馬文國(guó)，王蘭民，李學(xué)豐，楊有貞

(1.蘭州大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000;2.寧夏大學(xué) 物理電氣信息學(xué)院 固體力學(xué)研究所，寧夏 銀川 750021; 3.中國(guó)地震局 黃土地震工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000)

深基坑開挖滑動(dòng)面與支護(hù)錨桿內(nèi)力的計(jì)算

馬文國(guó)1，2，王蘭民1，3，李學(xué)豐2，楊有貞2

(1.蘭州大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000;2.寧夏大學(xué) 物理電氣信息學(xué)院 固體力學(xué)研究所，寧夏 銀川 750021; 3.中國(guó)地震局 黃土地震工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000)

以銀川地區(qū)某商業(yè)綜合體的深基坑開挖支護(hù)為對(duì)象，研究深基坑開挖過程中使用中空注漿錨桿護(hù)坡的機(jī)理。首先對(duì)深基坑分步開挖沒有錨桿支護(hù)產(chǎn)生的塑性應(yīng)變及水平位移進(jìn)行了計(jì)算，確定了邊坡滑動(dòng)面的位置，計(jì)算出的無(wú)支護(hù)分層開挖深基坑所形成的塑性貫通區(qū)域和瑞典法計(jì)算的滑動(dòng)面相似。其次根據(jù)滑動(dòng)面的位置選擇錨桿的支護(hù)方式和長(zhǎng)度，對(duì)設(shè)計(jì)采用的錨桿的內(nèi)力進(jìn)行了計(jì)算，錨桿的受力隨著開挖而動(dòng)態(tài)變化。計(jì)算結(jié)果說明，中空注漿錨桿護(hù)坡是一種經(jīng)濟(jì)可行的加固措施。

深基坑 滑動(dòng)面 中空注漿錨桿 內(nèi)力

基坑工程是巖土工程的重要組成部分，它是指建筑物基礎(chǔ)工程或地下工程施工中所進(jìn)行的基坑開挖、降水、支護(hù)和土體加固以及監(jiān)測(cè)等綜合性工程。錨固技術(shù)從1890年被發(fā)明以來，德國(guó)、法國(guó)和美國(guó)在20世紀(jì)70年代開始對(duì)其深入研究與推廣，而我國(guó)是從改革開放以后逐漸開始研究和廣泛應(yīng)用的，其主要功能是加固各種類型的邊坡［1］。隨著城市高層建筑的不斷增多，基坑開挖工程越來越多，錨噴支護(hù)應(yīng)用也越來越多［2-4］。從地下工程到邊坡支護(hù)錨固技術(shù)的應(yīng)用范圍日益廣泛，這種先進(jìn)的支護(hù)方法因具有成本低廉、施工速度快、場(chǎng)地環(huán)境要求低和安全系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)而受到青睞［5］。關(guān)于各類錨固技術(shù)從實(shí)踐中總結(jié)出了很多工程經(jīng)驗(yàn)，形成了《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》等行業(yè)規(guī)范［6］。最常使用的錨桿一端與擋土墻或噴射混凝土面板聯(lián)結(jié)，另一端錨固在地基的土層或巖層中?，F(xiàn)代支護(hù)主要使用各種類型的中空注漿錨桿，主要形式有普通中空注漿錨桿、自進(jìn)式注漿錨桿、漲殼式中空注漿錨桿和組合式中空注漿錨桿。中空注漿錨桿相對(duì)于實(shí)心錨桿可以獲得更大的剛度和抗剪強(qiáng)度，通過中空錨桿體向鉆孔中壓力注漿，可以使土體和注漿體之間形成強(qiáng)度更高的膠結(jié)體，既可以阻斷地下水腐蝕金屬桿體，又可以增大注漿錨桿和巖土體的摩擦力而提高錨桿的抗拔能力，從而達(dá)到良好的支護(hù)目的［7］。

基坑支護(hù)作為一個(gè)結(jié)構(gòu)體系，應(yīng)滿足穩(wěn)定和變形的要求，為保證地下結(jié)構(gòu)施工及基坑周邊環(huán)境的安全，對(duì)基坑側(cè)壁及周邊環(huán)境采用支護(hù)措施［8］。分層開挖及各種類型的支護(hù)工序?qū)嵺`中應(yīng)用很多，深基坑和山體道路的支護(hù)中中空注漿錨桿支護(hù)技術(shù)不僅能夠起到臨時(shí)支護(hù)土體開挖的作用，還能夠?yàn)檫吰碌拈L(zhǎng)期穩(wěn)定提供有力保障。能夠起到承載側(cè)壓力并能夠控制其發(fā)展，防止過大變形，中空注漿錨桿能使土體的強(qiáng)度增加，同時(shí)還能夠使土坡本身的穩(wěn)定性增加，是一種典型的主動(dòng)制約結(jié)構(gòu)［9-10］。

本工程基坑開挖形成二級(jí)邊坡，一邊開挖一邊使用中空注漿錨桿進(jìn)行支護(hù)，錨桿的長(zhǎng)度根據(jù)瑞典法或者通過分步開挖有限元的計(jì)算滑動(dòng)面進(jìn)行比較來確定。本文依據(jù)采用的支護(hù)方式計(jì)算坡體塑性應(yīng)變和錨桿內(nèi)力。

1 工程概述

本工程為銀川某商業(yè)綜合體的基坑開挖項(xiàng)目，基坑為規(guī)則長(zhǎng)方形，長(zhǎng)600 m，寬300 m，深14.45 m?；舆吰路謨杉?jí)開挖，上半部分坡度為1∶0.6，下半部分坡度1∶0.7。土層從上向下依次為雜填土、素填土、粉質(zhì)黏土、粉土和細(xì)砂，地下水位降至15.45 m?；硬捎脟婂^網(wǎng)支護(hù)，噴射混凝土強(qiáng)度等級(jí)為 C20，面板厚80 mm;錨桿體為螺紋鋼筋 HRB400，錨桿與水平面夾角為12°，注漿孔徑 120 mm，注漿材料采用標(biāo)號(hào)為42.5R普通硅酸鹽水泥配置的水泥漿，水灰比0.5，其強(qiáng)度不低于M10。支護(hù)平面設(shè)計(jì)如圖1。

圖1 基坑開挖支護(hù)結(jié)構(gòu)平面(單位:mm)

2 支護(hù)前后滑動(dòng)面形狀及位移分布

為計(jì)算開挖引起的滑動(dòng)面位置，在沒有錨桿支護(hù)的情況下進(jìn)行分步開挖，雜填土、素填土、粉質(zhì)黏土、粉土厚度均 ＜2 m，每層土一次性開挖。細(xì)砂層厚度較大，每1 m開挖一次考慮土的蠕變效應(yīng)，蠕變時(shí)間近似等于開挖時(shí)間，也就是開挖以后臨空面的土體應(yīng)力需要經(jīng)過和開挖時(shí)間相同的時(shí)間完全釋放。分步開挖產(chǎn)生的水平滑動(dòng)位移如圖2。

圖2 塑性應(yīng)變完全貫通時(shí)水平位移等值線

從圖2可以發(fā)現(xiàn)滑動(dòng)主要發(fā)生在坡面處，和塑性應(yīng)變的分布形成對(duì)應(yīng)，最大位移同樣發(fā)生在坡腳處，最大滑動(dòng)位移為163 mm。當(dāng)向下開挖到－11.0 m時(shí)塑性區(qū)域完全貫通，塑性應(yīng)變從坡腳處開始逐漸向上發(fā)展，是典型的應(yīng)變局部化問題。最大塑性應(yīng)變可以達(dá)到18.5%，可以認(rèn)為發(fā)生了流動(dòng)破壞，使用瑞典法計(jì)算的滑動(dòng)面和此塑性貫通區(qū)域相當(dāng)。所以，開挖時(shí)應(yīng)采取支護(hù)措施，保證基坑開挖的安全。

基坑開挖支護(hù)采用設(shè)計(jì)提供的方案計(jì)算塑性應(yīng)變分布等，開挖從素填土層開始進(jìn)行錨桿支護(hù)，由于素填土和粉質(zhì)黏土黏聚力相對(duì)細(xì)砂較大，可以選擇長(zhǎng)度較短的錨桿支護(hù)。第3根錨桿在粉質(zhì)黏土層開挖結(jié)束后進(jìn)行支護(hù)，此時(shí)開挖深度已經(jīng)達(dá)到深基坑的定義深度，設(shè)計(jì)采用9 m長(zhǎng)的注漿錨桿旨在穿越潛在的滑動(dòng)面，達(dá)到下步開挖時(shí)的穩(wěn)定要求。開挖到粉土層約1/2時(shí)設(shè)計(jì)1 m的平臺(tái)，平臺(tái)以上放坡坡度為1∶0.6，平臺(tái)以下放坡坡度為1∶0.7，一直開挖到 －14.45 m處，坡度放緩能夠?yàn)榉€(wěn)定坡體提供自然條件。平臺(tái)以下部分幾乎全是細(xì)砂區(qū)域，第4根錨桿設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為9 m，以下錨桿的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度依次變短，最下層采用1.5 m的錨桿支護(hù)。支護(hù)后的水平方向位移分布如圖3。

圖3 開挖結(jié)束錨桿支護(hù)后的水平位移等值線

從圖3可以看出，開挖到底部時(shí)最大水平位移僅為21 mm，和開挖到11.0 m時(shí)沒有支護(hù)措施產(chǎn)生的水平位移 163 mm相比，水平位移僅是沒有支護(hù)的12.9%。從支護(hù)后的塑性變形和水平位移可以看出支護(hù)措施是有效的。塑性應(yīng)變的發(fā)展主要集中在平臺(tái)坡腳處和平臺(tái)下部的邊坡坡面附近，及由于開挖導(dǎo)致應(yīng)力釋放的基坑底部發(fā)生的隆起。最大塑性應(yīng)變1.37%，和開挖到11.0 m時(shí)沒有支護(hù)措施產(chǎn)生的塑性應(yīng)變18.5%相比，塑性應(yīng)變僅是沒有支護(hù)時(shí)的7.4%。

3 開挖支護(hù)過程錨桿的內(nèi)力變化

錨桿內(nèi)力在邊開挖邊支護(hù)的過程中始終在變化，支護(hù)過程中錨桿的內(nèi)力變化如圖4。錨桿的內(nèi)力分布隨開挖變化不大，內(nèi)力的大小隨開挖變化較大。錨桿的內(nèi)力大致隨開挖不斷增大，細(xì)砂層以上開挖引起的錨桿內(nèi)力變化范圍較小，當(dāng)開挖到細(xì)砂層以下時(shí)部分錨桿的內(nèi)力陡然增大。從圖4(a)可以看出，當(dāng)?shù)?根錨桿在粉質(zhì)黏土開挖過程中進(jìn)行支護(hù)時(shí)內(nèi)力分布和第1根錨桿內(nèi)力分布很相似。從圖4(b)可以看出，第3根和第4根長(zhǎng)錨桿在非錨固段的內(nèi)力大于錨固段的內(nèi)力，由于第3根和第4根錨桿的長(zhǎng)度一樣，第3根錨桿承受了很大的內(nèi)力，第4根錨桿在支護(hù)時(shí)所在區(qū)域位移很小導(dǎo)致了錨桿體內(nèi)力很小。從圖4(c)和圖4(d)可以看出，當(dāng)開挖到細(xì)砂層下部時(shí)下半部分錨桿的內(nèi)力均有所增大。

圖4 錨桿內(nèi)力隨土層開挖的大小和分布變化

4 結(jié)語(yǔ)

基坑開挖過程中計(jì)算的塑性應(yīng)變貫通區(qū)和瑞典法計(jì)算的滑動(dòng)面相似，錨桿在基坑開挖過程中主要以拉力為主是符合實(shí)際情況的。錨桿的受力不是固定不變的，它的受力隨動(dòng)態(tài)的開挖過程而持續(xù)變化，軸力不斷增大，錨桿的受力分布是不均勻的，但是隨著基坑的開挖這種不均勻性變化不大?；影l(fā)生位移才會(huì)受力，基坑位移偏小時(shí)錨桿軸力也很小?；娱_挖后靠近臨空面的錨桿和錨頭的受力較大，而錨固段的受力偏小?；觽?cè)向位移隨開挖呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，最大位移出現(xiàn)在坡腳附近。經(jīng)中空注漿錨桿加固的邊坡塑性應(yīng)變和水平位移均很小，所以采用錨桿支護(hù)是經(jīng)濟(jì)可行的方案。

［1］趙樹德，廖紅建.土力學(xué)［M］.2版.北京:高等教育出版社，2010.

［2］程良奎.巖土錨固的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2000，34(2):7-12.

［3］陳祖煜，楊健.巖土預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)的進(jìn)展［J］.貴州水力發(fā)電，2004(5):5-10.

［4］邱玥，宋二祥.深基坑錨桿—土釘復(fù)合支護(hù)的三維非線性有限元分析［J］.工程勘察，200(6):1-3，7.

［5］劉志杰.高邊坡錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)及計(jì)算問題研究［J］.基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)，2012(12):107-109.

［6］中華人民共和國(guó)建設(shè)部.JGJ 120—2012 建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012.

［7］范秋雁，趙寧，劉財(cái)林，等.基坑錨桿受力及變形機(jī)理的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)［J］.廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010，35(4): 639-643.

［8］汪班橋，郝建斌.基坑錨桿工程危險(xiǎn)性評(píng)估準(zhǔn)則與方法［J］.長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2014，34(3):80-85.

［9］崔京浩，李英.深基坑錨桿支護(hù)簡(jiǎn)要設(shè)計(jì)計(jì)算及應(yīng)用［J］.水文地質(zhì)與工程地質(zhì)，1995(5):48-53.

［10］林杭，曹平.錨桿長(zhǎng)度對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響的數(shù)值分析［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2009，31(3):470-474.

Calculation of sliding surface in deep foundation pit and internal forces in bolt supporting

MA Wenguo1，2，WANG Lanmin1，3，LI Xuefeng2，YANG Youzhen2
(1.School of Civil Engineering and Mechanics，Lanzhou University，Lanzhou Gansu 730000，China; 2.Institute of Solid Mechanics，School of Physics Electrical Engineering，Ningxia University，Yinchuan Ningxia 750021，China; 3.Key laboratory of Loess Earthquake Engineering，China Seismological Bureau，Lanzhou Gansu 730000，China)

T he supports for the evacuation of deep foundation pit of a commercially integrated building in Yinchuan，Ningxia autonomous region was taken as the object.T he mechanism of hollow grouting bolt in the process of evacuation for slope protection was researched.Firstly，the plastic stress and lateral displacement of layer evacuation process with no bolt supporting are calculated.And then the location of the sliding surface was identified.T he plastic through area without supporting layer excavation of deep foundation pit is similar to the sliding surface calculated by the Sweden method.Secondly，according to the location of the sliding surface to choose the supporting approach and length，then carries out internal force calculation for the bolt used.T he internal force changes with the proceed of the excavation.T he results indicate that the hollow grouting bolt is an economical and practical choice for reinforcement.

Deep foundation pit;Sliding surface;Hollow grouting bolt;Internal force

U417.1+16

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.11.18

(責(zé)任審編 趙其文)

2015-05-20;

:2015-08-09

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51368050，11202112);寧夏科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(201301)

馬文國(guó)(1980— )，男，講師，博士研究生。

1003-1995(2015)11-0058-03