吳 炎， 王逸波， 顧晨霞， 胡 坤

(1. 常州大學(xué) 懷德學(xué)院， 江蘇 靖江 214500； 2. 常州大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院， 江蘇 常州 213164)

在城市基坑工程施工中，市政道路、管線和高層建筑物大多分布在基坑周圍，環(huán)境復(fù)雜，施工條件惡劣[1～3]，而這些建筑物又對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)和周圍土體的變形有嚴(yán)格要求[4,5]。

隨著設(shè)計(jì)和施工水平的發(fā)展，深大基坑也由單一的支護(hù)體系向復(fù)合支護(hù)體系過度，土釘墻支護(hù)與樁錨支護(hù)在我國運(yùn)用較為普遍[6]，將兩者相結(jié)合的土釘-樁錨支護(hù)對深基坑具有很強(qiáng)的適用性[7]，相關(guān)研究表明，采用土釘墻加樁錨的支護(hù)方式在犧牲一部分臨場用地的基礎(chǔ)上能顯著降低工程造價(jià)[8]。

而最新的《基坑工程支護(hù)規(guī)程》中，對土壓力的計(jì)算依舊采用朗肯土壓力，而土體在變形過程中，往往都未達(dá)到極限狀態(tài)，實(shí)際土壓力大于主動(dòng)壓力[9]，同時(shí)，采用彈性地基梁法計(jì)算樁體變形時(shí)[10]，m值的選取也不是單一的，工程地質(zhì)規(guī)范和經(jīng)驗(yàn)公式給出的值兩者并不一樣，這就給設(shè)計(jì)人員帶來一定困擾[11,12]。

在前人的研究中，基坑變形過程中土壓力的研究較多，但是對于其變化與m值結(jié)合對樁體變形的影響則較少。本文對土釘-樁錨支護(hù)中樁錨支護(hù)段采用不同土壓力計(jì)算模型與不同“m”值進(jìn)行樁體變形計(jì)算，給出樁體內(nèi)力變化與樁體水平變形特征，并將樁體計(jì)算結(jié)果與模擬值和監(jiān)測值進(jìn)行對比，提出相應(yīng)建議。

1 工程概況

1.1 工程簡介

本場地位于常州市龍城大道、晉陵中路路口，北側(cè)為龍城大道，西側(cè)為惠山南路，南側(cè)為錦繡路，東側(cè)為晉陵中路?；有螤畈灰?guī)則，基坑面積約134000 m2，周長約1550 m?；哟蠓秶_挖深度約12.35～14.00 m(局部地下一層開挖深度約9.80 m)。

1.2 周邊環(huán)境

本工程周邊環(huán)境復(fù)雜?；邮┕きh(huán)境保護(hù)主要敏感目標(biāo)為路面，以及路面以下的通信線、給水管、燃?xì)夤芤约懊簹夤芫€等，對于建筑物的影響主要是地鐵車站風(fēng)井、雨水泵房的基礎(chǔ)和住宅小區(qū)，因此對于周邊環(huán)境的沉降以及建筑物的傾斜監(jiān)測非常重要。

1.3 土層條件

基坑土層參數(shù)指標(biāo)如表1。

表1 基坑土層

1.4 圍護(hù)設(shè)計(jì)

基坑主要采用上部自然放坡(土釘墻)+下部樁錨的支護(hù)體系。樁錨支護(hù)主要是鉆孔灌注樁+三軸攪拌樁(止水帷幕)+高壓旋噴錨索的支護(hù)型式，樁間采用噴漿保護(hù)處理。

基坑坑內(nèi)采用井管疏干降水+明溝集水井的排水方式，基坑外(止水帷幕外)主要采用管井降水(降低第一承壓水水位)的降水方式，基坑北側(cè)為二級(jí)放坡+止水帷幕的圍護(hù)型式。圖1為基坑土釘-樁錨支護(hù)的形式。

圖1 支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面/mm

其工況劃分如表2：

表2 工況劃分

2 理論計(jì)算

以彈性地基梁法為基礎(chǔ)，結(jié)合黃強(qiáng)推導(dǎo)的適合手算的公式和參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)，針對土壓力采用不同的計(jì)算模型，由于不同方法計(jì)算的拼寫較長，所以簡寫如下：

A方法：朗肯土壓力下選用工程地質(zhì)規(guī)范的m值進(jìn)行計(jì)算；

B方法：線性法土壓力下選用工程地質(zhì)規(guī)范的m值進(jìn)行計(jì)算；

C方法：朗肯土壓力下選用經(jīng)驗(yàn)公式求出的m值進(jìn)行計(jì)算；

D方法：線性法土壓力下選用經(jīng)驗(yàn)公式求出的m值進(jìn)行計(jì)算。

圖2為工況五樁身彎矩圖，從圖中可以看出，采用線性法計(jì)算的樁身彎矩最大值是采用朗肯土壓力法計(jì)算的2倍多。在相同情況下，不同m值對樁身彎矩的影響較小，兩者的差值小于10%，在不同工況下，線性法土壓力下選用工程地質(zhì)規(guī)范的m值進(jìn)行計(jì)算的樁身彎矩值最大。在坑底以上，無論是正彎矩還是負(fù)彎矩，其最大值往往小于坑底的最大值。

圖2 工況五樁身彎矩

圖3為工況五樁身剪力圖，從圖中可以看出，在工況五時(shí)，線性法土壓力下選用工程地質(zhì)規(guī)范的m值求出的最大剪力大小達(dá)到了極大值，為450 kN。采用線性法土壓力計(jì)算出的最大剪力值大小在同一深度處皆大于采用朗肯土壓力的情況。與彎矩情況類似，在相同的情況下，不同m值對樁身剪力的影響較小，土壓力的計(jì)算方法對剪力的變化起著主導(dǎo)作用。

圖3 工況五樁身剪力

由于錨索的存在，剪力往往在達(dá)到極大值時(shí)會(huì)產(chǎn)生突變，因此，錨索對樁身的剪力有著很好的約束作用[13]。不同工況下坑底水平位移如圖4所示：

圖4 不同工況下坑底水平位移

從圖中可以看出，隨著工況的漸進(jìn)，即隨著開挖的增加，坑底水平位移總體呈上升趨勢。然而，在工況二時(shí)，朗肯土壓力下求出的坑底位移會(huì)有小幅度下降，其范圍約0.2 mm，這是工況二支錨的緣故，在工況一到工況二土壓力不變的情況下，錨索會(huì)使得土體產(chǎn)生向坑外的位移。但是，在工況四時(shí)，即支第二根錨索時(shí)，四種情況下，坑頂位移都是在增加的，即根據(jù)圖4發(fā)現(xiàn)，此時(shí)，錨索內(nèi)力重分布，但水平位移增加的量也非常小，最大為2.3 mm，最小只有0.05 mm。

在四種情況下，線性法土壓力下選用經(jīng)驗(yàn)公式求出的m值計(jì)算出的坑底位移最大，且在開挖到7.9 m時(shí)，坑底位移達(dá)到最大，有18.537 mm，而朗肯土壓力下選用工程地質(zhì)規(guī)范的m值求出的坑底位移最小，在開挖7.9 m時(shí)的坑底位移僅有5.345 mm，其他兩種情況介于這兩者之間。

樁頂位移在基坑工程中有更為直觀的體現(xiàn)，不同工況下樁頂位移如圖5所示：

圖5 不同工況下樁頂水平位移

如圖5所示，樁頂水平位移的變化趨勢與坑底水平位移的趨勢相同。但與之相比，由于基坑上部錨索的影響，朗肯土壓力下求出的坑頂位移與線性法土壓力下求出的位移相差較大，幅度最大為58.68%，最小為43.06%。而在相同計(jì)算土壓力的情況下，m值對樁頂位移的影響較小，變化幅度最大為26.05%，最小為6.54%，且最大值出現(xiàn)在線性土壓力模式下，最小值出現(xiàn)在朗肯土壓力模式下。

3 監(jiān)測方案

該地塊自2015年9月中旬開始進(jìn)場進(jìn)行監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)及初始值采集，9月24日工程樁及基坑圍護(hù)樁開始施工，至2016年7月初一期基坑(東、南、西三側(cè))回填完畢，一期現(xiàn)場監(jiān)測工作全面結(jié)束。監(jiān)測點(diǎn)的布設(shè)見圖6。本工程累計(jì)監(jiān)測歷時(shí)約9個(gè)月，其中監(jiān)測工作階段大致劃分如下：

(1)第一階段(2015年9月15日～2015年10月13日)：工程樁、基坑圍護(hù)樁施工及坑內(nèi)疏干降水施工。

(2)第二階段(2015年10月14日～2016年1月24日)：土方開挖施工。本階段自2015年10月14日土方開挖開始起，至2015年12月31日基坑土方基本開挖完成，直至2016年1月24日基礎(chǔ)大底板全部澆筑完成(東側(cè)斜撐區(qū)域后做)。

(3)第三階段(2016年1月25日～2016年7月05日)：地下結(jié)構(gòu)施工。本階段基坑底板養(yǎng)護(hù)達(dá)到一定強(qiáng)度后，施工地下結(jié)構(gòu)，至2016年4月上旬開始回填，直至2016年7月回填完畢。

圖6 監(jiān)測點(diǎn)布置

4 樁身水平位移的計(jì)算值、監(jiān)測值以及模擬值對比分析

將監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)合理論計(jì)算的樁身水平位移，兩者進(jìn)行對比分析，如圖7所示。

圖7 計(jì)算位移與監(jiān)測水平位移對比

從圖7可以看出，工況一和工況二，無論哪種方法計(jì)算樁身位移，其與監(jiān)測的水平位移差距都比較小，范圍在1 mm以內(nèi)，這也與開挖深度較淺有關(guān)。隨著開挖深度的加深，在工況三與工況四時(shí)，朗肯土壓力下計(jì)算的坑底水平位移小于監(jiān)測值，其相差范圍在37.6%～42.07%之間，而采用線性土壓力法計(jì)算的坑底水平位移都大于監(jiān)測值，且在線性法土壓力下選用工程地質(zhì)規(guī)范的m值進(jìn)行計(jì)算的水平位移與監(jiān)測值差距最小，幅度僅有11.23%與25%。在工況五時(shí)，不同方法計(jì)算的坑底位移與監(jiān)測值差距各不相同，其中，線性法土壓力下選用經(jīng)驗(yàn)公式求出的m值計(jì)算的坑底位移與監(jiān)測值相差最大，前者比后者大了55.75%，而線性法土壓力下選用工程地質(zhì)規(guī)范的m值和朗肯土壓力法選用經(jīng)驗(yàn)公式求出的m值計(jì)算的坑底位移則相對較小，其變化幅度分別為28.7%，2.4%。

對基坑監(jiān)測的最大水平位移隨工況的變化(開挖0.5 m，開挖4.5 m，開挖7.9 m)進(jìn)行擬合，其擬合曲線如圖8所示。

圖8 最大水平位移隨開挖擬合圖

從擬合圖中可以看出，其擬合曲線為y=1.386+0.202x，R2=0.999，可認(rèn)為其擬合函數(shù)符合一次函數(shù)y=a+bx，隨著開挖深度的增加，其最大水平位移也在逐漸增加。支錨工況會(huì)影響一次函數(shù)系數(shù)的取值，但是趨勢不會(huì)改變，水平位移值只會(huì)略微縮小。

對比發(fā)現(xiàn)，除了工況一與工況二，其他工況的計(jì)算樁頂位移都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于監(jiān)測值，特別是工況五時(shí)，即開挖7.9 m時(shí)，線性法土壓力下選用經(jīng)驗(yàn)公式求出的m值計(jì)算的樁頂位移是監(jiān)測值的4倍多，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際情況。本文在計(jì)算樁頂位移時(shí)，假設(shè)樁身是剛性樁，然而樁產(chǎn)生的是柔性變形，因此筆者認(rèn)為在計(jì)算樁頂位移時(shí)可以將由轉(zhuǎn)角產(chǎn)生的位移乘以樁身變形系數(shù)，修正后的計(jì)算公式為，

式中：Δ0為支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部水平位移；Δ為基坑底樁水平位移；α為變形系數(shù)；h為基坑開挖深度；θ為剛性轉(zhuǎn)角；δot，δoc分別為三角形土壓力、矩形土壓力對應(yīng)的柔度系數(shù)；et,ec分別為梯形土壓力中三角形部分、矩形部分土壓力強(qiáng)度；δoi為錨桿變形系數(shù)；Ti為錨桿拉力。

修正后的計(jì)算樁頂位移(以工況5為例)如圖9所示：

圖9 修正樁頂位移與監(jiān)測值、模擬值對比

從圖中可以看出，采用朗肯土壓力計(jì)算的樁頂位移與監(jiān)測值和模擬值都比較接近，兩者相差小于20%，但是除了工況四，其他工況下計(jì)算的樁頂位移都是小于監(jiān)測值，其對于基坑的安全是不利的。線性法土壓力計(jì)算的樁頂位移遠(yuǎn)大于監(jiān)測值，且計(jì)算的樁頂位移是監(jiān)測值的兩倍，其計(jì)算對于基坑而言是偏于安全的。

對比監(jiān)測值與模擬值，除了在支錨的工況一、工況二階段模擬值大于監(jiān)測值，其他工況下樁頂位移的模擬值皆小于監(jiān)測值。發(fā)現(xiàn)在工況二與工況三時(shí)，兩者相差較大，其值為2.2，2.5 mm。在工況一與工況四時(shí)，兩者相差較小，差值為1.2，1.3 mm。這是由于實(shí)際監(jiān)測點(diǎn)是在土方開挖后護(hù)坡形成時(shí)放置，而樁頂水平位移的模擬值是與上部土方放坡開挖同步進(jìn)行的，這與加載值存在連續(xù)性也有關(guān)。

5 結(jié) 論

根據(jù)以上數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可得出以下結(jié)論

(1)進(jìn)行樁錨結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，由于錨桿的存在，土體沒有達(dá)到破壞的極限值，土壓力的大小往往在極限土壓力與靜止土壓力之間，根據(jù)本文的數(shù)據(jù)，可對土壓力進(jìn)行修正，認(rèn)為p′=αp，其中p′為實(shí)際土壓力；p為靜止土壓力；α為修正系數(shù)，其值為0.28～0.54，支錨過程可取較大值，開挖過程可取較小值。

(2)采用不同的m值對錨固力和基坑變形都有較大影響，采用工程地質(zhì)規(guī)范的m值較采用經(jīng)驗(yàn)公式求出的m值大，但解得的基坑變形相對較小，但是后者更貼近實(shí)際值。

(3)彈性法計(jì)算基坑變形假設(shè)樁體都是剛性樁，實(shí)際中樁身位移都是柔性變化的，因此對樁頂位移的計(jì)算公式進(jìn)行修正，修正公式如下：

(4)采用朗肯土壓力下選用工程地質(zhì)規(guī)范的m值求出的坑底位移與監(jiān)測值和模擬值相近，其誤差大小在1 mm以內(nèi)。