樁-錨+冠梁支護結構之冠梁位移與樁身彎矩的測試研究

林 錦

（中億通達設計咨詢集團有限公司，福建 三明 365000）

0 引言

近年來，隨著我國城市建設發展步伐的加快，大面積的深基坑工程層出不窮，施工環境日趨復雜。由于施工場地等相關因素的限制，深基坑工程施工時多采用樁-錨支護結構。進行樁-錨支護設計時，添加冠梁能夠促進整個支護結構的穩定，已有不少學者做了相關方面的研究。

曹慶義等推理得出了樁對冠梁的作用力，發現冠梁可以從一定程度上提升支護樁的承載能力，使整個支護體系的安全性得到極大的改善；何建明等和朱旭東等對排樁支護結構進行了有限元分析，結果表明：排樁與冠梁的配合效果較好，在基坑中央可以忽略協同效應，且隨著距離的拉力而增大；梁志翎和高印立在空間桿系有限元方法的基礎上，對其進行了空間有限元建模，并對其軸力作用下的剛性效應進行了分析；高印立、陳萬祥等人從樁冠對樁身的約束與變形情況出發，推導出了考慮冠梁共同作用的樁身內力計算公式；莫海鴻等將彎剪扭單元模型和桿系增量法結合起來，從圈梁作用機理、圈梁截面優化、圈梁效應與邊長之間的關系三個方面進行了優化設計；李兆源運用ANSYS、FLAC等軟件對各種工作條件下的橫向橫向剛度進行了計算，得出了相應的結果；李水泉等建立了圈梁-排樁相互作用的計算模型，并編寫了BPanalysis軟件，用于圈梁-排樁相互作用的數值模擬，通過實例驗證，證明了圈梁對樁體的彎曲和變形具有明顯的限制作用；宋捷、孫海濤、黃凱等人根據不同的支護條件，分別對冠梁的影響進行了分析，并給出了相應的簡化計算公式；龍照等運用李正深基坑工程軟件，對單排懸臂樁的冠梁截面尺寸、基坑邊長等因素對其冠梁水平側向剛度的影響進行了分析，王建軍等、吳雄志等進行了現場實測，得到了冠梁的受力特征、冠梁內力、彎矩與基坑施工過程的關系。

對于在樁-錨支護結構設計中加入冠梁結構已有眾多學者提出了各種不同的計算模型與方法，但有關冠梁位移和樁身彎矩的試驗研究較少，仍存在不足。基于此，本文以三明市梅列區青山三村二幼教學樓及其附屬設施深基坑工程為例，對冠梁位移和樁身彎矩進行了試驗分析，為基坑工程的設計提供參考。

1 樁-錨支護結構類型與計算方法

1.1 樁-錨支護結構類型

樁-錨支護結構是一種具有穩定性好、安全性高、施工方便的柔性支護結構。根據基坑開挖深度和支護結構的受力情況，可以將其劃分為：（1）單支點排樁支護：在基坑開挖深度大的情況下，由于懸臂樁本身無法達到樁體強度和變形的要求，可以在樁頂附近設置支座；（2）多支點排樁支護：在基坑開挖深度較深的情況下，可以采用多個支點（或錨桿）來減小樁體的受力和變形[1]。排樁的支護結構應滿足安全性、經濟型和可行性三個基本條件，即在滿足安全和可行性的條件下，盡量節約成本，減少工程造價。

1.2 樁-錨支護結構設計計算方法

目前，通常將樁-錨支護結構簡單地歸結為一個受水平側向力影響的受力結構，其計算方法主要有傳統計算方法和彈性力學計算法。

（1）傳統計算方法：主要是按受側向加載的單元寬度梁系，例如傳統的1/2分割法、等值梁法、剛性支承連續梁法等。所用的土壓力包括太沙基的經驗土壓力，以及典型的庫倫土壓力和朗肯土壓力等。該方法具有計算簡便、便于手工計算的優點，但其缺點是無法計算出支撐結構的位移，且未考慮施工條件的影響；結果表明，所得到的支撐力與實測值有很大差異[2]。

（2）彈性力學計算法：將支座或錨桿作為彈性支點，將地基下的土體分解成一組水平作用的彈簧，主動側的土壓力通常采用經典土壓力理論進行計算，對彈性法的微分方程進行求證，計算出它的內力和位移。

目前，在基坑支護中，主要采用彈性力學計算方法。

2 試驗基坑概況及試驗方法

帶冠梁的樁-錨支護結構是一個多層介質的空間系統，它與周邊土層形成了一個有機的整體，在開挖和施工中，冠梁的位移和樁身的彎矩都會發生不同的變化，往往理論分析與實際情況存在著較大的偏差。通過現場實測，可以測量出不同工作狀態下的冠梁位移和樁身彎矩。通過對三明市某基坑工程添加冠梁的樁-錨支護結構進行試驗，分析基坑施工期間冠梁位移和樁身彎矩的變化情況；通過與理論計算結果的比較，探討支護結構的變形特征[3]。

2.1 試驗基坑概況

擬建場地位于三明市梅列區青山三村青山五路東側，場地原為二幼教學樓及附屬教學設施，為3層框架結構。場地北側為青山大道及閩光單身公寓，南側為三鋼信息技術中心及地下室，場地東、西兩側分別為青山四路、青山五路及青山三村住宅樓。基坑開挖深度為3.65～7.15m。東側采用鋼筋混凝土灌注樁+錨桿支護，北邊和西邊采用土釘法。樁徑800mm，樁距1.6m，樁長16m，離地2.0m處設一根18m的錨桿（錨固長度為13m），離地4.5m處設一根14m的錨桿（錨固長度為9m），其地質參數如表1所示。

表1 基坑支護設計計算參數

2.2 冠梁位移測試點布置

根據“重點普遍差別待遇”的原則，在冠梁上設置7個試驗點，澆筑冠梁混凝土之前進行填埋布設。采用經緯儀在不同的施工階段進行觀測，如圖1所示。

圖1 冠梁觀測點布置圖

2.3 樁身內力測試方法

采用經緯儀在不同的施工階段進行觀測，利用YJ-25型靜電阻應變儀讀出基坑施工期間鋼筋上的應變片的變形量，通過應變片的變形量進行應力計算，并對同一構件進行抗拉試驗分析。為了確保試驗結果的可靠性和精確度，在試驗中添加了溫度補償板以降低溫度對試驗結果的影響[4]。

3 試驗結果分析

3.1 冠梁位移實測結果分析

從圖2和圖3可知：（1）在深基坑開挖時，隨著開挖深度的增加，冠梁的位移逐漸增大，但其變化不是均勻地沿著冠梁方向，而是出現了中間偏大、兩邊偏小的特點；各試驗點的位移均為負。結果表明，在測點10和測點13等位置，冠梁兩側和轉角位置的位移較大，這是因為它們的變形不協調所致。（2）在基坑開挖及地基施工期間，冠梁的總體位移相對較小，其平均變形約為6.3mm，而冠梁兩側的變形均低于設計值。（3）開挖前期，冠梁中部和兩側的變形量變化幅度較大，而開挖到3.1m后，其增長速度基本保持不變。在錨固工程中，其位移速率明顯增加，在施加錨桿預應力后，各個測點的位移都有所降低，其中錨桿的作用對冠梁中部位移的影響要比兩邊都大。

圖2 冠梁位移分布曲線

圖3 冠梁位移隨時間變化曲線

3.2 樁身彎矩測試結果分析

根據材料力學中的撓曲和應力分析原理，可以用公式（1）來計算樁在任意截面上的彎矩：

采用此方法，可以得出在不同試驗時刻，樁身彎矩沿樁深度的變化規律，并與理論計算結果進行了對比。實測與計算彎矩對比見圖4。

圖4 實測與計算彎矩對比

從圖4可見：在懸臂期，測得的彎矩最大值與經典法計算結果相近，而在曲線形態上則與彈性法相近；在采用預應力錨桿的情況下，在基坑上方，無論是采用傳統方法還是采用彈性法計算，其計算結果與實際情況存在一定的偏差；在基坑下方，實測的彎矩峰值與傳統方法相比有較大的差異。試驗結果與兩種理論計算的結果有一些差異，原因在于一般認為預應力錨索在開挖面與錨桿間產生的彎矩是負的，但在施工中，在錨桿與樁身之間，由于結合不嚴密、預應力損失等因素，使錨桿的預應力沒有得到充分的發揮，從而導致沒有負彎矩的出現，最終導致實測值與計算值存在差異。另外，根據現行《混凝土結構設計規范》(GBJ10-89)，試驗樁的最大抗彎矩為130kN·m，而實測值為59kN·m，為最大抗彎矩的45%，說明現行的支護結構設計方法有較大的缺陷，造成了嚴重的浪費[5]。

4 結束語

綜上所述，對樁-錨支護結構的類型與計算方法進行了介紹，指出彈性力學計算方法應用更廣泛；結合某基坑工程實例，對添加冠梁的樁-錨支護結構進行了試驗研究，分析了冠梁位移和樁身彎矩的變化情況，并將試驗結果與理論計算進行了比較。根據對比結果可知：采用彈性力學計算法進行樁-錨支護設計計算，比傳統計算方法更為合理，但二者的計算值與實測值都存在一些差異，并且都較為保守；對設置冠梁的樁-錨支護結構進行現場實驗，既能真實地反映冠梁的位移和樁身彎矩，又能根據實測數據優化基坑支護結構設計，可為同類工程的設計提供參考。