閆富有，高 偉，周同和，郭院成

(1.鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，河南鄭州450001;2.鄭州大學(xué)綜合設(shè)計(jì)研究院，河南鄭州450002)

0 引言

微型樁的直徑一般小于400 mm，采用鉆孔、強(qiáng)配筋和壓力注漿施工，具有施工面積小、有效降低噪音和施工方便等特點(diǎn).在深基坑工程中，將微型樁與錨桿-土釘復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)聯(lián)合使用，既利用了微型樁造價(jià)低廉、對土層適應(yīng)性好等特點(diǎn)，又彌補(bǔ)了一般錨桿-土釘復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的許多缺陷和使用上的限制［1］，在深基坑工程中已逐漸得到應(yīng)用［2～4］.

文獻(xiàn)［5］在進(jìn)行土釘軸力和邊坡位移測試的基礎(chǔ)上，對土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬.文獻(xiàn)［6］討論了樁錨與土釘聯(lián)合作用問題，表明其作用機(jī)理和設(shè)計(jì)方法等有待進(jìn)一步研究.文獻(xiàn)［7-9］應(yīng)用FLAC分析了土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)位移場的變化規(guī)律.文獻(xiàn)［10］結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬，研究了單排小樁復(fù)合水泥土樁墻支護(hù)結(jié)構(gòu)基于整體計(jì)算模式的設(shè)計(jì)計(jì)算方法.文獻(xiàn)［11］采用單寬模型，對土釘-微型樁-預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)體系進(jìn)行了模擬分析.

微型樁復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)是典型的三維問題.將其簡化為平面問題，無法反映支撐軸力和基坑位移的實(shí)際情況.目前對設(shè)置有微型樁的復(fù)合土釘墻支護(hù)形式的研究較少，缺乏系統(tǒng)的工程監(jiān)測與模擬計(jì)算對比分析.由于工程地質(zhì)條件以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，將現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值分析方法相結(jié)合，是研究本類問題的有效方法.

本文結(jié)合鄭州某基坑工程，在現(xiàn)場原位測試的基礎(chǔ)上，對微型樁-錨桿-土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，研究其受力變形特征及其相互作用，為該復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工提供技術(shù)指導(dǎo).

1 工程概況

鄭州某醫(yī)院病房樓基坑工程，開挖面積近6 000 m2，基坑深度9.4 m，一側(cè)采用微型樁-錨桿-土釘墻復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu).

基坑以1∶0.15的坡度傾斜開挖.土釘傾角為5°，其中1～3層土釘長度為10 m，4～6層土釘長度為9 m.錨桿傾角為10°，長度為15 m，分別與第二、四排土釘沿縱、豎向交錯(cuò)布置.前五排土釘、錨桿的水平和垂直間距均為1.5 m，最后一排土釘?shù)呢Q直距離為1 m.土釘采用直徑為18 mm的螺紋鋼筋，鉆孔直徑120 mm;錨桿采用公稱直徑為15.2 mm七絲絞合的鋼絞線，預(yù)應(yīng)力100 kN，鉆孔直徑150 mm;微型樁水平方向的間距為1 m，樁長14 m，樁徑 150 mm.設(shè)計(jì)支護(hù)斷面如圖1所示.

圖1 基坑支護(hù)剖面Fig.1 Section of foundation pit

2 現(xiàn)場原位測試分析

2.1 試驗(yàn)描述

采用分布式光纖應(yīng)變傳感技術(shù)(DSTS)對土釘與錨桿的軸力進(jìn)行監(jiān)測.選擇基坑一側(cè)靠近中部且相距6 m的二個(gè)斷面進(jìn)行測試，分別記為a和b斷面，由于基坑頂部無多余荷載，其受力相關(guān)性可以忽略，并能排除其他受力影響因素，以達(dá)到數(shù)據(jù)對比和補(bǔ)充的作用.

2.2 土釘軸力實(shí)測分析

基坑開挖完成后，b測量斷面各層土釘?shù)妮S力實(shí)測結(jié)果如圖2所示.

圖2 實(shí)測土釘軸力圖Fig.2 Testing force of the soil nail

對比四層土釘軸力的分布可知，各層土釘最大軸力點(diǎn)的位置由上至下逐步向土釘在面層方向的端部移動(dòng).第四排土釘軸力最大值是所有四排土釘所受軸力的最大值;第六排土釘中部受力很小，其最大軸力點(diǎn)的位置靠近基坑面層.由于在第四排土釘深度處的土體向坑內(nèi)變形的趨勢較大，故在基坑開挖過程中應(yīng)嚴(yán)密監(jiān)控該部位土體的水平位移.

2.3 不同工況土釘軸力實(shí)測分析

對b斷面第一排土釘在不同工況下所受軸力進(jìn)行分析.工況1至工況4分別為:第二排錨桿張拉完畢、第四層土方開挖完畢、第五層土方開挖并已布入土釘、第六層土方開挖完畢并布入土釘.不同工況下土釘?shù)妮S力分布如圖3所示.

圖3 不同工況下土釘實(shí)測軸力圖Fig.3 Testing force of the soil nail in different conditions

對比圖3中的四個(gè)工況可以看出，隨著基坑開挖，第一排土釘整體受力呈增加趨勢.前三個(gè)工況第一排土釘主要受壓力作用，這是由于在第二排與第四排錨桿施加預(yù)應(yīng)力后，土體將來自錨桿的壓力傳遞給土釘，使土釘受壓，其壓力大小沿土釘長度方向呈減小趨勢，在末端接近于0，其軸力沿土釘長度方向呈兩邊大中間小的分布.

從整體來看，第一排土釘在基坑開挖過程中主要受壓力作用.說明在兩排錨桿的作用下，土釘沒有完全發(fā)揮出抗拉效果.

2.4 不同斷面土釘軸力對比分析

基坑開挖完成后，斷面a和b第一排、第四排和第六排土釘?shù)妮S力分布對比如圖4所示.

由圖4可知，在支護(hù)形式完全一樣的情況下，兩個(gè)斷面的第一排第三排的土釘軸力有明顯差異.其原因主要有兩點(diǎn):①基坑頂部超載不同，導(dǎo)致兩個(gè)斷面第一排土釘受力差別較大;②a斷面第二排錨桿預(yù)應(yīng)力損失較大，對上部土體的約束能力降低，導(dǎo)致第一排土釘受力較大.兩個(gè)斷面第六排土釘?shù)妮S力分布整體較為類似，基本分布于0點(diǎn)附近，說明這種斷面中的第六排土釘幾乎不受力.

3 數(shù)值分析

3.1 計(jì)算模型與參數(shù)

選取基坑的一段，利用FLAC3D軟件進(jìn)行計(jì)算.參考文獻(xiàn)［7-8］中基坑開挖的影響范圍，模型長度取坑內(nèi)2倍、坑外3倍基坑深度，并考慮足夠的寬度和高度，其尺寸為50 m×15 m×19.5 m.邊界條件與文獻(xiàn)［7，9，12］相同.土釘與錨桿、微型樁和腰梁分別采用Cable、Pile和Beam結(jié)構(gòu)單元［7-9］.由于假定模擬過程中不會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)單元與土體之間的相對滑動(dòng)或分離，故所建模型不需要在土體和單元之間加入接觸面［5，7-9，11］.

圖4 不同斷面處土釘實(shí)測軸力圖Fig.4 Testing force of soil nail in different section

土體的容重γ、黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ和變形模量E0如表1所示.其中變形模量E0參考工程地質(zhì)勘察報(bào)告的原位試驗(yàn)，取為壓縮模量Es的4倍.

土釘、錨桿和微型樁的結(jié)構(gòu)單元參數(shù)見表2.土釘?shù)膹椥阅Ａ繛?10 GPa，錨桿彈性模量取205 GPa.微型樁彈性模量為210 GPa，泊松比取0.2.

為了揭示微型樁在復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)中的作用，建立兩種分析模型:微型樁-錨桿-土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)和無微型樁的錨桿-土釘墻復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)模型.模擬過程與基坑施工過程一致，首先設(shè)置微型樁，然后每開挖一層即布入土釘或錨桿.

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)表Tab.1 Physico-mechanical parameters of model

表2 結(jié)構(gòu)單元參數(shù)表Tab.2 Structure elements parameters of model

3.2 模擬與實(shí)測結(jié)果比較

為了驗(yàn)證模擬結(jié)果的合理性，將基坑開挖完成后土釘和錨桿實(shí)測軸力最大值(b斷面)與模擬結(jié)果的軸力最大值進(jìn)行比較，如圖5所示.

圖5 土釘和錨桿最大軸力實(shí)測值與模擬結(jié)果比較Fig.5 Comparison between the measured and simulated values

由圖5可知，第四與第六排土釘?shù)膶?shí)測與模擬結(jié)果有一定的偏差.這是由于模擬難以考慮實(shí)際中的各種因素，如在施工過程中出現(xiàn)降雨，第四排錨桿的預(yù)應(yīng)力損失嚴(yán)重等情況.除第四、六排土釘外，其他各排數(shù)據(jù)較為吻合，說明模擬結(jié)果是正確的.

3.3 土釘和錨桿的軸力

開挖完成后兩種支護(hù)結(jié)構(gòu)中土釘和錨桿的軸力計(jì)算值如圖6所示.由圖6可知，兩種支護(hù)形式的土釘與錨桿軸力分布規(guī)律類似:土釘拉力呈兩頭小中間大，每排土釘軸力最大值自上而下逐漸向基坑側(cè)壁方向偏移.錨桿最大拉力在自由段，并在錨固段逐漸減小，各排土釘最大軸力點(diǎn)連線出現(xiàn)在錨桿自由段范圍內(nèi).基坑頂部和底部的土釘受力相對較小，中間部位(第三、四排)土釘受力明顯大于其他各排.反映此處土體變形較大，這與基坑水平位移的計(jì)算結(jié)果一致.

圖6 土釘和錨桿軸力分布Fig.6 Axial force distribution on brads and anchors

對比兩種支護(hù)結(jié)構(gòu)土釘錨桿的受力可以看出，布置微型樁后，第二排錨桿軸力降低較大，其他各排土釘軸力降低也較為明顯，表明微型樁對受力較大的支護(hù)結(jié)構(gòu)影響比較明顯，除明顯降低土釘和錨桿的軸力外，且能對土釘錨桿受力進(jìn)行優(yōu)化分配，改善其受力狀態(tài).

3.4 基坑側(cè)壁水平位移

兩種支護(hù)模型基坑側(cè)壁的水平位移比較如圖7所示.由圖7可知，微型樁-錨桿-土釘墻支護(hù)形式的基坑側(cè)壁最大水平位移值為28.82 mm，符合規(guī)范要求;而未設(shè)置微型樁的支護(hù)結(jié)構(gòu)的基坑側(cè)壁最大位移達(dá)到56 mm，超出了規(guī)范規(guī)定范圍.表明微型樁加強(qiáng)了周圍土體的強(qiáng)度，改善開挖后土體的應(yīng)力場，從而有效地控制基坑側(cè)壁的水平位移，提高了邊坡的穩(wěn)定性.

圖7 基坑側(cè)壁水平位移圖Fig.7 Distribution of horizontal displacement of side of foundantion pit

3.5 微型樁彎矩分析

基坑開挖完成后，微型樁的彎矩值如圖8所示.由圖8可知，微型樁樁身有3次反彎點(diǎn)出現(xiàn)，在樁長6 m和9 m處分別出現(xiàn)正負(fù)彎矩最大值.

在第一至第二個(gè)反彎點(diǎn)范圍內(nèi)，兩排預(yù)應(yīng)力錨桿的主動(dòng)壓力，經(jīng)過土體的傳力作用，使微型樁不僅承受主動(dòng)區(qū)土壓力，還受到錨桿的約束.這樣，微型樁與錨桿的相互作用形成簡支梁受力體系，該體系以微型樁為受力結(jié)構(gòu)、錨桿為約束支座，主要受到土壓力的作用.在此范圍內(nèi)微型樁受到正彎矩作用，說明錨桿與微型樁相結(jié)合成一個(gè)整體，充分發(fā)揮了各自的擋土效果.

圖8 微型樁彎矩值Fig.8 Distribution of moment of Micro-pile

4 結(jié)論

(1)微型樁可以大大降低基坑側(cè)壁水平位移和土釘與錨桿的軸力，改善土釘錨桿受力狀態(tài)，并能有效控制基坑穩(wěn)定性與變形.

(2)在錨桿的作用下，基坑側(cè)壁水平位移出現(xiàn)在基坑側(cè)壁的中下部，土釘最大軸力點(diǎn)連線出現(xiàn)在錨桿的自由段范圍內(nèi)，說明支護(hù)結(jié)構(gòu)可以充分發(fā)揮錨桿的錨固作用，該基坑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的.

(3)微型樁與錨桿土釘共同作用，使支護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)合成一個(gè)整體，并能充分發(fā)揮各自的效果.基坑側(cè)壁水平位移最大處幾乎與微型樁最大正彎矩處重合.微型樁最大負(fù)彎矩處為基坑邊壁坡腳處，此處受力狀態(tài)極為復(fù)雜，屬于薄弱部位，所以需要加強(qiáng)坡腳處的設(shè)計(jì).

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