樁錨支護(hù)土壓力計(jì)算模型探討與工程實(shí)測(cè)分析
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作者：陳捷，周同和
（1．河南省財(cái)經(jīng)政法大學(xué)工程管理與房地產(chǎn)學(xué)院，河南鄭州450002;
2．鄭州大學(xué)綜合設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南鄭州450002）
[摘要]土壓力計(jì)算模型與參數(shù)選取對(duì)工程安全和經(jīng)濟(jì)性有較大影響。本文通過理論探討并結(jié)合某20m基坑工程樁錨結(jié)構(gòu)位移與內(nèi)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，研究了樁錨結(jié)構(gòu)的土壓力計(jì)算模型及參數(shù)選擇問題。分析認(rèn)為，采用現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)[11推薦的“彈性支點(diǎn)法”計(jì)算得到的被動(dòng)區(qū)抗力具有一定的安全度，可不考慮初始土壓力的作用。研究表明，“彈性支點(diǎn)法”進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算時(shí)，上部三角形、下部梯形分布的土壓力模型與現(xiàn)行國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)建議的三角形分布模型相比，概念更明確，計(jì)算結(jié)果合理；受土質(zhì)條件、帷幕等因素的影響，內(nèi)力計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值差異較大，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)不同情況選擇合理的模型參數(shù)。研究成果可供工程設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)編制時(shí)參考。
[關(guān)鍵詞]樁錨支護(hù)；彈性支點(diǎn)法；土壓力；分布模型
O 引言
支護(hù)結(jié)構(gòu)土壓力與位移條件、土的膨脹性、超固結(jié)( OCR)情況、支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度、支護(hù)形式等密切相關(guān)，采用統(tǒng)一的計(jì)算模型顯然不能滿足工程安全和達(dá)到經(jīng)濟(jì)性目的。對(duì)樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)，當(dāng)采用彈性支點(diǎn)法進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算時(shí)，現(xiàn)行國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》( JGJ 120-2012)推薦采用三角形分布的朗肯主動(dòng)土壓力模型，見圖1(b)，同時(shí)，為了強(qiáng)調(diào)理論的完整性，增加了“初始土壓力”的概念暗藏于被動(dòng)區(qū)（見圖2），考慮被動(dòng)區(qū)初始土壓力（圖中被動(dòng)區(qū)三角形分布），用于抵消三角形分布土壓力相對(duì)于梯形分布增加的土壓力（主動(dòng)區(qū)三角形分布）。根據(jù)新版規(guī)程相關(guān)條文，被動(dòng)區(qū)土反力可按下式計(jì)算：
式中：p。。為暗藏于被動(dòng)區(qū)的初始土壓力項(xiàng)。
此處，規(guī)程修訂的本意是在將老版本規(guī)程“修改后擋土結(jié)構(gòu)嵌固段兩側(cè)土壓力之和沒有變化”（詳見新版規(guī)程“4.1.4條文說明”）。
兩側(cè)的土壓力之和不發(fā)生變化，這在傳力路徑與概念上難以理解。
首先，對(duì)于初始土壓力，開挖前排樁內(nèi)外兩側(cè)均存在并處于平衡狀態(tài)，但圖2中所示的初始土壓力顯然不能反映初始土壓力。
其次，新版規(guī)程4.1.4條規(guī)定：彈性支點(diǎn)法形成的抗力與初始土壓力之和不得大于被動(dòng)土壓力。毫無疑問，兩個(gè)串聯(lián)的力不能相加形成一個(gè)更大的力。
以上問題說明，彈性支點(diǎn)法形成的抗力與初始土壓力無法疊加，土壓力平衡體系中不應(yīng)存在初始土壓力項(xiàng)。故該問題如下規(guī)定：“彈性支點(diǎn)法形成的抗力不大于被動(dòng)土壓力”。
該模型的計(jì)算結(jié)果可能造成排樁插入深度增加、錨桿或排樁內(nèi)力與配筋相應(yīng)增加，形成浪費(fèi)。
采用1999版規(guī)程圖1(a)模型進(jìn)行了大量工程設(shè)計(jì)，尚未發(fā)現(xiàn)因模型問題產(chǎn)生破壞或明顯的基坑工程安全問題。特別是我國北方地區(qū)，基坑工程、邊坡工程采用樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)屬于量大面廣、常用和重要的支護(hù)形式，對(duì)其計(jì)算模型進(jìn)行深入研究具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。
1 彈性支點(diǎn)法土壓力模型假定
假定基坑底面以上土壓力為三角形分布，見圖3(a)，基坑底部以下被動(dòng)區(qū)采用圖3(b)模型，即基坑底面以上土層與地面荷載折算成超載作用于坑底以下排樁，被動(dòng)區(qū)產(chǎn)生“彈簧壓縮”形成抗力，該抗力完全回避了所謂初始土壓力，其最大值應(yīng)小于被動(dòng)土壓力。
以下結(jié)合鄭州東區(qū)某工程樁錨支護(hù)的設(shè)計(jì)計(jì)算和監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)樁錨支護(hù)土壓力計(jì)算設(shè)計(jì)模型進(jìn)行探討分析。
2 工程實(shí)例
2.1 工程設(shè)計(jì)計(jì)算
鄭州新區(qū)某工程基坑設(shè)計(jì)深度約20m，采用上部土釘下部樁錨支護(hù)。根據(jù)基坑周邊條件，西、北邊采用單排樁．錨桿形式，東、南邊采用雙排樁一錨桿形式。地質(zhì)報(bào)告提供的土層條件及參數(shù)見表1。地下水位埋深在自然地面下10. Im~10. 6m，滲透系數(shù)見表1。
排樁．錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)典型剖面見圖4。
其中，水泥土攪拌樁直徑0. 85m，咬合0.2m，鋼筋混凝土排樁直徑1. 2m，配筋均采用HRB400鋼筋，冠梁尺寸1. 3m×0.6m，排樁與冠梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C35，錨桿桿體均采用1860MPa有粘結(jié)鋼絞線，錨桿詳細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。
采用基坑支護(hù)設(shè)計(jì)軟件按圖3模型計(jì)算后按圖1(b)、圖2模型在相同設(shè)計(jì)參數(shù)下進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，排樁內(nèi)力、錨桿軸力等計(jì)算結(jié)果如下：
1)排樁內(nèi)力計(jì)算結(jié)果對(duì)比見表3。
2)錨桿內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如表4。
3)穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果如表5所示。
4)變形計(jì)算結(jié)果如表6所示。
5) 2012版規(guī)程增加了基坑內(nèi)側(cè)土反力驗(yàn)算，即排樁嵌固深度范圍內(nèi)被動(dòng)土壓力E。應(yīng)大于排樁嵌固段上的基坑內(nèi)側(cè)土反力合力P。，在與1999版規(guī)程設(shè)計(jì)結(jié)果的變形控制和穩(wěn)定性要求相同的條件下，采用2012版規(guī)程進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，開挖至基底后P。= 4117. 928>E。=3924. 991，土反力不滿足2012版規(guī)程要求。
內(nèi)力及穩(wěn)定性復(fù)核計(jì)算結(jié)果比較如表7、表8。
在控制變形及整體穩(wěn)定性安全系數(shù)條件相近的條件下，采用2012版規(guī)程與1999版規(guī)程設(shè)計(jì)復(fù)核計(jì)算結(jié)果表明：
1)錨桿內(nèi)力總設(shè)計(jì)值由3261. 52kN增加到3341. 21kN，增加2.4%。需要指出的是2012版規(guī)程（第4.1.8條）錨桿拉力設(shè)計(jì)值的計(jì)算方法將錨桿作為彈簧支點(diǎn)，支點(diǎn)力隨彈簧變形的增大而增大，這種計(jì)算方法沒有考慮墻背土體由被動(dòng)土壓力到主動(dòng)土壓力的逐漸變小過程，即錨桿拉力可能不隨支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移增加而增加，反而隨之減小。
2)排樁外側(cè)彎矩設(shè)計(jì)控制值1311kN-m增加到1422kN -m，增加9.2%。
3)滿足被動(dòng)區(qū)土反力不大于被動(dòng)土壓力條件時(shí)，2012版規(guī)程計(jì)算排樁最小插入深度為12m，比1999版規(guī)程插入深度增加9. 1%。
試算結(jié)果表明，錨桿拉力設(shè)計(jì)值與排樁插入深度無關(guān)。當(dāng)坑底一定范圍內(nèi)為軟土層時(shí)，排樁插入深度的增加量會(huì)更大。
2.2 工程實(shí)測(cè)
基坑施工與使用期間選擇5個(gè)剖面對(duì)排樁內(nèi)力、排樁撓曲變形、深層土體水平位移、冠梁沉降、地面沉降、錨桿內(nèi)力等進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。測(cè)點(diǎn)布置如圖5，基坑工程現(xiàn)場(chǎng)照片見圖6。監(jiān)測(cè)結(jié)果分述如下：
1)支護(hù)結(jié)構(gòu)變形與位移
①支護(hù)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于排樁樁頂及樁身部位，支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移一般小于20mm，最大值距樁頂下2m~ 7m間，最大值位置與計(jì)算結(jié)果基本吻合。
②排樁樁頂沉降量在5mm~ 8mm間，說明錨桿豎向作用不容忽視。
③深層土體水平位移測(cè)斜裝置頂部位于基坑頂面，其位移最大值位于也位于基坑地表平面，最大值30mm左右；基坑地表面沉降量均小于lOmm，小于計(jì)算計(jì)算結(jié)果的20mm~ 30mm。
④排樁樁體測(cè)斜裝置位于排樁樁體內(nèi)，排樁樁頂水平位移、彎曲變形如圖8，結(jié)合排樁水平位移監(jiān)測(cè)結(jié)果，基坑底面以下樁體水平變位呈現(xiàn)上大下小的分布規(guī)律，插入深度范圍內(nèi)排樁水平位移在5mm~ 10mm之間。
2)支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力
測(cè)得的受壓區(qū)鋼筋應(yīng)力一般小于90MPa，最大應(yīng)力120MPa，位于基坑底面以下位置；受拉區(qū)應(yīng)力一般小于20MPa，最大50MPa，位于坑底以上位置。支護(hù)樁鋼筋內(nèi)力監(jiān)測(cè)結(jié)果見圖9。
根據(jù)分布式光纖應(yīng)變配合鋼筋應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)，排樁縱筋應(yīng)力結(jié)果為：
排樁受拉區(qū)鋼筋應(yīng)力一般僅達(dá)到混凝土開裂時(shí)鋼筋應(yīng)力的1/2~1/3，受壓區(qū)鋼筋應(yīng)力一般小于鋼筋設(shè)計(jì)強(qiáng)度的1/3；受壓區(qū)混凝土微應(yīng)變最大值為0. 0014，為混凝土達(dá)到抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí)微應(yīng)變的50% N70%。
3)錨桿軸力
監(jiān)測(cè)斷面錨桿軸力變化見圖10，錨桿軸力實(shí)測(cè)值見表9，錨桿軸力實(shí)測(cè)值與計(jì)算結(jié)果的比較見表10。可以看出錨桿總軸力分別為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)值的0.6、0. 66倍，為錨桿拉力設(shè)計(jì)值的0.44、0.48倍，兩者相差較大。
3 實(shí)測(cè)結(jié)果分析
1)錨桿軸力
錨桿總軸力與計(jì)算結(jié)果相差較大，原因分析如下：
①坑降水對(duì)土體強(qiáng)度指標(biāo)的影響
表11、表12為本工程勘察報(bào)告建議的土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)（表中粉質(zhì)粘土的抗剪強(qiáng)度為有效自重壓力下預(yù)固結(jié)的不固結(jié)不排水三軸抗剪強(qiáng)度）。以往研究與試驗(yàn)表明，鄭州東區(qū)淺層新近沉積的粉土、粉質(zhì)粘土排水固結(jié)后的強(qiáng)度指標(biāo)可以增加15%~25%，工程施工期間實(shí)測(cè)地下水位位于自然地面下16m左右，經(jīng)過排水固結(jié)，相應(yīng)土層土壓力降低15qo～30%。
②樁側(cè)阻力對(duì)土壓力的影響
監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示排樁彎曲變形較小，受到錨桿約束作用的影響，水泥土帷幕樁墻側(cè)與土體間的側(cè)阻力隨開挖深度增加而增加，理論上有：
依據(jù)文獻(xiàn)[4]有：
經(jīng)計(jì)算，坑底以上13m帷幕樁墻墻后側(cè)阻達(dá)780kN/m。
2)排樁彎矩
錨桿軸力的豎向分量為630kN，作用在樁身的應(yīng)力最大為0. 557MPa，對(duì)排樁內(nèi)力的影響較小。在5排錨桿的作用下，坑底以上排樁彎矩較小，故排樁鋼筋內(nèi)力亦較小。
3)坑底以下主動(dòng)區(qū)土壓力與被動(dòng)區(qū)抗力
根據(jù)文獻(xiàn)[1]規(guī)定的“彈性支點(diǎn)法”，土的水平反力系數(shù)的比例系數(shù)m可按下式計(jì)算：
式(4)中，穢。表示擋土構(gòu)件在坑底處的水平位移量。將實(shí)測(cè)排樁水平位移代入相關(guān)規(guī)范公式計(jì)算得到的m值和被動(dòng)區(qū)抗力結(jié)果如表13，被動(dòng)區(qū)排樁位移實(shí)測(cè)計(jì)算得到的抗力值與基坑設(shè)計(jì)軟件老版規(guī)程彈性支點(diǎn)法計(jì)算結(jié)果相符，與坑底下主動(dòng)區(qū)采用矩形分布的土壓力模型，見圖3(b)，按靜止土壓力計(jì)算結(jié)果相比，前者小于后者，為后者的0. 89倍。
4 結(jié)論與建議
1)受到土質(zhì)、降低地下水、帷幕設(shè)置等的因素影響，“彈性支點(diǎn)法”作為樁錨支護(hù)體系的一種近似計(jì)算方法，有時(shí)存在著內(nèi)力計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值之間的較大差距，與老版規(guī)程“彈性支點(diǎn)法”計(jì)算結(jié)果相比，本文樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)得到的鋼筋應(yīng)力、錨桿軸力均小于設(shè)計(jì)值的50%。
2)本文案例中，土壓力降低是排樁內(nèi)力與錨桿軸力實(shí)測(cè)值較小的主要因素。降低地下水使新近沉積粉土粉質(zhì)粘土產(chǎn)生排水固結(jié)、引起土體強(qiáng)度指標(biāo)提高可能是土壓力降低的主要因素；帷幕樁墻的“墻后側(cè)阻”作用、錨桿自由段注漿等，應(yīng)為土壓力降低的次要因素。
3)分析結(jié)果表明，與老版規(guī)程方法相比，采用新版規(guī)程樁錨支護(hù)“彈性支點(diǎn)法”模型計(jì)算得到的排樁內(nèi)力與插入深度結(jié)果偏大。因此，土質(zhì)條件較好時(shí)，“彈性支點(diǎn)法”模型中主動(dòng)區(qū)作用，仍可采用上部三角形、下部矩形分布模型較為合理和經(jīng)濟(jì)。
4)鑒于各地土質(zhì)情況、模型參數(shù)選擇、計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)間存在的差異不同，建議應(yīng)通過實(shí)測(cè)與計(jì)算結(jié)果的比較分析，積累經(jīng)驗(yàn)提出適合的模型或模型參數(shù)，完善樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法。
