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        無支撐前斜后直傾斜雙排樁支護監(jiān)測與分析*

        2021-03-03 07:45:28余地華張松波
        施工技術(shù)(中英文) 2021年1期
        關(guān)鍵詞:斜樁連梁支護樁

        余地華,田 野,2,張 濤,張松波,宋 志,2

        (1.中建三局集團有限公司工程總承包公司,湖北 武漢 430064; 2.湖北中建三局建筑工程技術(shù)有限責(zé)任公司,湖北 武漢 430070)

        0 引言

        由于深基坑支護工程為臨時性工程,伴隨著基坑支護結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜、支護費用越來越高、支護對環(huán)境的影響越來越嚴(yán)重,基坑支護工程也帶來了巨大的資源浪費和環(huán)境破壞。為此,減少基坑支護工程費用的占比、提高基坑支護的綠色、節(jié)約化水平,提倡節(jié)約型新型無支撐或少支撐基坑支護技術(shù)意義重大。

        近些年國內(nèi)進行了軟土中無支撐支護技術(shù)的嘗試[1],鄭剛等提出新型的傾斜樁支護方法,無需水平支撐,用適當(dāng)角度的傾斜單排樁代替豎直單排樁作為基坑支護結(jié)構(gòu),從而能夠在相同條件下減小排樁的變形與內(nèi)力[1-4]。

        基坑工程中因地層的差異性及周邊環(huán)境的復(fù)雜性,導(dǎo)致很多支護結(jié)構(gòu)的工作機理存在不確定因素[5-6]。為研究“前斜后直”傾斜樁在基坑開挖過程中的變形特性及內(nèi)力狀態(tài),本文以工程實例為基礎(chǔ),通過設(shè)置斜測儀、鋼筋應(yīng)力計及應(yīng)變計,采用自動實時監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測支護樁結(jié)構(gòu)內(nèi)力、位移等參數(shù),并采用有限元方法進行數(shù)值分析,對比不同監(jiān)測方法以及計算值與監(jiān)測值間的差異,研究“前斜后直”雙排樁支護結(jié)構(gòu)的變形及受力特征,探討傾斜樁支護的設(shè)計方法,以期為傾斜樁基坑支護設(shè)計與施工提供一定的參考。

        1 工程概況

        1.1 工程地質(zhì)條件

        表1 地層巖土參數(shù)

        1.2 基坑支護方案

        根據(jù)現(xiàn)場實際情況,基坑總體采用三面放坡及坡體加固,另一面采用前排傾斜樁+后排直樁的支護形式,本文主要針對“前斜后直”傾斜樁進行分析研究,支護剖面如圖1所示。前排傾斜樁傾斜15°,直徑1m,間距1.5m,樁長30m;后排直樁直徑1m,間距1.5m,樁長30m。傾斜樁和直樁中心間距3m,樁頂均設(shè)置1.2m×0.9m的冠梁,并通過0.9m×0.9m的連梁連接。

        圖1 基坑支護典型剖面

        2 監(jiān)測內(nèi)容及方法

        2.1 監(jiān)測內(nèi)容

        依據(jù)監(jiān)測目標(biāo)及要求,確定本次監(jiān)測項目有:支護樁內(nèi)力、連梁內(nèi)力、深層水平位移。本次監(jiān)測針對特定斷面選擇兩幅共計4根支護樁。監(jiān)測前后樁水平位移、內(nèi)力與連梁內(nèi)力。所有監(jiān)測數(shù)據(jù)整合到同一個自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)內(nèi),實時監(jiān)控基坑施工過程中支護樁內(nèi)力和支護結(jié)構(gòu)變形,為信息化施工提供數(shù)據(jù)支撐。

        2.2 監(jiān)測方法

        支護樁內(nèi)力監(jiān)測采用鋼筋計與應(yīng)變計對比分析監(jiān)測。采用鋼筋計監(jiān)測換算步驟較多,易產(chǎn)生較大的誤差,而應(yīng)變計施工干擾較大。為了能夠?qū)Ρ确治?,得出更加精確的支護樁內(nèi)力,采用兩者結(jié)合監(jiān)測,對比分析。在ZX-15幅支護樁中采用鋼筋計監(jiān)測支護樁內(nèi)力及位移,在ZX-12支護樁中采用應(yīng)變計監(jiān)測支護樁內(nèi)力及位移,對比分析兩種方法得到的監(jiān)測結(jié)果,連梁內(nèi)力采用鋼筋計監(jiān)測。

        2.3 監(jiān)測點布設(shè)

        2.3.1監(jiān)測斷面布設(shè)及布點數(shù)量

        遠(yuǎn)離基坑側(cè)的直樁在②2,③1,④2土層各布設(shè)2個監(jiān)測斷面,土層⑤布設(shè)1個監(jiān)測斷面,共計7個斷面,4根樁共計28個斷面??拷觽?cè)的斜樁按4m斷面間距布設(shè)7個監(jiān)測斷面,4根樁共計28個斷面。監(jiān)測斷面設(shè)置埋深如表2所示,監(jiān)測點平面如圖2所示。

        圖2 監(jiān)測點平面

        表2 樁內(nèi)力監(jiān)測點埋深 m

        2.3.2連梁內(nèi)力監(jiān)測點布設(shè)

        連梁內(nèi)力監(jiān)測均采用鋼筋計,每根連梁布設(shè)8個內(nèi)力監(jiān)測點,埋設(shè)在同一斷面上,兩幅共2根連梁,共計16個監(jiān)測點。監(jiān)測斷面監(jiān)測點布設(shè)如圖3所示。

        2.3.3深層水平位移監(jiān)測

        測斜儀按1m間距埋入支護樁內(nèi),每根樁共埋入30個測斜儀,兩幅共4根樁,總計埋入120個測點,如圖4所示。

        圖4 支護結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測剖面

        2.4 監(jiān)測設(shè)備安放

        2.4.1鋼筋計布設(shè)

        支護樁及連梁內(nèi)力通過鋼筋計進行監(jiān)測。安裝埋設(shè)時,將鋼筋按要求的尺寸裁截,然后將鋼筋計對接或?qū)冈阡摻钌希⒈WC鋼筋計與鋼筋在同一軸線上,如圖5所示。鋼筋計直接布置在鋼筋籠的主筋上。安裝時應(yīng)注意盡可能使鋼筋計處于不受力狀態(tài),特別不應(yīng)處于受彎狀態(tài),將鋼筋計的導(dǎo)線逐段捆在臨近鋼筋上,引到外露的測試匣中,灌混凝土后,檢查鋼筋計的電阻值和絕緣情況,做好引出線和測試匣的保護措施。

        圖5 鋼筋計安裝示意

        2.4.2應(yīng)變計布設(shè)

        應(yīng)變計采用一對不銹鋼管卡固定于2根主筋之間。安裝埋設(shè)時,保證應(yīng)變計軸向與支護樁軸向平行。將應(yīng)變計的導(dǎo)線逐段捆在臨近鋼筋上,引到外露的測試匣中,灌混凝土后,檢查應(yīng)變計的電阻值和絕緣情況,做好引出線和測試匣的保護措施,如圖6所示。

        圖6 應(yīng)變計及安裝示意

        2.4.3測斜儀布設(shè)

        深層水平位移通過測斜儀進行監(jiān)測。本試驗使用的測斜儀為中巖科技RSM-CXY(M)微型測斜儀,埋設(shè)模式為一次性埋入測量單元,通過x,y,z三軸±180°同時測量,將無線數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),位移變化數(shù)值自動累加計算。

        2.4.4導(dǎo)線的安裝及保護

        所有埋入樁內(nèi)儀器設(shè)備的導(dǎo)線均就近捆綁于鋼筋上,向上牽引,并在距離樁頂3m左右處沿一個方向引出樁外,并在樁身的一個側(cè)面引出。導(dǎo)線引出樁外后,為防止施工過程中,特別是破樁時將導(dǎo)線損壞,所有導(dǎo)線集中于1根不銹鋼導(dǎo)管中,通過導(dǎo)管引出地面。

        2.4.5自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

        所采用的鋼筋計、應(yīng)變計屬于振弦類傳感器,故采用振弦式多通道采集儀(RSM-FAS1032)進行數(shù)據(jù)采集上傳。微型測斜儀采用RSM-DAS(M)數(shù)碼控制器及配套設(shè)置器進行數(shù)據(jù)采集上傳。

        2.4.6監(jiān)測云平臺數(shù)據(jù)管理及分析

        通過武漢中巖測控研發(fā)的基坑自動化監(jiān)測系統(tǒng),可在監(jiān)測云平臺遠(yuǎn)程查看監(jiān)測數(shù)據(jù),并對數(shù)據(jù)進行分析,設(shè)置自動預(yù)報警閾值及報警短信,在線編輯監(jiān)測報告,實現(xiàn)基坑24h實時監(jiān)測,確?;庸こ贪踩?。

        3 監(jiān)測結(jié)果分析

        3.1 位移監(jiān)測

        5月19日開挖至基坑并完成基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)施工,6月15日地下室局部回填。監(jiān)測系統(tǒng)獲取的2組前排傾斜樁及后排直樁的樁身位移如圖7所示。

        圖7 支護樁監(jiān)測位移

        1)支護樁樁身最大位移總體發(fā)生在樁頂向下的位置,其中隨時間推移或開挖深度增加,樁身最大位移下移趨勢明顯,且傾斜樁相比直樁表現(xiàn)出樁身最大位移下移更明顯,說明傾斜樁表現(xiàn)出一定斜撐效應(yīng)[4]。

        2)12號斜樁樁身最大位移為59.14mm,位于樁頂向下約6m;12號直樁樁身最大位移為41.20mm,位于樁頂向下約1m;15號斜樁樁身最大位移為56.33mm,位于樁頂向下約5m;15號直樁樁身最大位移為43.25mm,位于樁頂向下約3m,斜樁位移略大于直樁位移,且斜樁最大位移位置相比直樁離樁頂更遠(yuǎn)。監(jiān)測結(jié)果基本滿足結(jié)構(gòu)安全要求,且采用鋼筋計和應(yīng)變計監(jiān)測結(jié)果差異并不顯明。

        3.2 內(nèi)力監(jiān)測

        監(jiān)測系統(tǒng)獲取的2組前排傾斜樁及后排直樁開挖至基底工況下的樁身彎矩如圖8所示。

        圖8 監(jiān)測斷面樁身彎矩

        1)直樁與傾斜樁樁身彎矩總體一致,即上部分彎矩和下部分彎矩相反,這一變化趨勢與傳統(tǒng)垂直雙排樁一致。

        2)15號前排斜樁及后排直樁樁身彎矩均大于12號前排斜樁及后排直樁,可能是由于監(jiān)測點位的差異,也可能是采用鋼筋計監(jiān)測要大于應(yīng)變計監(jiān)測結(jié)果的原因。同時,傾斜樁樁身彎矩要顯著大于直立樁樁身彎矩。在工程設(shè)計中,直樁與斜樁配筋可進行區(qū)分。

        12號與15號前斜后直雙排樁中間連梁監(jiān)測斷面彎矩如圖9所示。2幅連梁彎矩相差較大,連梁彎矩最大值≤300kN·m,均出現(xiàn)在基坑開挖至基底后。

        圖9 監(jiān)測斷面連梁彎矩

        4 數(shù)值計算分析

        選取斜樁計算剖面,采用Midas GTS NX有限元計算軟件,按二維平面應(yīng)變考慮,模型寬度取整體基坑寬度(見圖10),寬度為130m,高度取6倍基坑開挖深度,高70m。支護地面考慮超載20kPa,除頂面外,其他三面邊界條件設(shè)置約束,模型計算方法為修正莫爾-庫侖模型,土體卸載模量對于填土和一般黏性土取3~5倍彈性模量,支護樁、連梁、冠梁等結(jié)構(gòu)單元數(shù)據(jù)參照GB50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》選取。巖土物理力學(xué)參數(shù)由勘察報告選取(見表1)。

        圖10 有限元模型

        4.1 位移結(jié)果分析

        分別計算前排斜樁和后排直樁在開挖深度2,4,6,8,10m條件下位移變化,計算結(jié)果如圖11所示。

        圖11 位移計算結(jié)果

        1)在相同支護深度,位移隨開挖深度的加深而增大,在同一開挖深度,位移隨支護深度的加深先減少后增大,在支護深度為6~10m時達(dá)到最大。前排傾斜樁和后排直樁的位移最大分別為39.090mm和36.585mm。

        2)計算得到的前排傾斜樁與后排直樁位移形態(tài)相近,而在監(jiān)測中,直樁與斜樁位移形態(tài)存在一定差異,相比斜樁,直樁更傾向懸臂樁位移形態(tài),計算樁身位移相比實測結(jié)果表現(xiàn)出更強的斜撐效應(yīng),并隨開挖深度的加深更加明顯。實測位移量相比計算值略大。

        3)計算顯示,“前斜后直”傾斜樁中前排斜樁與后排直樁樁端均產(chǎn)生一定側(cè)移,并隨開挖深度的加深更加明顯,位移量約為6~10mm,前排斜樁與后排直樁均產(chǎn)生了朝向基坑的運動趨勢,二者形成聯(lián)動整體。對比監(jiān)測結(jié)果,樁端位移量約為3~5mm,側(cè)移并不十分明顯,可能由于樁的入土深度較大,被動區(qū)抗力阻擋了樁端位移。工程設(shè)計中應(yīng)注意傾斜樁樁端位移對結(jié)構(gòu)安全的影響,并宜確保足夠的嵌固深度。

        4.2 內(nèi)力分析

        通過數(shù)值計算,得到開挖深度為8,10m時前排斜樁及后排直樁樁身彎矩情況,如圖12所示。

        圖12 計算樁身彎矩

        1)與監(jiān)測結(jié)果類似,前排斜樁與后排直樁樁身彎矩相近,并隨開挖深度加深,彎矩先增大后減小。計算樁身彎矩隨深度變化形態(tài)與監(jiān)測結(jié)果相近,計算彎矩值大于監(jiān)測值,且斜樁彎矩大于直樁彎矩,計算反彎點要小于監(jiān)測反彎點位置。

        2)在基坑開挖8~10m過程中,樁身彎矩表現(xiàn)出明顯增大,對比監(jiān)測位移與實測位移值,均在基坑開挖8~10m時,位移數(shù)據(jù)明顯增大,說明基坑挖深超過8m時,支護體系內(nèi)力及位移對挖深更敏感,支護結(jié)構(gòu)更接受安全開挖深度。

        有限元計算得到的前排斜樁與后排直樁連梁彎矩如圖13所示。計算表明,梁身呈正負(fù)彎矩形態(tài),連梁對前后排樁的位移控制發(fā)揮了比較好的協(xié)同效應(yīng),其彎矩最大值與監(jiān)測結(jié)果較接近。

        圖13 計算連梁彎矩

        通過有限元方法對“前斜后直”傾斜樁支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力及位移的計算,表明監(jiān)測結(jié)果較好地驗證了理論計算,為施工提供了技術(shù)支撐和安全保障,達(dá)到了基坑工程安全控制的目的。

        5 結(jié)語

        采用自動化實時監(jiān)測系統(tǒng)平臺,通過設(shè)置鋼筋計和應(yīng)力計進行“前斜后直”無支護傾斜樁支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移監(jiān)測,并經(jīng)有限元數(shù)值計算結(jié)果對比,檢驗監(jiān)測值與計算值差異,探討“前斜后直”傾斜樁支護結(jié)構(gòu)的有效性,經(jīng)研究得出如下結(jié)論。

        1)“前斜后直”傾斜雙排樁樁身最大位移總體發(fā)生在樁頂向下的位置,隨時間推移或開挖深度加大,樁身最大位移下移趨勢明顯,其斜撐效應(yīng)也更顯著。

        2)計算得到的前排傾斜樁與后排直樁位移形態(tài)相近,計算樁身位移相比實測結(jié)果表現(xiàn)出更強的斜撐效應(yīng),并隨開挖深度的加深更加明顯。監(jiān)測位移量相比計算值更大。監(jiān)測結(jié)果基本滿足結(jié)構(gòu)安全要求,且采用鋼筋計和應(yīng)變計監(jiān)測結(jié)果差異并不顯明。

        3)監(jiān)測及計算結(jié)果表明,直樁與傾斜樁樁身上部分彎矩和下部分彎矩相反。計算彎矩值略大于監(jiān)測值,且斜樁彎矩大于直樁彎矩。

        4)通過有限元方法對“前斜后直”傾斜樁支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力及位移的計算,并與監(jiān)測結(jié)果進行對比,表明監(jiān)測結(jié)果較好地驗證了理論計算,達(dá)到了比較好的工程效果。

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