樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)失效后的基坑工程加固設(shè)計(jì)

徐德軍

（珠海市橫琴新區(qū)建設(shè)工程質(zhì)量檢測中心有限公司）

0 前言

隨著我國建設(shè)事業(yè)的蓬勃發(fā)展，各個(gè)城市的高層建筑大量涌現(xiàn)，伴隨出現(xiàn)了深基坑工程。而基坑支護(hù)是一項(xiàng)臨時(shí)性工程，認(rèn)為地下室完工，基坑支護(hù)的任務(wù)就宣告結(jié)束。所以，基坑支護(hù)往往不被人們重視，事故頻頻發(fā)生。基坑相關(guān)的巖土問題日益增多，基坑開挖引發(fā)的工程事故也屢見不鮮[1]。目前，對于基坑二次加固設(shè)計(jì)的研究還較少，有必要對這方面進(jìn)行深入研究，以利于基坑支護(hù)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠[2]。本文從某一典型基坑支護(hù)入手，分析其失效原因，并提出了加固設(shè)計(jì)方法，為類似基坑加固工程提供參考。

1 工程概況

某基坑工程的最大開挖深度10.5m，開挖面積約90000m2，擬建場地為空地，大部分地區(qū)已進(jìn)行場地整平，場地自然地坪標(biāo)高499.05～500.75m，相對高差1.70m，屬平坦場地。場地四周無重要建筑物，北面（2～3 層地下室部位）距用地紅線3.00m，用地紅線之外為50m 寬的綠化代征地，東面為已建道路，南面（2 層地下室部位）距用地紅線3.00m，西面（2 層地下室部位）距用地紅線3.00～8.00m。

擬建場地從上至下依次為第四系全新統(tǒng)人工填土層（Q4ml）、第四系中下更新統(tǒng)冰水堆積層（Q1+2fgl）和白堊紀(jì)灌口組（K2g）。場地土層厚度及參數(shù)具體見表1。

表1 土層參數(shù)

場地內(nèi)存在兩種類型的地下水：①賦存于第四系全新統(tǒng)人工填土孔隙中的上層滯水，主要靠大氣降水及地表水供給，僅局部分布，無統(tǒng)一的自由水面，對施工影響不大；②賦存于基巖中的裂隙水，主要靠大氣降水和周邊基巖裂隙水補(bǔ)給，水量較豐富。

2 原設(shè)計(jì)支護(hù)方案及支護(hù)后效果

基坑原設(shè)計(jì)采用灌注樁與錨索相結(jié)合的樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)，樁間土采用掛鋼筋網(wǎng)片噴射混凝土護(hù)壁，噴射混凝土厚度80～100mm，混凝土強(qiáng)度等級C20。排樁設(shè)計(jì)樁長為13.0～15.0m，錨固段長4.5～5.0m，樁徑1.2m，樁的中距為2.8m。設(shè)計(jì)兩排錨索，分別位于樁頂以下4.0m 和基坑底面以上0.5m，布置在兩樁之間，采用腰梁作為聯(lián)系梁。上排錨索長20m，錨固段長13m，下排錨索長13m，錨固段長8m，錨索與水平面夾角為15°。樁頂均設(shè)置冠梁，高800mm，寬1000mm，冠梁與支護(hù)樁構(gòu)成平面排架共同作用(見圖1、圖2)。

圖1 原設(shè)計(jì)支護(hù)示意圖

圖2 基坑工程現(xiàn)場

按照該支護(hù)方案開挖至坑底后，位于東側(cè)中部的C11 號監(jiān)測點(diǎn)(見圖3)水平位移累積達(dá)到63.4mm，樁頂位移超過警戒值，部分樁間土垮落(見圖2)，危及基坑安全，現(xiàn)場對變形大的區(qū)域進(jìn)行堆土回填，使變形趨于穩(wěn)定。

圖3 基坑總平面示意圖

經(jīng)分析總結(jié)，誘發(fā)位移過大的主要原因有兩方面：①后期部分地段的地表水滲入土體，軟化基坑外側(cè)的土體，使膨脹土發(fā)生膨脹，產(chǎn)生膨脹土壓力；②基坑外側(cè)局部水位提高，水壓力增大，加大對支護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)壓力。

為保證施工順利進(jìn)行，必須進(jìn)行加固處理，方能確保基坑安全。

3 現(xiàn)加固支護(hù)方案及加固支護(hù)后效果

經(jīng)補(bǔ)充勘察，地層特性與詳細(xì)勘察報(bào)告基本一致，因此土層參數(shù)不變。加固設(shè)計(jì)擬在坑內(nèi)第1 道錨索高程處設(shè)置斜支撐，通過鋼管斜撐于排樁上，鋼管斜撐與排樁間布置橫向鋼筋混凝土腰梁，鋼管支撐另一端支撐于支撐樁上（見圖4、圖5）。

圖4 加固設(shè)計(jì)正面圖

圖5 加固設(shè)計(jì)側(cè)面圖

具體設(shè)計(jì)思路及步驟如下：

⑴原基坑開挖完后，在距排樁樁頂4m 下面每隔8.4m 加1 道斜撐（即3 根樁中加1 個(gè)斜撐），設(shè)計(jì)斜撐鋼管預(yù)加力為300kN，與水平面成42.3°。通過斜撐提高排樁支護(hù)的抗傾覆安全系數(shù)（提高0.2 左右），據(jù)此，由正深基坑軟件計(jì)算得出單寬上斜撐需要提供的水平力為100kN。則斜撐需要提供的總水平力為850kN（合計(jì)在3 根樁之內(nèi)，寬度為8.4m），考慮1.3 的結(jié)構(gòu)安全系數(shù)及斜撐的水平夾角，計(jì)算得到斜撐鋼管設(shè)計(jì)軸力約為1500kN。

⑵根據(jù)斜撐鋼管設(shè)計(jì)軸力為1500kN，外徑300mm，按強(qiáng)度公式及2 倍的結(jié)構(gòu)安全系數(shù)，以及鋼管長度達(dá)到10m，為避免出現(xiàn)壓桿屈曲，最終采用鋼管壁厚為20mm。

⑶將錨索、鋼管支撐簡化為預(yù)應(yīng)力彈簧，錨索錨固段和鋼管支撐點(diǎn)（支墩處）設(shè)為固定支座，腰梁采用Ansys 梁單元模擬，樁與腰梁作用處為荷載邊界條件，模擬土壓力通過樁作用在腰梁上，繼而傳遞到斜撐鋼管上。不斷增大樁與腰梁作用點(diǎn)的土壓力，則體系會(huì)發(fā)生協(xié)調(diào)變形，錨索伸長，鋼管支撐縮短，彈簧單元上產(chǎn)生彈簧抗力，直到鋼管支撐上的彈簧抗力達(dá)到設(shè)計(jì)水平軸力，為最終的工作狀態(tài)，記錄腰梁的最大彎矩。

⑷支撐墩的水平承載力計(jì)算。

3.1 腰梁的有限元模擬計(jì)算

利用Ansys 軟件，采用彈性理論計(jì)算腰梁在最終狀態(tài)的最大彎矩。

3.1.1 Ansys計(jì)算模型

采用600mm×600mm腰梁截面，由Ansys建立二維模型（見圖6）。

圖6 Ansys單元?jiǎng)澐?/p>

圖中1～42 號單元為梁單元；43、44 單元為端頭錨索；45、46為中間錨索；47為鋼管支撐。

3.1.2 Ansys計(jì)算參數(shù)

對于錨索：

第1 排錨索總長度20m，錨固長度13m，自由段7m，錨索由φs15.2mm鋼絞線組成，根據(jù)公式[2]：

式中：k——?jiǎng)偠认禂?shù)；δ——柔度系數(shù)；

N——錨索的束數(shù)，這里有5束錨索；

Eg——錨索的彈性模量，鋼絞線1.95 × 105MPa；

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生體會(huì)艾弗里體外轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)思路，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的技能訓(xùn)練，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和縝密的科學(xué)思維。

li——錨索自由段長度，此處為7m；

As——每束錨索的截面積，d= 15.2mm；

錨索與水平面夾角15°，中間錨索的水平剛度為：

k中錨= 1.95 × 107× cos（15°）= 1.884 × 107N/m；

端頭錨的水平剛度為中間錨的一半，取：

k鋼管= 0.942 × 107N/m

同理，對于鋼管支撐：

計(jì)算得到鋼管支撐的剛度系數(shù)為：

k鋼管= 1.78 × 108N/m；鋼管支撐與水平面夾角42.3°，鋼管水平剛度為：

具體參數(shù)如表2～表5。

表2 腰梁參數(shù)

表3 端頭錨索參數(shù)

表4 中間錨索參數(shù)

表5 鋼管支撐參數(shù)

3.1.3 模擬結(jié)果

當(dāng)樁作用在腰梁上的土壓力為565kN 時(shí)，支撐水平軸力達(dá)到850.3kN，與設(shè)計(jì)的850kN接近，為最終的工作狀態(tài)。此時(shí)，腰梁的最大彎矩為483kN·m（見圖7），最大剪力為298kN（見圖8）。根據(jù)最大彎矩和最大剪力配筋計(jì)算，最大位移發(fā)生在端頭錨索處向基坑內(nèi)，大小為13mm（見圖9）。

圖7 腰梁彎矩圖

圖8 腰梁剪力圖

圖9 腰梁最終位移矢量圖

3.2 支撐墩的水平承載力計(jì)算

采用理正巖土的彈性地基梁理論進(jìn)行支撐墩的水平承載力計(jì)算。支撐墩長6m，頂部作用850kN的水平作用力，取水平地基系數(shù)k為30MN/m3，計(jì)算得到支撐墩墩頂位移為10.7mm，墩頂最大反力為417.33kN/m。根據(jù)橫向受荷樁的計(jì)算理論[3]，圓樁計(jì)算寬度為：

帶 入 數(shù) 據(jù) 有Bp= 0.9（1 +d）= 0.9 ×（1.2 + 1）=1.98m

式中：d為支撐墩的直徑。

因此地基土的最大水平側(cè)壓力為：417.33/1.98=210.8kPa，小于含黏土卵石的承載力特征值220kPa，水平承載力滿足要求。

3.3 最終加固設(shè)計(jì)效果

根據(jù)加固設(shè)計(jì)配筋（見圖10），加固工程完工后，排樁位移得到有效控制，C11 號樁的最大累計(jì)位移也只有71cm，樁間土也無繼續(xù)垮塌的現(xiàn)象，保證了施工順利進(jìn)行。

圖10 鋼筋混凝土腰梁與斜撐的鏈接圖

4 結(jié)論

⑴加固設(shè)計(jì)沒有考慮地下水對基坑的影響，而場地的土具有弱膨脹性，遇水后會(huì)產(chǎn)生膨脹壓力，這些對基坑的穩(wěn)定都是不利的。

⑵模擬得出最大位移在邊錨處，即遠(yuǎn)離斜撐的錨索處是危險(xiǎn)段，說明這些點(diǎn)是施工現(xiàn)場監(jiān)測的重點(diǎn)對象，這對施工有指導(dǎo)意義。

⑶實(shí)踐證明，增加斜撐將排樁的抗傾覆安全系數(shù)提高0.2在該案例中是可行的。