劉先文，韓建剛

(海南大學 土木建筑工程學院，海南 ?？?70228)

隨著城市化的發(fā)展，在限制區(qū)域內對空間的需求逐漸擴大，進而對地下空間的發(fā)展就越顯急迫.但由于當前對地下巖土工程的研究還不夠透徹，基坑工程的發(fā)展亦處于半理論半經(jīng)驗的階段，因而使得深基坑樁錨支護結構的設計面臨著挑戰(zhàn).所以，在此發(fā)展現(xiàn)狀下，時有基坑倒塌事故的發(fā)生[1]，鑒此，有必要對深基坑樁錨支護結構的受力性能作進一步的研究與分析.

關于深基坑樁錨支護體系的受力性能，張欽喜等人[2]的研究表明，錨索的拉力變大會使樁身剪力變小和彎矩變大，對此數(shù)值模擬能較好地反映其規(guī)律和特點；任君等人[3]的研究也表明，樁錨支護結構具有其土壓力小于經(jīng)典土壓力的特點，所以有較大的優(yōu)化空間.考慮到深基坑樁錨支護結構的內力計算很復雜[4]，因此本文采用PLAXIS數(shù)值分析軟件來模擬基坑開挖的實際情況，以此反映基坑土壓力和樁結構的內力情況.此外，藍文兵[5]的研究表明，水位變化對錨索受力的影響較大，但有關水位變化和樁錨受力對支護體系安全性影響的研究卻較少.因此， 本文利用數(shù)值模擬軟件PLAXIS對廣西南寧某深基坑倒塌案例進行了模擬，并對該深基坑的中部錨索施加了不同大小的預應力，研究了錨索受力性能和土壓力的分布規(guī)律；同時，考慮到了地下水位的因素，分析了樁錨支護結構受力性能對深基坑安全性能的影響，為今后深基坑的錨索設計和施工提出了具有一定參考價值的結論和建議.

1 工程概況和地質情況

該項目位于廣西省南寧市，基坑支護深度22.0 m，采用放坡與樁錨支護聯(lián)合模式，如圖1所示.其中，第一級放坡深度為2.0 m，冠梁頂面位于距坑頂2.0 m的位置，樁錨支護結構設有四排預應力錨索，錨索水平間距為1.6 m，豎向間距為5.0 m，第一排錨索距離坑頂2.4 m，樁長26.0 m，錨固長度6.0 m，樁徑1.0 m，樁間距1.6 m.錨索的設計參數(shù)見表1，M1～M4分別代表第一排到第四排的錨索(以下用M1～M4表示)，M1和M2為三股1×7直徑為15.2 mm的預應力鋼絞線，M3和M4為四股1×7直徑為15.2 mm的預應力鋼絞線(見表1).

表1 錨索設計參數(shù)表

該案例的土層主要由5.0 m填土、6.2 m強風化泥巖、8.5 m強風化泥質粉砂巖以及中風化泥巖組成.根據(jù)參考文獻[6]，土層的具體參數(shù)信息見表2.該深基坑已發(fā)生長約60 m寬約15 m的塌方事故，并造成了一定的社會影響.

表2 土體物理力學參數(shù)

2 錨索支點反力的計算

通過分析和總結大量支撐力和土壓力的工程實測數(shù)據(jù)，Terzaghi和Peck提出了主動土壓力的計算簡圖，如圖2所示[7-8]，在實際計算中：

(1)當γavHe/cav>4時，用圖2(a)的土壓力分布模式來進行計算，其中，Ka在[1-4cav/(γavHe)]和0.3中取最大值；

(2)當γavHe/cav≤4時，用圖2(b)的土壓力分布模式來進行計算.

其中，γav和cav分別為各層土按厚度加權的重度平均值和黏聚力平均值,替代原圖式中的γ和c；H為基坑深度，He為支護樁計算高度.

由表2計算得到，γav、cav和He的取值分別為20.355 kN/m3、69.809 kPa和20 m.本案例γavHe/cav5.832>4的，所以用圖2(a)來計算其土壓力，其中0.25He為5 m，水平土壓力σa為：

2.5 果園生草 提倡果園行間生草，通常以自然生草為主。每年4月初在果樹行間撒施尿素20 kg/畝，結合澆水，既增加了草的產(chǎn)量，又避免了草與樹爭肥。當草長到40 cm左右時及時收割，每年生長季節(jié)用割草機割草3～4次，秋后用旋耕機全園深翻。自然生草連續(xù)進行3年，可以提高土壤有機質1%以上。

(1)樁頂h=2 m時，取σa=0；

(2)h=7～22 m時，取σa=γavHeKa；

其中：Ka=[1-4cav/(γavHe)]=0.314>0.3，取0.314.

(3)h=2～7 m時，σa在(1)、(2)所得的值中按線性插入，如圖3所示.

另外，案例中的2 m放坡部分按現(xiàn)行的國家行業(yè)規(guī)范《建筑基坑支護技術規(guī)程》JGJ120—2012第3.4.8條所給公式計算，其附加豎向應力σk，如圖3所示.

結合支撐荷載的1/2分擔法估算，根據(jù)圖2計算得到的σa以及圖3計算得到的σk進行整理后，得到各錨索作用位置的支點反力FR，如表3所示.

表3 支點反力計算表

在表3得到的數(shù)據(jù)中，M2所承受的支點反力比M1所承受的支點反力要大，而在該案例中，M2的設計荷載要比M1的設計荷載小29.3%左右；同樣，李連祥等人[9]的研究表明，對于較淺的基坑，其支護結構全長范圍內的土壓力增大，而對于深基坑，其淺層中層部位的土壓力增大，這也說明了該案例中對于M2的設計荷載偏小了.

3 數(shù)值模型分析

圖4 數(shù)值模型及網(wǎng)格劃分

3.2 模型分析步驟具體計算步驟見表4，在激活每一排錨索的同時施加一定的預應力，為了模擬實際基坑的受力性能，模型分析的控制值為錨索軸力的設計荷載.模型計算的錨索軸力如表5所示，該階段為地下水位(8 m)，且為M1到M4分別施加300 kN、200 kN、500 kN、500 kN預應力時的結果.通過表5可知，所模擬的錨索軸力與設計荷載基本相近，此模型可以反映該基坑實際的受力性能.在此模型的基礎上控制水位變化和所施加的M2預應力大小(M1、M3、M4的預應力大小均保持不變)等參數(shù)，以此來分析支護結構樁的頂位移和錨索的受力分布.

表4 模型計算步驟

表5 錨索軸力的對比表

4 模型結果的分析

4.1 樁頂位移的控制分析在3.2節(jié)模型的初始位置上，分別給M2施加200 kN、240 kN、280 kN、320 kN和360 kN的預應力，并分別計算該支護結構在地下水位8 m，6 m，4 m，2 m和0 m時的樁頂位移，如圖5所示.

從圖5中可以看到，隨著所施加的M2預應力的增大，樁頂位移有相應的減小；在確定施加預應力大小的情況下，隨著水位的增加，樁頂位移有相應增大，且在施加不同預應力的情況下，增大的速率基本相同；在水位一定的情況下，隨著預應力的增大，可以使樁頂位移相應減小8.4%～10.7%.該結果表明，在M2的預應力適當增大的情況下，可以有效降低該支護結構的樁頂位移.夏晉華等人[10]的研究同樣表明，預應力錨桿對限制基坑坑壁的側移起著至關重要的作用.

4.2 錨索受力的變化分析圖6和圖7所示為對M2所施加的不同大小預應力，且在保持對M1、M3、M4施加預應力大小不變的情況下，分析了M1～M4在地下水位為0 m時(即樁頂位移最大時)的軸力大小變化情況.

圖6的結果表明，在0 m水位下，隨著所施加的M2預應力的增大，其本身的軸力亦隨之增大，且M1的軸力值隨之相對減小.圖7的結果表明，在0 m水位下，所施加的不同大小的M2預應力對M3和M4的軸力影響較小，M1和M2的總體趨勢如圖8、圖9所示.

圖8的結果表明，隨著所施加的M2預應力的增大，在其他錨索所施加預應力保持不變的情況下，M2本身的軸力增大比較明顯，同時M1有較緩慢減小的趨勢.通過圖8和圖9可以得到，在0 m水位下，M2的預應力從200 kN增加到360 kN的過程中，可以使M1的軸力降低4.6%～5.6%.該結果表明，適當提高M2的設計荷載以符合水平土壓力的分布規(guī)律，可以使M1和M2在相同配筋的情況下受力更加合理，同時還可以提高基坑的安全性.

4.3 第一排錨索失效的影響在0 m地下水位的模型計算中，考慮到了水體上升可使土體抗剪能力降低和導致M1在支護結構中失去作用的情況，并分析了其失效后對支護結構的影響.在模型中將M1“凍結”后進行數(shù)值分析，其支護結構的樁頂位移如圖10所示.結果表明，M1失效后位移由原來40 mm左右的最大位移發(fā)展到了85 mm以上的位移，超過了基坑安全的預警值，可以發(fā)現(xiàn)該基坑已有倒塌跡象.因此，錨索失效與基坑倒塌具有直接聯(lián)系，同時也證明了錨索體系受力性能的合理性對基坑整體的安全性極其重要.

5 結論與建議

通過對廣西某倒塌深基坑樁錨支護體系的數(shù)值模擬分析可以得到以下結論：

(1)當預應力錨索的受力分布規(guī)律與土壓力分布包絡值的趨勢保持一致時，可有效降低支護結構的樁頂位移，同時可以使相鄰錨索的受力更加合理，從而增強了整個樁錨支護體系的作用性能，以使得基坑的安全性得到提高.

(2)增加M2(第二排錨索)的預應力后，可以使M1(第一排錨索)和M2的受力更加合理，并使基坑的安全性得到提高，從而可以有效預防基坑倒塌的發(fā)生.

通過對該基坑倒塌案例的分析，對于樁錨基坑支護體系的設計建議如下：

(1)在軟件計算結果中，錨索設計荷載應符合土壓力的分布規(guī)律.

(2)考慮錨索預應力存在損失的情況，故應適當提高錨索的預應力，以保證其鎖定荷載在合理的范圍內.

(3)在深基坑及超深基坑中，在基坑彎矩較大的中上部區(qū)域，應錨索軸力的安全設計值范圍.