黃華東，郭金波，朱海峰

（中國(guó)建筑西南設(shè)計(jì)研究院有限公司 設(shè)計(jì)十院，重慶 401121）

排樁錨桿擋墻結(jié)構(gòu)用于支護(hù)巖石路塹邊坡，在我國(guó)西南地區(qū)較為常見. 國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)基坑錨樁支護(hù)數(shù)值模擬的研究成果較多，如潘海洋等[1]應(yīng)用等值梁法和有限元法對(duì)錨樁支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析；蘇天濤[2]對(duì)深基坑樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形與穩(wěn)定性進(jìn)行了研究；周勇等[3]探討了考慮局部超載下的樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律；彭紅益等[4]通過有限差分法分析了地震作用下樁錨支護(hù)的位移、加速度、錨桿軸力響應(yīng)的動(dòng)力特征；葉帥飛等[5]通過有限差分法對(duì)基坑樁錨支護(hù)進(jìn)行模擬研究. 既有成果對(duì)新建支護(hù)的結(jié)構(gòu)巖土參數(shù)研究較多，而關(guān)于后期工程施工對(duì)既有樁錨擋墻影響的研究較少. 地下管道是城市建設(shè)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，且更新?lián)Q代頻繁. 筆者采用規(guī)范法及有限元數(shù)值模擬相結(jié)合驗(yàn)證的計(jì)算方法，對(duì)已建排樁錨桿擋墻的安全進(jìn)行了計(jì)算復(fù)核和驗(yàn)算，以期為管道工程的施工對(duì)排樁結(jié)構(gòu)的安全影響做出預(yù)估.

1 工況簡(jiǎn)介

在某市政道路人行道上鄰近排樁錨桿擋墻嵌固點(diǎn)位置開挖1 m 1 m×的管槽后施作市政給水管道，既有排樁采用直徑0.8 m 的機(jī)械成孔樁，錨桿每孔采用2 根28 的HRB400 鋼筋，鋼筋水平間距2.5 m，垂直間距2 m，錨桿錨固長(zhǎng)度均錨入巖石破裂角外5 m 以上. 選取邊坡最大高度13.18 m（從管溝底起算，巖石段高度9.03 m）的典型剖面，坡頂無重要建筑物，該地質(zhì)斷面處無順層及不利外傾結(jié)構(gòu)的影響，邊坡的穩(wěn)定性主要受巖石自身穩(wěn)定性的控制. 相對(duì)位置關(guān)系如圖1 所示，場(chǎng)地巖土及結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示.

圖1 結(jié)構(gòu)典型橫斷面的相對(duì)位置示意

表1 結(jié)構(gòu)及巖土計(jì)算力學(xué)參數(shù)

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 規(guī)范法

排樁錨桿擋墻計(jì)算模型采用《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50330—2013）[6]6.2.3 公式（按等效內(nèi)摩擦角計(jì)算）計(jì)算主動(dòng)土壓力：

其中，γ 為邊坡巖體的重度(3kN/m )，H 為邊坡的高度（m），aK 為主動(dòng)土壓力系數(shù)，φ 為巖體的內(nèi)摩擦角（°），δ 為巖石與擋墻背的摩擦角（°），q 為坡頂均布荷載（kN/m），c 為巖體的黏聚力（kPa），β 為坡頂表面與水平面的夾角（°），α 為支擋結(jié)構(gòu)墻背與水平面的夾角（°）.

自由段為巖層的巖石非預(yù)應(yīng)力錨桿，其側(cè)向巖土壓力根據(jù)邊坡規(guī)范9.2.2條進(jìn)行修正：

2.2 有限元法

驗(yàn)算模型采用 MIDAS-GTS-NX 通用有限元軟件計(jì)算. 巖土體的屈服條件采用摩爾-庫倫準(zhǔn)則[7]（見圖2），方程如下：

圖2 摩爾-庫倫(Mohr-Coulomb)屈服準(zhǔn)則

其中，c 為黏聚力；φ 為內(nèi)摩擦角；θ 為洛德角；應(yīng)力張量的第一

本文用曲面彈簧來定義彈性邊界，當(dāng)建立彈性地基反力模型時(shí)，用地基反力系數(shù)乘以相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的從屬面積作為地基的彈性支撐剛度[7]. 根據(jù)地勘數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值模型，采用笛卡爾坐標(biāo)系， X 軸垂直道路縱向、Y 軸沿樁基豎直方向（見圖3），計(jì)算模型的底面?zhèn)让嫱ㄟ^地基彈簧約束自由度，地表為自由面.

圖3 管槽與既有支擋結(jié)構(gòu)的相關(guān)關(guān)系

計(jì)算模型采用GTS NX 巖土有限元軟件計(jì)算，通過模擬分析施工階段來實(shí)現(xiàn)支擋結(jié)構(gòu)的施作、土體的挖方、管道的施作及管槽的回填. 為了確保模型有足夠的計(jì)算精度并盡量減少計(jì)算工作量，本次對(duì)計(jì)算范圍進(jìn)行了一定的限制：從地表向下取50 m，管道側(cè)取40 m. 模擬擬建項(xiàng)目施工過程：初始地應(yīng)力狀態(tài)→道路開挖及排樁錨桿擋墻施作（施加道路車行荷載）→管槽開挖→管槽回填施加.

3 結(jié)果分析與討論

3.1 規(guī)范法驗(yàn)算配筋

通過規(guī)范及公式計(jì)算邊坡巖石壓力[6-9]，擋墻頂部土層考慮為等效均布荷載替代，計(jì)算出來鋼筋面積為 1 021.21 mm2；實(shí)配鋼筋為 2 根 28HRB400 鋼筋，其面積為 1 230.88 mm2、長(zhǎng)度為5 m，具體結(jié)果如表 2～4 所示：管槽開挖狀態(tài)下，排樁錨桿擋墻錨桿的大小和長(zhǎng)度均滿足力學(xué)計(jì)算要求，在人行道上開挖給水管槽對(duì)邊坡的影響較小，錨桿的錨固長(zhǎng)度滿足穩(wěn)定性要求.

表2 主動(dòng)土壓力計(jì)算

表3 錨桿鋼筋面積計(jì)算

表4 錨桿錨固長(zhǎng)度計(jì)算

3.2 有限元法復(fù)核內(nèi)力變形

3.2.1 排樁錨桿結(jié)構(gòu)的總變形情況

由圖 4～6 可知，開挖管槽后引起錨桿嵌固端出現(xiàn)的總變形位于第一排錨桿末端位置，管槽開挖后與排樁錨桿擋墻施作后的錨桿嵌固端的變形變化值為 -0.007 754 mm ，整體變形很小且變化值均很小，表明管槽開挖對(duì)錨桿的影響很??；管槽回填后與排樁錨桿擋墻施作后的錨桿最大值變化值為-0.012 503 mm，表明管槽回填對(duì)錨桿的嵌固端的變形影響很小，對(duì)錨桿的受力影響較小. 開挖管槽后，引起排樁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)最大變形的位置有微小變化，由第一排錨桿位置移動(dòng)到嵌固點(diǎn)附近位置，管槽開挖后與排樁錨桿擋墻施作后的排樁最大值變化值為 - 0.031 036 mm，盡管最大值出現(xiàn)的位置小幅變化，但整體變形以及變化值均很小，表明管槽開挖對(duì)排樁的變形影響很小；管槽回填后與排樁錨桿擋墻施作后的排樁最大值變化值為 -0.041156 mm ，表明管槽回填對(duì)排樁的變形影響很小，排樁樁頂位移以及嵌固點(diǎn)的位移均很小，均滿足《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》樁板擋墻嵌固段頂端地面處的水平位移不宜大于10 mm 的要求.

圖4 路基開挖及排樁錨桿擋墻施作后總位移云圖

圖5 管槽開挖后總位移云圖

圖6 管槽回填后總位移云圖

3.2.2 排樁結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力云圖

由圖 7～9 可知，開挖管槽后引起排樁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的最大主應(yīng)力的變化有所增加，增加值僅為0.308 MPa；管槽回填階段相比最初支護(hù)狀態(tài)最大主應(yīng)力變化值為0.312 MPa . 三個(gè)施工階段的最大主應(yīng)力值均小于 C30 混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值14.3 MPa[9-10]. 表明管槽開挖對(duì)排樁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力影響較小，未造成結(jié)構(gòu)出現(xiàn)大的受力變化.

圖7 路基開挖及排樁錨桿擋墻施作后最大主應(yīng)力圖

圖8 管槽開挖后最大主應(yīng)力圖

圖9 管槽回填后最大主應(yīng)力圖

4 總結(jié)與建議

經(jīng)計(jì)算分析，管槽開挖及回填對(duì)既有支護(hù)結(jié)構(gòu)造成的變形和應(yīng)力變化微乎其微，整體的變形值與應(yīng)力值滿足結(jié)構(gòu)安全的需要以及相應(yīng)規(guī)范的要求，且該項(xiàng)目施工完成后，未出現(xiàn)異常情況，故采用規(guī)范法與有限元結(jié)合分析的方式對(duì)排樁錨桿擋墻的安全進(jìn)行預(yù)判可行.

在相關(guān)工程的實(shí)施過程中，可采用本文方法提前預(yù)判和評(píng)估；在實(shí)際施工階段，要求施工單位盡量遠(yuǎn)離邊坡坡腳、遠(yuǎn)離排樁嵌固點(diǎn)（坡腳點(diǎn)）掏挖施作. 施工單位應(yīng)采取自上而下、分段跳槽、小開控、及時(shí)支護(hù)的逆作法施工，開挖后及時(shí)施作管道，及時(shí)回填封閉，減少土體開挖后的暴露時(shí)間. 基槽開挖時(shí)應(yīng)加強(qiáng)臨時(shí)排水，雨期停止施工，且保證溝槽封閉，無積水下滲. 管槽開挖及回填過程中，加強(qiáng)邊坡支擋結(jié)構(gòu)的位移監(jiān)測(cè)，采用動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、信息法施工，密切關(guān)注邊坡以及其結(jié)構(gòu)位移變化.