姜 波 鄒源江 曹 俊 胡 楊

(1.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司 貴陽 550001； 2.貴陽市城市軌道交通集團有限公司 貴陽 550081)

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，各類地下工程在規(guī)模和數(shù)量上得到迅猛發(fā)展，開發(fā)地下空間已成為城市發(fā)展的一種趨勢，隨之而來的基坑近接施工也越來越多。基坑病害及安全事故頻發(fā)，相應(yīng)的基坑防控手段多樣，如常用的單排樁[1]、雙排樁等，樁錨結(jié)構(gòu)因其結(jié)構(gòu)的特殊性，且能有效地控制基坑變形而被廣泛應(yīng)用在基坑支護中。

樁錨結(jié)構(gòu)是由單樁與錨索組合而成的組合式支護結(jié)構(gòu)[2]，相較于單樁，由于錨索的施加，在控制土體變形方面優(yōu)勢明顯，能有效解決基坑深、高懸臂、變形要求苛刻等基坑工程問題，但其受力計算復(fù)雜，計算所涉及到的巖土體物理力學(xué)參數(shù)、土壓力分布情況、潛在剪切破壞位置等參數(shù)均存在不確定性，在結(jié)構(gòu)計算時往往參照經(jīng)驗，選取某一種形式如矩形分布或三角形分布進行土壓力計算，這難免會與工程實際情況存在偏差，影響設(shè)計施工。因此本文將通過現(xiàn)場實測來反向推導(dǎo)樁錨支護結(jié)構(gòu)的受力特性，消除上述不確定參數(shù)帶來的影響。

目前，常規(guī)的基坑監(jiān)測[3]手段主要包括應(yīng)變片、鋼筋應(yīng)力計、靜力水準儀、全站儀等點式監(jiān)測傳感器，此類技術(shù)存在測點有限、抗干擾能力差、安裝困難、壽命短、兼容性差等問題，從而導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)誤差大、數(shù)據(jù)量少，無法實現(xiàn)長時間、分布式的有效監(jiān)測，難以準確計算樁身受力變形。分布式光纖傳感技術(shù)是一種可感測應(yīng)變溫度和傳輸信號的新型監(jiān)測技術(shù)，優(yōu)勢明顯如分布式、高精度、造價低、壽命長、兼容性強等。

本文采用基于布里淵散射的分布式光纖監(jiān)測技術(shù)[4]，對基坑開挖過程中支護樁不同深度的結(jié)構(gòu)微應(yīng)變進行監(jiān)測，反分析樁錨支護結(jié)構(gòu)的受力機理，以此避開設(shè)計計算所涉及的巖土參數(shù)的不確定性等影響因素，由此得出更加符合工程實際的樁錨結(jié)構(gòu)受力特征，以為樁錨結(jié)構(gòu)的設(shè)計和施工提供工程應(yīng)用經(jīng)驗。

1 工程概況

貴陽市某深基坑尺寸約為440 m×60 m×11 m，基坑右側(cè)緊鄰軌道交通，其剖面示意見圖1。

圖1 樁錨支護基坑典型斷面

基坑開挖深度為7～10 m，為土質(zhì)基坑，覆蓋層為第四系殘坡積層(Qel+dl)紅黏土，厚11～16 m，淺表層為素填土，基巖為三疊系下統(tǒng)大冶組(T1d)灰?guī)r。橋墩之間采用了樁錨支護結(jié)構(gòu)進行支擋，樁長為15 m，排間距2.5 m，沿樁身間隔2.3 m布設(shè)3排錨索，第一排錨索長22 m，第二排18 m，第三排14 m，錨固段均位于基巖內(nèi)，施加預(yù)應(yīng)力500 kN。

在充分了解基坑地形地貌、工程地質(zhì)條件、巖土體物理力學(xué)性質(zhì)的基礎(chǔ)上，利用分布式光纖監(jiān)測技術(shù)對樁錨支護體系的應(yīng)力應(yīng)變場進行監(jiān)測，掌握基坑開挖支護結(jié)構(gòu)真實的受力特征，結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 樁體參數(shù)取值

2 支護樁光纖監(jiān)測

傳感光纜在支護樁的布設(shè)見圖2。為了使測試值更加可靠，傳感光纜分別布設(shè)在支護樁迎土側(cè)和背土側(cè)的主筋上。支護樁的鋼筋籠半徑為65 cm，故綁扎在樁前后對稱主筋上的間距Δx為130 cm，有效測試范圍為距樁頂0.5～14 m。混凝土澆筑后，應(yīng)變光纜與支護樁逐漸耦合、協(xié)同變形。

圖2 樁內(nèi)光纜布設(shè)

巖土體內(nèi)的抗滑樁上傳感光纜受溫度影響小，無需對其進行溫度補償[5]。

光纖現(xiàn)場綁扎及測試工作見圖3，時間為樁錨結(jié)構(gòu)澆筑完成后至2020年12月30日。

圖3 現(xiàn)場照片

基坑開挖全過程中，支護樁受側(cè)向土壓力作用受彎變形，在樁身軸向上產(chǎn)生微應(yīng)變，至2019年12月初基坑開挖基本完成，樁體在錨索的作用上，樁頂變形較小，基坑開挖底面以下2～4 m位置最大應(yīng)變?yōu)?05×10-6。

圖4 支護樁應(yīng)變曲線

3 樁錨支護結(jié)構(gòu)受力反分析

3.1 受力計算

利用材料力學(xué)理論建立樁的應(yīng)力-應(yīng)變的函數(shù)關(guān)系[6-7]處理監(jiān)測應(yīng)變數(shù)據(jù)，計算樁錨結(jié)構(gòu)所受的土壓力。

支護樁在軸向應(yīng)力作用下受彎產(chǎn)生的截面彎矩M(x)，計算方法如式(1)～(2)。

(1)

(2)

剪力Q(x)與土壓力F(x)分別為對彎矩求一階及二階導(dǎo)，計算方法依次見式(3)～(4)。

Q(x)=M(x)′

(3)

F(x)=M(x)″

(4)

式中：E為彈性模量；Iy為樁橫截面慣性矩；x為監(jiān)測點與中性軸的距離；z為支護樁樁長。εx1(x)和εx2(x)為支護樁某橫截面上監(jiān)測點的應(yīng)變測試值。

3.2 中性軸的確定

支護樁的澆筑一般會受材料的不均一性影響，從而導(dǎo)致樁的中性軸不在截面中點，樁身某橫截面前、后側(cè)監(jiān)測點距離中性軸為x1、x2，樁截面見圖5。

圖5 中性軸確定示意圖

x1、x2不一定相等，但監(jiān)測點相對中性軸的力矩平衡，則有

(5)

為了消除中性軸不確定性的影響，支護樁在軸向應(yīng)力作用下受彎產(chǎn)生的截面彎矩M(x)可表示為

(6)

3.3 光纖測試受力反分析

3.3.1樁身內(nèi)力分布

通過式(1)～(6)并借用MATLAB軟件進行應(yīng)變數(shù)據(jù)進行分析擬合，得出基坑開挖過程支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布情況，結(jié)果見圖6、圖7。

圖6 樁身彎矩曲線圖

圖7 樁身剪應(yīng)力曲線圖

由圖6可見，隨著基坑開挖深度的增加，彎矩顯著增大，在坑底以下2.5 m處的彎矩最大為1 790 kN·m；錨索作用位置彎矩為負，最大負彎矩為1 000 kN·m，基坑開挖完成后，支護樁內(nèi)力值趨于平穩(wěn)，表明基坑整體穩(wěn)定。

由圖7可見，樁在2～6 m錨索作用區(qū)域的剪力為負，峰值為500 kN，錨索起到抗彎變形作用；在樁身8.5 m位置附近(基坑底部)，剪力值達到最大，為716 kN；樁身11～14 m位置剪力方向與土壓力方向相反，表明樁在該區(qū)域受巖土抗力起抗滑作用。

3.3.2土壓力

基坑開挖完后土壓力實測值與理論值對比見圖8。

圖8 基坑開挖完后土壓力實測值與理論值對比

由圖8可見，在基坑開挖完成后土壓力值趨于穩(wěn)定后，樁錨結(jié)構(gòu)所受土壓力的理論計算值與實測值存在差別：①理論計算值大于實測值；②實測的土壓力的分布形式與理論上的相差較大，錨索作用位置壓力為負，其主要是受基坑開挖和錨索的作用影響。

從上述研究以及本文的現(xiàn)場實測值來看，對于多支點樁錨結(jié)構(gòu)的設(shè)計，其上作用的土壓力值采用經(jīng)典土壓力理論與實際存在偏差，設(shè)計值偏大。

4 結(jié)論

本文以深基坑樁錨結(jié)構(gòu)的受力變形為研究對象，基于BOTDA監(jiān)測技術(shù)，反分析樁的受力特性，得出以下結(jié)論。

1) BOTDA光纖傳感技術(shù)能準確地獲取樁錨支護結(jié)構(gòu)樁的不同位置和深度的應(yīng)變，可推算出更加符合工程實際的結(jié)構(gòu)受力情況。

2) 測試結(jié)果表明，在樁錨結(jié)構(gòu)上的錨索作用位置及坑底以下2.5 m處的彎矩最大，設(shè)計應(yīng)加強此類位置的構(gòu)造，提高結(jié)構(gòu)強度。

3) 樁錨結(jié)構(gòu)上作用的土壓力由開挖前的靜止土壓力逐漸轉(zhuǎn)化為主動土壓力。基坑開挖完成后，開挖線以上土壓力的分布形式呈現(xiàn)“上部小，下部大”的特征，與傳統(tǒng)分布式形式不一致。當(dāng)存在多排預(yù)應(yīng)力錨索時，支護上作用的土壓力值小于經(jīng)典土壓力理論計算值。

4) 本研究利用BOTDA技術(shù)的高抗干擾、高空間分辨率、高精度、分布式的優(yōu)勢，提高了深基坑監(jiān)測的精度，使監(jiān)測值貼近實際工程，改進了基坑支護工程原有的監(jiān)測體系。