柳林齊,葉可炯,趙國強(qiáng),王穎軼
[1.上海城建市政工程(集團(tuán))有限公司,上海市200065;2.上海交通大學(xué),上海市200240]
錨索支護(hù)體系的作用效果是通過初錨力(預(yù)應(yīng)力)的張拉作用約束控制開挖面位移、改變開挖面巖土體應(yīng)力狀態(tài)從而提高巖土體的強(qiáng)度,達(dá)到穩(wěn)定工程結(jié)構(gòu)的目的。錨索結(jié)構(gòu)在二十世紀(jì)初即被廣泛應(yīng)用于礦山、隧道、水利工程等領(lǐng)域,形成了成熟的技術(shù)體系。隨著城市建設(shè)工程的規(guī)?;^索支護(hù)方法被逐步推廣應(yīng)用并形成獨(dú)具特色的土錨索技術(shù)體系。迄今國內(nèi)外已有大量土錨索成功案例,尤其在土體強(qiáng)度較高、穩(wěn)定性較好、地下水位較低的工程地質(zhì)條件下,土錨索支護(hù)體系以其施工機(jī)械化程度高、成本相對(duì)較低等優(yōu)點(diǎn),得到越來越多的應(yīng)用。長(zhǎng)期以來,人們通過理論分析、數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)等綜合方法,對(duì)錨桿(錨索)支護(hù)相關(guān)的理論和技術(shù)問題進(jìn)行了許多有價(jià)值的研究,包括錨桿(錨索)支護(hù)體系的受力特性[1-6]、錨索支護(hù)作用機(jī)理及其位移控制[7-13]、錨桿預(yù)應(yīng)力損失特性及其支護(hù)參數(shù)影響[14-17]等。
土錨索的支護(hù)效果取決于錨索結(jié)構(gòu)的張拉作用,一旦錨索軸向出現(xiàn)超限的縮短位移,將產(chǎn)生預(yù)張力損失,其支護(hù)作用效果將大大弱化甚至失去。在迄今研究成果和工程設(shè)計(jì)中,基坑錨索支護(hù)的計(jì)算通常不考慮施工過程對(duì)周邊土體的擾動(dòng)及其可能引起錨頭與錨固端的相對(duì)位移,導(dǎo)致工程中存在錨索位移、松弛、預(yù)應(yīng)力損失等不確定性,甚至支護(hù)失效的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。因此,軟土地層尤其淤泥質(zhì)強(qiáng)流變性軟土地層中采用土錨索體系,存在著錨固端穩(wěn)定效果難以保障、初錨力損失、土體蠕變位移導(dǎo)致錨索預(yù)應(yīng)力損失等問題,從而可能造成錨索支護(hù)體系失效,危及基坑工程安全性等問題。
基于上述考慮,本研究依托溫州機(jī)場(chǎng)某超大面積基坑工程,通過安裝原位監(jiān)測(cè)應(yīng)力傳感器,建立基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、遠(yuǎn)程傳輸及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)系統(tǒng),獲得依托工程施工全過程長(zhǎng)錨索預(yù)應(yīng)力實(shí)時(shí)變化等與施工參數(shù)、工程地質(zhì)參數(shù)及擾動(dòng)狀態(tài)密切相關(guān)的原位實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),分析評(píng)價(jià)軟弱地層超大面積基坑長(zhǎng)錨索支護(hù)抗力、支護(hù)效果等的變化特性及其施工參數(shù)的敏感性。以期為軟土深基坑錨索支護(hù)設(shè)計(jì)及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供理論依據(jù)。
本研究依托工程為溫州機(jī)場(chǎng)交通樞紐綜合體及公用配套工程。北鄰溫州永強(qiáng)機(jī)場(chǎng)T1航站樓、空管區(qū),東側(cè)基坑距離T2航站樓76 m,距離高架41 m;基坑南側(cè)、西側(cè)現(xiàn)為農(nóng)田,西側(cè)距濱海大道104 m。周邊環(huán)境條件相對(duì)簡(jiǎn)單,地表建筑物對(duì)土錨索影響較小?;庸こ逃上嗯B的深基坑和淺基坑組成。其中,試驗(yàn)場(chǎng)地基坑382.6 m×157.7 m,開挖深度5.9 m,6.8 m和7 m,面積59 550 m2。場(chǎng)地工程地質(zhì)概況如圖1所示。
圖1 基坑區(qū)域工程地質(zhì)概況
基坑坑底位于第②1-3淤泥夾粉砂層中,圍護(hù)鉆孔樁樁底位于第②3淤泥層中。
基坑圍護(hù)采用φ700@900 mm的鉆孔灌注樁圍護(hù)+φ650@450三軸攪拌樁止水帷幕+兩道φ500@900 mm旋噴攪拌加勁樁的支護(hù)體系。
基坑采用放坡開挖:澆筑頂圈梁,安裝第一道錨桿,并施加預(yù)應(yīng)力;開挖至二道錨桿底,安裝第二道錨桿,并施加預(yù)應(yīng)力;開挖至坑底,并及時(shí)澆筑素混凝土墊層和底板。
根據(jù)設(shè)計(jì)資料,選取基坑南邊中部區(qū)域的錨索結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。測(cè)區(qū)測(cè)點(diǎn)位置如圖2所示。
圖2 測(cè)點(diǎn)及傳感器安裝方法示意圖
圖2(a)中紅色圓點(diǎn)為測(cè)點(diǎn)。該測(cè)區(qū)范圍位于基坑長(zhǎng)軸的中部,是基坑開挖施工過程土體擾動(dòng)最敏感區(qū)域,同時(shí)是基坑工程穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)最高的典型區(qū)域。對(duì)研究錨索受力隨施工過程的變化規(guī)律、預(yù)應(yīng)力損失具有敏感性和典型性。
土錨索應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由錨索測(cè)力計(jì)、安裝輔助機(jī)構(gòu)、自動(dòng)采集單元、遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)、無線傳輸網(wǎng)關(guān)、用戶終端及軟件系統(tǒng)組成。設(shè)備及技術(shù)指標(biāo)見表1。
表1 錨索受力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其技術(shù)性能
錨索測(cè)力計(jì)安裝除應(yīng)符合相關(guān)規(guī)范外,還應(yīng)保證錨索計(jì)安裝基面與錨索方向的垂直。檢查錨墊板與錨束張拉孔的中心軸線是否相互垂直,允許的垂直偏差范圍是±1.5°。任何超過該偏差范圍的安裝會(huì)導(dǎo)致錨索測(cè)力計(jì)在錨束張拉過程中在墊板上產(chǎn)生滑移、測(cè)值偏小或測(cè)值失真。根據(jù)圖2(b)所示錨索與水平面設(shè)計(jì)夾角為20°,傳感器與錨墊板之間加裝楔形墊板進(jìn)行糾偏,確保相互垂直度。圖3為錨索測(cè)力計(jì)安裝構(gòu)成示意圖。
圖3 錨索測(cè)力計(jì)安裝構(gòu)成示意圖
現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí),務(wù)必在測(cè)力計(jì)兩個(gè)承壓面均設(shè)置承載墊板,以保證平整結(jié)合以便荷載均勻傳遞。承載墊板應(yīng)經(jīng)加工平整,不得有焊疤、焊渣及其他異物,必要時(shí)還可在承載墊板上增加與測(cè)力計(jì)或工作墊板相匹配、深度不小于2 mm的限位槽,以在安裝時(shí)方便對(duì)中以及預(yù)防失穩(wěn)。同時(shí),錨索測(cè)力計(jì)應(yīng)該盡量對(duì)中,以避免過大的偏心荷載。
監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝調(diào)試應(yīng)嚴(yán)格滿足以下技術(shù)要求:
(1)配套的錨索測(cè)力計(jì)應(yīng)置于錨板和錨墊板之間,并盡可能保持三者同軸;
(2)通過讀數(shù)儀讀出錨力計(jì)的編號(hào),并與安裝位置一起做記錄;
(3)在加載時(shí)宜對(duì)鋼鉸線采用整束、分級(jí)張拉,以使錨索計(jì)受力均勻;
(4)加載時(shí),應(yīng)在荷載穩(wěn)定后讀數(shù);
(5)在儀器保護(hù)箱內(nèi)安裝采集儀器、無線傳輸模塊,將儀器保護(hù)箱固定在構(gòu)筑物表面;
(6)進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試,用USB轉(zhuǎn)485線連接電腦和采集儀器,設(shè)定采集參數(shù)(采集時(shí)間、頻率、周期等),開始采集數(shù)據(jù)并自動(dòng)發(fā)送給主監(jiān)測(cè)中心,查看監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是否正常。否則,檢查調(diào)整傳感器、傳輸線、GSM網(wǎng)絡(luò)信號(hào)等,直至系統(tǒng)正常工作。
未獲得基坑施工過程錨索錨固力的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),土錨索受力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)由錨索測(cè)力傳感器、自動(dòng)采集儀(含無線傳輸裝置)、通信基站、數(shù)據(jù)及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)終端等構(gòu)成,如圖4所示。
圖4 土錨索受力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)
數(shù)據(jù)采集終端軟件負(fù)責(zé)配置采集設(shè)備的基本信息及采集頻率,支持定時(shí)采集,并采用主動(dòng)式觸發(fā)數(shù)據(jù)發(fā)送模式,既保證了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性,又保證了數(shù)據(jù)的有效性。在系統(tǒng)初始化的過程中,數(shù)據(jù)采集終端軟件可以快速完成設(shè)備的采集工作,采集模式分為主動(dòng)式和問答式兩種結(jié)構(gòu)模式,支持前端存儲(chǔ)傳輸脫機(jī)工作模式、具備雙向備份功能。數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心,軟件自動(dòng)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行換算,直接輸出監(jiān)測(cè)物理量GPRS/BD網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸或者內(nèi)部局域網(wǎng)方式,完成對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)控。
試驗(yàn)錨索采用3根φ15.2 mm高強(qiáng)鋼絞線組成,材料強(qiáng)度為1 860 MPa。每根錨索的設(shè)計(jì)臨界張力為1 012.54 kN,按臨界張力的70%設(shè)定錨索的鎖定荷載為708.78 kN。采用高壓油泵和100 t穿心千斤頂進(jìn)行張拉鎖定。正式張拉前先用20%鎖定荷載預(yù)張拉一次,再以50%、100%的鎖定荷載分級(jí)張拉,然后超張拉至110%鎖定荷載,在超張拉荷載下保持5 min,觀測(cè)錨頭無位移現(xiàn)象后再按鎖定荷載鎖定。
試驗(yàn)獲得了依托工程基坑施工過程約340天、6個(gè)測(cè)點(diǎn)的錨索應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)近60萬組。各測(cè)點(diǎn)傳感器型號(hào)及其轉(zhuǎn)換參數(shù)見表2。
表2 測(cè)點(diǎn)傳感器型號(hào)及標(biāo)定參數(shù)
換算后的錨索應(yīng)力實(shí)時(shí)變化如圖5所示。
圖5(a)~(c)所示測(cè)點(diǎn)編號(hào)MS-01-1~MS-01-3為上排錨索監(jiān)測(cè)點(diǎn),橫坐標(biāo)T=0為錨索計(jì)安裝調(diào)試完成并進(jìn)入監(jiān)測(cè)狀態(tài)的起始時(shí)間(2018年1月6日)。結(jié)果顯示:(1)T=0~900 h,3個(gè)測(cè)點(diǎn)錨索張力均在預(yù)張力水平上保持相對(duì)穩(wěn)定;(2)T=900~1100 h,各測(cè)點(diǎn)錨索張力出現(xiàn)不同程度的突變;(3)隨后,各測(cè)點(diǎn)錨索張力隨基坑施工過程保持緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì),直到施工完成。
圖5(d)~(f)所示測(cè)點(diǎn)編號(hào)MS-02-1~MS-02-3為下排錨索監(jiān)測(cè)點(diǎn),橫坐標(biāo)T=0為錨索計(jì)安裝調(diào)試完成并進(jìn)入監(jiān)測(cè)狀態(tài)的起始時(shí)間(2018年3月16日)。結(jié)果顯示:(1)T=0~250 h,3個(gè)測(cè)點(diǎn)錨索張力均在預(yù)張力水平上保持相對(duì)穩(wěn)定;(2)T=250~500 h,各測(cè)點(diǎn)錨索張力出現(xiàn)不同程度的突變;(3)隨后,各測(cè)點(diǎn)錨索張力基本保持小幅振蕩的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài),直到施工完成。
圖5 基坑開挖過程各監(jiān)測(cè)點(diǎn)錨固力變化(單位:kN)
根據(jù)施工組織設(shè)計(jì),基坑開挖施工分區(qū)如圖6所示?;臃殖蒞1區(qū)、W2區(qū)及W3區(qū),其中W1區(qū)分為13段(跳槽開挖施工旋噴攪拌加勁樁),W2區(qū)分為14段(由西南和西北側(cè)向中間開挖,從W2區(qū)①~⑥順序施工,保證出土路線),W3區(qū)分為7段(由中間向南北側(cè)開挖,從W3區(qū)①~④順序施工)。
圖6 基坑開挖分區(qū)示意圖
根據(jù)施工順序與監(jiān)測(cè)結(jié)果的時(shí)間關(guān)聯(lián)關(guān)系,對(duì)開挖擾動(dòng)對(duì)錨索錨固力影響作概要分析。上排錨索計(jì)錨固力隨時(shí)間變化如圖7所示。
圖7 上排錨索錨固力隨時(shí)間變化
根據(jù)施工進(jìn)度,錨索計(jì)進(jìn)入正常監(jiān)測(cè)前,W1區(qū)已完工并進(jìn)入W2區(qū)的施工過程。圖7表明:(1)T1對(duì)應(yīng)W2①A和W2②A(W2①B和W2②B)開挖施工階段,開挖深度為2.5 m且開挖區(qū)域與測(cè)點(diǎn)的最小水平距離為81 m,施工對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域無擾動(dòng)影響,錨索總體上保持初錨力不變;(2)T2對(duì)應(yīng)W2③A和W2④A(W2③B和W2④B)及W2⑤開挖施工階段,監(jiān)測(cè)區(qū)域周邊土體卸載導(dǎo)致基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)上浮位移,錨索產(chǎn)生相應(yīng)張拉變形從而產(chǎn)生相應(yīng)的附加錨固力;(3)T3對(duì)應(yīng)剩余部分區(qū)域的開挖施工階段,遠(yuǎn)距離卸載使監(jiān)測(cè)區(qū)域產(chǎn)生隨施工過程變化的擾動(dòng)位移從而使錨索產(chǎn)生隨時(shí)間緩慢增加的附加錨固力。
下排錨索錨固力隨時(shí)間變化如圖8所示。
圖8 下排錨索錨固力隨時(shí)間變化
下排錨索測(cè)力計(jì)在基坑W2①②③區(qū)開挖完成后安裝并施加預(yù)錨力,基坑進(jìn)入第二層土體開挖。圖8所示的開挖時(shí)段對(duì)應(yīng)的施工順序包括:(1)T1對(duì)應(yīng)第二層土體W2①A和W2②A(W2①B和W2②B)開挖施工階段,開挖土層厚度為2.5 m且開挖區(qū)域與測(cè)點(diǎn)的最小水平距離為81 m,施工對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域無擾動(dòng)影響,錨索總體上保持初錨力不變;(2)T2對(duì)應(yīng)第二層土體W2③A和W2④A(W2③B和W2④B)及W2⑤開挖施工階段,監(jiān)測(cè)區(qū)域周邊土體卸載導(dǎo)致基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)上浮位移,錨索產(chǎn)生相應(yīng)張拉變形從而產(chǎn)生相應(yīng)的附加錨固力;(3)T3對(duì)應(yīng)第二層個(gè)區(qū)段開挖至坑底標(biāo)高后分區(qū)及時(shí)澆筑底板混凝土及剩余部分區(qū)域的開挖施工階段,由于及時(shí)分塊封底,底板與坑底樁基聯(lián)合作用,減少了土體上浮位移,從而使錨索錨固力保持基本穩(wěn)定狀態(tài)。
按照基坑土錨索結(jié)構(gòu)及其受力特征,建立計(jì)算模型如圖9所示。
圖9 基坑開挖過程錨固力計(jì)算模型
當(dāng)基坑開挖,錨索兩端固定點(diǎn)均有可能由于土體擾動(dòng)產(chǎn)生位移,考慮兩端點(diǎn)相對(duì)位移可分解為水平及鉛錘正交分量。假設(shè):(1)錨索處于線彈性受力狀態(tài);(2)錨固端與土體之間無相對(duì)位移;(3)錨索鎖定端與地墻維護(hù)結(jié)構(gòu)無相對(duì)位移。則錨索端點(diǎn)位移引起的錨固力變化理論解如式(1)所示。
式(1)中:P0為錨索鎖定預(yù)應(yīng)力;ΔP為錨固力增量;α為錨索安裝角;EA為錨索抗拉剛度;{ux,uy}為錨索鎖定端水平及豎向位移;l—錨索標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度。
根據(jù)溫州機(jī)場(chǎng)基坑錨索支護(hù)設(shè)計(jì)資料,取錨索支護(hù)參數(shù)見表3。
表3 模擬計(jì)算參數(shù)
模擬錨索鎖定端相對(duì)位移,根據(jù)式(1)可得錨索錨固力隨位移變化狀態(tài)如圖10所示。
圖10 錨固力隨相對(duì)位移的變化
錨固端不發(fā)生位移時(shí),隨著錨頭的位移,錨頭處荷載不斷發(fā)生變化,隨著位移變化率的增大,錨頭荷載變化率也隨著增大;反之,當(dāng)錨索固定端與鎖定端相對(duì)位移增量為負(fù)值時(shí),錨索錨固力線性減小,造成錨索預(yù)張力的損失。
圖10顯示:(1)錨索錨固力與錨索兩端點(diǎn)相對(duì)位移呈線性變化關(guān)系;(2)錨固力變化與錨索安裝角密切相關(guān),由于工程實(shí)際中錨索安裝角通常小于30°,因此水平位移對(duì)錨固力變化的影響更為敏感;(3)結(jié)合式(1),錨索錨固力變化與{E,A,P0,α,l}等錨索物理參數(shù)和工程設(shè)計(jì)參數(shù)密切相關(guān)。
監(jiān)測(cè)結(jié)果反映了依托工程基坑工程錨索支護(hù)體系在復(fù)雜地質(zhì)條件、施工方式、施工開挖順序等工程因素及錨索長(zhǎng)度、安裝角、錨索抗拉剛度、預(yù)張力等錨索設(shè)計(jì)參數(shù)的綜合影響。其中,前者影響錨索兩端的相對(duì)位移狀態(tài),決定著錨索預(yù)張力的增大或減?。〒p失);后者反映影響程度和參數(shù)的敏感程度。那么,如何預(yù)測(cè)計(jì)算錨索兩端相對(duì)位移的正負(fù)、如何定量計(jì)算和評(píng)價(jià)錨索設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)預(yù)張力變化程度(參數(shù)敏感性)影響是軟土地層基坑開挖土錨索設(shè)計(jì)及其適用性的兩個(gè)重要問題。
迄今為止研究顯示,錨索固定端的位移狀態(tài)取決于地層物性狀態(tài)、地連墻或圍護(hù)結(jié)構(gòu)的插入深度等條件;而錨索鎖定端位移與地層的物理力學(xué)性質(zhì)密切相關(guān),當(dāng)土體極端軟弱時(shí),基坑開挖很可能引起周邊土體及圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生下沉位移。換言之,錨索兩端的相對(duì)位移存在諸多不確定性,從而錨索預(yù)張力變化存在不確定性。下面以依托工程為例,采用FEM數(shù)值方法模擬試驗(yàn)位置錨索力學(xué)行為,對(duì)上述問題作概要分析?;又胁拷孛嫠轿灰迫鐖D11所示。
圖11 基坑水平位移分布
圖11顯示,錨索安裝位置處于基坑開挖擾動(dòng)水平位移變化梯度較大區(qū)域,錨固端土體位移約-15 mm,朝基坑中心方向(坐標(biāo)反向);錨索鎖定端水平位移為零。錨索兩端相對(duì)位移呈縮小趨勢(shì),一定程度上導(dǎo)致錨索預(yù)張力損失,參照?qǐng)D10,錨索預(yù)張力損失約0.2%。假設(shè)錨索兩端與土體間無相對(duì)位移,根據(jù)計(jì)算結(jié)果,作錨固段水平位移和錨索相對(duì)位移隨錨索長(zhǎng)度的變化如圖12所示。
圖12 錨索相對(duì)位移隨長(zhǎng)度變化
圖12顯示,錨固端水平位移及錨索增量位移隨錨索長(zhǎng)度增大而減小,當(dāng)錨索長(zhǎng)度接近3倍基坑深度(錨索安裝角20°),錨索相對(duì)位移趨于零。即隨著錨索長(zhǎng)度增大,錨固力損失量逐漸減小,當(dāng)錨索長(zhǎng)度大于等于3倍基坑深度時(shí),錨固力損失趨于零,支護(hù)風(fēng)險(xiǎn)可以忽略不計(jì)。
研究結(jié)果顯示,各測(cè)點(diǎn)錨索錨固力與基坑開挖時(shí)間及其空間位置密切相關(guān),按基坑開挖的區(qū)段及時(shí)間,錨固力變化呈現(xiàn)三個(gè)顯著變化階段。第一階段為遠(yuǎn)離測(cè)點(diǎn)區(qū)位開挖(最小距離60 m),開挖擾動(dòng)影響微弱,各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)呈穩(wěn)定狀態(tài);第二階段為開挖面近鄰監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置,開挖擾動(dòng)影響大,測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生突變,錨固力變化幅值為20~50 kN;第三階段為其他遠(yuǎn)離監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的開挖,此時(shí)開挖面積增大、土體卸載面積相應(yīng)增大,擾動(dòng)影響范圍增大,錨固力總體呈現(xiàn)緩慢增大趨勢(shì)。
結(jié)合FEM數(shù)值模擬計(jì)算和理論分析,基坑開挖過程中錨索錨固端及錨頭均不同程度受到施工擾動(dòng)影響。錨索兩端的相對(duì)位移狀態(tài)直接影響錨索張力的增加或損失,錨固力變化模式受土體物理力學(xué)性質(zhì)、錨索長(zhǎng)度等影響。土體越軟弱、錨索長(zhǎng)度越短,越容易造成預(yù)張力損失;反之,有利于預(yù)張力的增長(zhǎng)及基坑支護(hù)的穩(wěn)定性。
錨固端水平位移及錨索增量位移隨錨索長(zhǎng)度增大而減小,當(dāng)錨索長(zhǎng)度接近3倍基坑深度(錨索安裝角20°),錨索相對(duì)位移趨于零。即隨著錨索長(zhǎng)度增大,錨固力損失量逐漸減小,當(dāng)錨索長(zhǎng)度大于等于3倍基坑深度時(shí),錨固力損失趨于零。