為承載力系數(shù)；c為深基坑圍護樁底下土體的黏結(jié)力，kPa；φ為內(nèi)摩擦角數(shù)值，°。

通過上述計算，最終得到Kb值為10.2，數(shù)值大于相關(guān)規(guī)范中的規(guī)定值（1.8），因此滿足深基坑抗隆起穩(wěn)定系數(shù)的要求

3 深基坑的監(jiān)測以及施工方法

3.1 深基坑圍護樁頂?shù)乃轿灰谱冃伪O(jiān)測

監(jiān)測顯示，圍護樁頂部的最大平移量達到30.7mm（0.13%He），而深基坑西側(cè)、南側(cè)的圍護樁頂部的最大平移量分別為19.9mm、9.6mm。該工程深基坑自2018年11月底開始施工至次年6月完工，根據(jù)施工期間樁頂水平位移的變化情況可以發(fā)現(xiàn)，其數(shù)值發(fā)生了快速的改變，由此可以證明施工區(qū)域地層中粗顆粒砂土未見顯著的流變性以及時效性。2019年6月前施工時出現(xiàn)了較多的變形，最大值達到30.7mm，其速率為4.3mm/d，位移變化情況超出了規(guī)范值。究其原因主要是工程監(jiān)測點區(qū)域存放有大量的施工材料，造成地表長時間超載，最終導(dǎo)致基坑內(nèi)發(fā)生位移，當監(jiān)測區(qū)域超載材料移除后監(jiān)測數(shù)值逐漸恢復(fù)正常。施工期間深基坑圍護樁樁頂水平位移變化情況如圖1所示。

圖1 施工期間深基坑圍護樁樁頂水平位移變化情況

3.2 錨索預(yù)應(yīng)力損失分析

張拉施工應(yīng)采用持荷張拉、超載張拉的方式，使張拉至達到設(shè)計標準的105%～110%，并依據(jù)鎖定值進行鎖定，若2d內(nèi)預(yù)應(yīng)力損失超過設(shè)計值的10%，則需要補償預(yù)應(yīng)力錨索的張拉值。錨索預(yù)應(yīng)力變化情況如圖2所示。在錨索張拉鎖定初期，綜合考慮錨具楔滑及地層變形引起的預(yù)應(yīng)力損失，可以得到錨索應(yīng)力發(fā)展的函數(shù)關(guān)系：

圖2 錨索預(yù)應(yīng)力變化情況

式中：t為錨索鎖定后的時間；F（t）為在t中錨索的預(yù)應(yīng)力值；F0為錨索在鎖定后的初始預(yù)應(yīng)力值；ω(t)為預(yù)應(yīng)力的函數(shù)值；a、b為試驗中的常數(shù)，此研究主要取巖土的工程特性參數(shù)。

將上述公式所計算的結(jié)果繪制成錨索預(yù)應(yīng)力擬合曲線，其中a=2.2648，b=2.31，其損失量約為鎖定值的28%，錨索鎖定的4～10d內(nèi)預(yù)應(yīng)力仍具有一定的損失，但趨勢較為平穩(wěn)，其損失量約為鎖定值的5%左右。

4 結(jié)束語

此次研究結(jié)果顯示，經(jīng)支護結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件計算，以及從現(xiàn)場監(jiān)測的結(jié)果來看，支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形均滿足規(guī)范要求，樁錨支護結(jié)構(gòu)在砂土地層中具有較好的適用性。砂土地層中基坑支護結(jié)構(gòu)變形時間效應(yīng)不明顯，主要發(fā)生在土體開挖階段錨桿進行張拉及鎖定操作后，其初期預(yù)應(yīng)力發(fā)生明顯的額外損失，并且后期應(yīng)力隨時間的增加呈指數(shù)變化發(fā)展的趨勢。因此，在實際工程中實施深基坑樁錨支護施工時，需要強化開挖工作（監(jiān)測工作），并采取必要的開挖處理措施，以更好地確保深基坑支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，使工程施工能夠獲得更好的質(zhì)量保障。