吳曙光，韓培宇，宋 康，彭 朋

(1.山地城鎮(zhèn)建設與新技術教育部重點實驗室(重慶大學)，重慶 400045； 2.重慶大學 土木工程學院, 重慶 400045；3.蘇州高新景楓投資發(fā)展有限公司，江蘇 蘇州 215010； 4. 長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢430010)

隨著我國城市建設不斷深化，高層建筑和超限超高層建筑不斷涌現(xiàn)，深基坑工程也越來越密集，不可避免地遇到相鄰深基坑等問題。在某些情況下，相鄰深基坑之間的坡體由于特殊原因無法進行開挖，且其距離較短，一般樁錨支護結構無法對其進行有效支護。為滿足基坑支護要求，就必須考慮樁支護與其他支護相結合的方式。對拉錨固技術是提供一種在滿足2個基坑間小凈距情況下，可保證支護結構本身安全，保證周圍建(構)筑物安全和正常使用的支護方式[1]。

目前，已有學者對對拉錨固結構做了一些有意義的研究工作。歐陽仲春[2]采用彈性土壓力來計算拉桿的拉力，并根據(jù)彈性理論推導出彈性土壓力的表達式；康景文等[3]提出了此種結構破壞狀態(tài)的一個判別標準和基于此判別標準的一種新設計計算方法；張宏博等[4]設計了室內模型試驗，監(jiān)測并分析了對拉式擋土墻在傾覆破壞和沉降破壞時墻背側向土壓力分布特征及拉筋應力變化規(guī)律。對拉錨固技術在橋臺加固、橋側墻加固、隧道加固等方面有較多的應用和研究，但在基坑工程中，特別是結合樁的對拉錨索支護結構則需要進一步研究。

筆者以某一采用樁-對拉錨索支護形式的基坑工程為例，在充分考慮錨索豎向間距、樁直徑、相鄰基坑間距、錨索預應力、樁間距、樁嵌固段長度等6個因素對樁-對拉錨索支護結構性能影響基礎上，利用FLAC3D軟件進行支護參數(shù)敏感性分析。

1 工程概況

某工程總建筑面積13.8×104m2，地上建筑面積約8.7×104m2，包含2棟高層辦公樓，商業(yè)裙樓以及相關用房。按設計標高整平場地，在地下室四周將形成高度約20 m基坑邊坡。在其基坑東側與相鄰項目的基坑坡后土體地表下約2～5 m范圍內埋設有電力管涵和給排水管道。兩項目基坑間距約為15 m，基坑間有重慶市江北區(qū)主供電電纜箱涵通過，關系到整個江北區(qū)的供電和供水問題，坡體不能挖掘。且一旦邊坡穩(wěn)定性不能得到有效保障，整個江北區(qū)供電供水將會受到影響。因此必須采取有效的支護形式以確保在基坑施工過程中的安全。若對相鄰近距離基坑進行分別單獨設置錨索，則會造成其錨索長度過長或者錨固段無法滿足要求的情況。

設計采用樁+對拉錨索的支護結構來保證坡體穩(wěn)定性以及控制變形?；又ёo豎樁為直徑1.5 m圓樁，樁中心距為3 m，混凝土強度為C30，錨索豎向間距為2.5 m。采用兩側錨索對拉方案：錨孔直徑為180 mm，17根直徑為15.2 mm的無黏結預應力錨索。支護結構剖面如圖1。土的物理力學性質如表1。

圖1 支護結構示意Fig. 1 Sketch of supporting structure

參 數(shù)土體名稱素填土中風化砂巖黏聚力/kPa302157內摩擦角/(°)20．043．6容重/(kN·m-3)21．324．8變形模量/MPa233932

2 FLAC3D數(shù)值模擬

2.1 模型建立

為簡化計算，模型寬度方向(Y軸)取兩倍樁間距；一般可取下截斷邊界至坑底的距離為最終開挖深度的3～4倍[5-7]，基坑深度20 m，因此模型高(Z軸)取80 m；長度方向(X軸)考慮基坑開挖影響，兩側各取70 m，即X軸取140 m與相鄰基坑間距之和。土體本構模型選用Mohr-Coulombr模型，彈性-理想塑性模型計算結果要好于線彈性模型，適合一般巖土力學分析，如邊坡穩(wěn)定、地下開挖[5]。預應力錨桿采用FLAC3D中的Cable單元，樁采用Pile單元，錨索和樁單元連接采用刪除-建立Link的辦法建立[8]。由于采用無黏結預應力錨索，所以Cable單元的gr_coh、gr_fric和gr_k均取0，其他參數(shù)按工程概況中實際采取方案取值。Pile單元參數(shù)分別如表2[9-12]。計算分析的整體思路為：首先完成初始應力場平衡，然后開挖，再進行樁、錨桿等施工。FLAC3D數(shù)值計算模型見圖2。

表2 樁單元參數(shù)Table 2 Parameters for pile unit

圖2 FLAC3D數(shù)值計算模型Fig. 2 Numerical calculation model of FLAC3D

由于模型較多，為優(yōu)化計算，筆者采用參數(shù)化建模的思想，設置6個核心參數(shù)，即筆者關注的6個影響因素。其他參數(shù)，如慣性矩、截面積、周長等通過FLAC3D自動計算。因此每次計算只需改變核心參數(shù)，可節(jié)約時間與精力。

2.2 分析方案

筆者考慮錨索豎向間距(因素A)、樁直徑(因素B)、相鄰基坑間距(因素C)、錨索預應力(因素D)、樁間距(因素E)、樁嵌固段長度(因素F)這6個因素對樁-對拉錨索支護結構性能的影響，具體為樁身彎矩、錨索軸力、樁后土體位移等3方面。選定一種方案為基本方案，每次改變一個參數(shù)取值?；痉桨笧殄^索豎向間距2.5 m、樁直徑1.5 m、樁間距3 m、錨索預應力500 kN、相鄰基坑間距15 m、樁嵌固段長度7 m。各參數(shù)的取值見表3。

表3 影響因素和水平Table 3 Influence factors and levels

3 結果及分析

3.1 錨索豎向間距對性能的影響

保持其他參數(shù)同2.2節(jié)中所述基本方案一致，僅調整錨索間距，建立錨索間距為2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 m這 5種工況下的計算模型，分別獲得沿樁深度方向的樁身彎矩、錨索軸力、樁后土體水平位移(X方向位移，下同)變化曲線(圖3)。

由圖3(a)可知：樁身彎矩呈“波浪形”，錨索間距越大，起伏越大。波峰點即為錨索位置，這意味著在錨索作用下，樁身彎矩局部減小，錨索起到了控制彎矩的作用；計算中還發(fā)現(xiàn)：錨索面積越大，彎矩曲線呈“波浪形”這一特點也越明顯。錨索豎向間距由2 m增大到4 m，樁身最大彎矩由1 498 kN·m增長為2 967 kN·m，增長值1 469 kN·m，最大彎矩值為2 m時的1.98倍。

由圖3(b)可知：錨索軸力的最大值出現(xiàn)在下部的錨索當中。錨索豎向間距由2 m增大到4 m，錨索最大軸力由597 kN增長為815 kN，增長值218 kN，最大軸力為2 m時的1.36倍。

由圖3(c)可知：樁頂后土體位移并不是偏向基坑一側，而是出現(xiàn)反向位移。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是：一方面是預應力存在引起的；另一方面也與對拉錨索遠端固定在樁上，而不是錨固在土體當中有關，這種支護形式大大增強了錨索錨固能力。隨著錨索間距增大，上部樁后土體位移變小，下部樁后土體位移變大。樁后最大土體位移在接近基坑中下部最大，然后快速減小。增大錨索間距，位移變大，但增大的量有所減小。

圖3 錨索間距對性能的影響Fig. 3 Influence of the spacing of anchor cables on performance

3.2 樁直徑對性能的影響

保持其他參數(shù)同2.2節(jié)中所述基本方案一致，僅調整樁直徑，建立直徑為1.2、1.5、1.8、2.1、2.4 m這5種工況下的計算模型，分別獲得沿樁深度方向的樁身彎矩、錨索軸力、樁后土體水平位移變化曲線(圖4)。

由圖4(a)可知：樁身彎矩仍然呈現(xiàn)出“波浪形”，但隨著樁直徑的增大、樁身抗彎能力的提高，這一特點逐漸變弱，錨索局部減小彎矩的作用被弱化。另外可看出：隨著樁直徑增大，嵌固段彎矩“零點”從22.5 m處逐漸轉移到25 m處，即樁的有效抗彎長度隨著樁徑增大而變長，因此樁嵌固長度的選擇要充分考慮樁徑影響。樁直徑由1.2 m增大到2.4 m，樁身最大彎矩由1 272 kN·m增長為2 754 kN·m，增長值1 482 kN·m，最大彎矩值為1.2 m時的2.16倍。

由圖4(b)可知：錨索軸力并沒有呈現(xiàn)類似圖4中整體變大或變小的趨勢。隨著樁直徑增大，上部錨索軸力變大，下部錨索軸力變小，各排錨索軸力分布因樁直徑的增大而變得更加“均勻”，即不同錨索間軸力差值變小，有利于充分發(fā)揮材料性能。樁直徑由1.2 m增大到2.4 m，錨索最大軸力由702 kN減小為545 kN，減小值為157 kN，最大軸力為1.2 m時的0.78倍。

由圖4(c)可知：樁后土體位移變化規(guī)律較圖5有所變化。隨著樁直徑增大，上部樁后土體位移變小，下部樁后土體位移也變小，樁后土體位移分布更加“均勻”。當樁直徑小于1.5m時，樁后土體位移沒有得到有效控制，建議樁徑不小于1.5 m。

3.3 相鄰基坑間距對性能的影響

保持其他參數(shù)同2.2節(jié)中所述基本方案一致，僅調整相鄰基坑間距，建立間距為11、14、17、20、23 m這5種工況下的計算模型，分別獲得沿樁深度方向的樁身彎矩、錨索軸力、樁后土體水平位移變化曲線(圖5)。

圖4 樁直徑對性能的影響Fig. 4 Influence of the pile diameter on performance

圖5 相鄰基坑間距對性能的影響Fig. 5 Influence of the spacing of adjacentfoundation pits on performance

由圖5(a)可知：隨著基坑間距增大，樁身彎矩呈增長趨勢，但隨著基坑間距增加，彎矩的增長趨勢逐漸變緩，間距23、25 m情況相差不大。不同間距下彎矩值的差異主要體現(xiàn)在基坑底面兩側最大極值點處，而其他位置差異較小。相鄰基坑間距由11 m增大到23 m，樁身最大彎矩由1 556 kN·m增長為2 497 kN·m，增長值941 kN·m，最大彎矩值為11 m時的1.6倍。

由圖5(b)可知：相鄰基坑間距由11 m增大到23 m，錨索最大軸力由665 kN減小為646 kN，總體上基坑間距的變化對錨索軸力的影響不大。

由圖5(c)可知：隨著基坑間距增大，樁后土體位移呈增長趨勢，但隨著基坑間距增加，位移的增長速度逐漸變緩，同樣樁身彎矩也存在這一現(xiàn)象，這是由于當基坑間距大于破裂線水平投影長度后，樁后土壓力增加緩慢的原因引起。

3.4 預應力對性能的影響

保持其他參數(shù)同2.2節(jié)中所述基本方案一致，僅調整錨索預應力，建立錨索預應力為300、400、500、600、700 kN這 5種工況下的計算模型，分別獲得沿樁深度方向的樁身彎矩、錨索軸力、樁后土體水平位移變化曲線(圖6)。

圖6 錨索預應力對性能的影響Fig. 6 Influence of the prestressed anchor cable on performance

由圖6(a)可知：樁身彎矩隨著錨索預應力增加而變小，特別是基坑底面以下的彎矩極值大幅減小。錨索預應力由300 kN增大到700 kN，樁身最大彎矩由2 679 kN·m減小為1 263 kN·m，減少值為1 416 kN·m，最大彎矩值為300 kN時的0.47倍。這意味著可通過增大預應力方式，顯著減小樁身的控制彎矩，從而減少樁的配筋，有效節(jié)約工程造價。

由圖6(b)可知：隨著錨索預應力增大，錨索軸力呈增長趨勢，越接近基坑底部增長的幅度越大。錨索預應力由300 kN增大到700 kN，錨索最大軸力由583 kN增大為769 kN，增大值為186 kN，最大軸力為300 kN時的1.32倍。

由圖6(c)可知：不同預應力作用下，樁后土體位移并不是簡單地變大或變小，而是呈現(xiàn)一種整體向基坑外側偏移的趨勢。

3.5 樁間距對性能的影響

保持其他參數(shù)同2.2節(jié)中所述基本方案一致，僅調整樁間距，建立樁間距為2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 m這5種工況下的計算模型，分別獲得沿樁深度方向的樁身彎矩、錨索軸力、樁后土體水平位移變化曲線(圖7)。

圖7 樁間距對性能的影響Fig. 7 Influence of the pile spacing on performance

由圖7(a)可知：樁身彎矩沿樁深度方向呈“S形”，且控制彎矩都位于嵌固段。樁間距由2 m增大到4 m，樁身最大彎矩由930 kN·m增大為2 359 kN·m，增大值為1 426 kN·m，最大彎矩值為2 m時的2.54倍?？梢姌渡韽澗貙堕g距比較敏感，因此要綜合考慮造價和支護效果等因素，選擇合理樁間距。

由圖7(b)可知：由于基坑底部位移較小，最下一排錨索軸力基本和預加軸向拉力值保持一致。樁間距由2 m增大到4 m，錨索最大軸力由553 kN增大為751 kN，增大值為198 kN，最大軸力值為2 m時的1.36倍。

由圖7(c)可知：隨著樁間距增大，樁后土體位移呈現(xiàn)一種整體向基坑內側偏移的趨勢，當間距大于3.5 m時位移增長迅速，建議樁間距不宜大于3倍樁徑。

3.6 樁嵌固段長度對性能的影響

保持其他參數(shù)同2.2節(jié)中所述基本方案一致，僅調整樁嵌固段長度，建立嵌固段為4、5、6、7、8 m這5種工況下的計算模型，獲得沿樁深度方向的樁身彎矩、錨索軸力、樁后土體水平位移曲線沒有變化。這意味：當嵌固長度滿足一定深度后，嵌固長度變化對樁身彎矩、預應力錨索軸力、樁后土體位移沒有影響，嵌固長度可取3倍樁徑。在實際工程要合理選擇樁嵌固段長度，節(jié)約工程造價。

4 結 論

1)預應力錨索的設置使樁身彎矩局部呈“波浪形”。錨索錨固在樁上和預應力的存在使樁頂后土體位移并不是偏向基坑一側，而是出現(xiàn)反向位移。

2)隨著樁直徑增大、樁身抗彎能力提高，樁身彎矩呈現(xiàn)出“波浪形”這一特點逐漸變弱。樁的有效抗彎長度隨著樁徑增大而變長。各排錨索軸力分布因樁直徑的增大而變的更加“均勻”。樁后土體位移分布也更加“均勻”，建議樁徑不小于1.5 m。

3)隨著基坑間距增大，樁身彎矩和樁后土體位移呈增長趨勢，但隨著基坑間距增加，增長速度逐漸變緩，這是由于當基坑間距大于破裂線水平投影長度后，樁后土壓力增加緩慢的原因引起的。

4)可通過增大預應力方式，顯著減小樁身的控制彎矩，從而減少樁的配筋，有效節(jié)約工程造價。

5)樁身彎矩沿樁深整體呈“S形”，且控制彎矩都位于嵌固段，建議樁間距不宜大于3倍樁徑。

6)當嵌固長度滿足一定深度后，嵌固長度變化對樁身彎矩、預應力錨索軸力、樁后土體位移沒有影響，故嵌固長度可取3倍樁徑。

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