樁錨支護土壓力計算模型探討與工程實測分析
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陳捷，周同和
（1．河南省財經(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)計研究院有限公司，河南鄭州450002）
[摘要]土壓力計算模型與參數(shù)選取對工程安全和經(jīng)濟性有較大影響。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)力實測數(shù)據(jù)的分析，研究了樁錨結(jié)構(gòu)的土壓力計算模型及參數(shù)選擇問題。分析認為，采用現(xiàn)行國家標準[11推薦的“彈性支點法”計算得到的被動區(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，“彈性支點法”進行支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算時，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)標準建議的三角形分布模型相比，概念更明確，計算結(jié)果合理；受土質(zhì)條件、帷幕等因素的影響，內(nèi)力計算結(jié)果與實測值差異較大，設(shè)計時應(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、標準編制時參考。
[關(guān)鍵詞]樁錨支護；彈性支點法；土壓力；分布模型
O 引言
支護結(jié)構(gòu)土壓力與位移條件、土的膨脹性、超固結(jié)( OCR)情況、支護結(jié)構(gòu)剛度、支護形式等密切相關(guān)，采用統(tǒng)一的計算模型顯然不能滿足工程安全和達到經(jīng)濟性目的。對樁錨支護結(jié)構(gòu)，當采用彈性支點法進行支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算時，現(xiàn)行國家行業(yè)標準《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》( JGJ 120-2012)推薦采用三角形分布的朗肯主動土壓力模型，見圖1(b)，同時，為了強調(diào)理論的完整性，增加了“初始土壓力”的概念暗藏于被動區(qū)（見圖2），考慮被動區(qū)初始土壓力（圖中被動區(qū)三角形分布），用于抵消三角形分布土壓力相對于梯形分布增加的土壓力（主動區(qū)三角形分布）。根據(jù)新版規(guī)程相關(guān)條文，被動區(qū)土反力可按下式計算：
式中：p。。為暗藏于被動區(qū)的初始土壓力項。
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：彈性支點法形成的抗力與初始土壓力之和不得大于被動土壓力。毫無疑問，兩個串聯(lián)的力不能相加形成一個更大的力。
以上問題說明，彈性支點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。故該問題如下規(guī)定：“彈性支點法形成的抗力不大于被動土壓力”。
該模型的計算結(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。
采用1999版規(guī)程圖1(a)模型進行了大量工程設(shè)計，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結(jié)構(gòu)屬于量大面廣、常用和重要的支護形式，對其計算模型進行深入研究具有重要的工程應(yīng)用價值。
1 彈性支點法土壓力模型假定
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)小于被動土壓力。
以下結(jié)合鄭州東區(qū)某工程樁錨支護的設(shè)計計算和監(jiān)測結(jié)果，對樁錨支護土壓力計算設(shè)計模型進行探討分析。
2 工程實例
2.1 工程設(shè)計計算
鄭州新區(qū)某工程基坑設(shè)計深度約20m，采用上部土釘下部樁錨支護。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度等級均為C35，錨桿桿體均采用1860MPa有粘結(jié)鋼絞線，錨桿詳細設(shè)計參數(shù)見表2。
采用基坑支護設(shè)計軟件按圖3模型計算后按圖1(b)、圖2模型在相同設(shè)計參數(shù)下進行復(fù)核計算，排樁內(nèi)力、錨桿軸力等計算結(jié)果如下：
- 排樁內(nèi)力計算結(jié)果對比見表3。
2)錨桿內(nèi)力計算結(jié)果如表4。
3)穩(wěn)定性計算結(jié)果如表5所示。
4)變形計算結(jié)果如表6所示。
5) 2012版規(guī)程增加了基坑內(nèi)側(cè)土反力驗算，即排樁嵌固深度范圍內(nèi)被動土壓力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)程進行復(fù)核計算，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)計復(fù)核計算結(jié)果表明：
1)錨桿內(nèi)力總設(shè)計值由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)計值的計算方法將錨桿作為彈簧支點，支點力隨彈簧變形的增大而增大，這種計算方法沒有考慮墻背土體由被動土壓力到主動土壓力的逐漸變小過程，即錨桿拉力可能不隨支護結(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)計控制值1311kN-m增加到1422kN -m，增加9.2%。
3)滿足被動區(qū)土反力不大于被動土壓力條件時，2012版規(guī)程計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)計值與排樁插入深度無關(guān)。當坑底一定范圍內(nèi)為軟土層時，排樁插入深度的增加量會更大。
2.2 工程實測
基坑施工與使用期間選擇5個剖面對排樁內(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)力等進行了監(jiān)測。測點布置如圖5，基坑工程現(xiàn)場照片見圖6。監(jiān)測結(jié)果分述如下：
1)支護結(jié)構(gòu)變形與位移
①支護結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測點位于排樁樁頂及樁身部位，支護結(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，小于計算計算結(jié)果的20mm~ 30mm。
④排樁樁體測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)支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力
測得的受壓區(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。支護樁鋼筋內(nèi)力監(jiān)測結(jié)果見圖9。
根據(jù)分布式光纖應(yīng)變配合鋼筋應(yīng)力計監(jiān)測，排樁縱筋應(yīng)力結(jié)果為：
排樁受拉區(qū)鋼筋應(yīng)力一般僅達到混凝土開裂時鋼筋應(yīng)力的1/2~1/3，受壓區(qū)鋼筋應(yīng)力一般小于鋼筋設(shè)計強度的1/3；受壓區(qū)混凝土微應(yīng)變最大值為0. 0014，為混凝土達到抗壓設(shè)計強度時微應(yīng)變的50% N70%。
3)錨桿軸力
監(jiān)測斷面錨桿軸力變化見圖10，錨桿軸力實測值見表9，錨桿軸力實測值與計算結(jié)果的比較見表10�？梢钥闯鲥^桿總軸力分別為計算標準值的0.6、0. 66倍，為錨桿拉力設(shè)計值的0.44、0.48倍，兩者相差較大。
3 實測結(jié)果分析
1)錨桿軸力
錨桿總軸力與計算結(jié)果相差較大，原因分析如下：
- 坑降水對土體強度指標的影響
表11、表12為本工程勘察報告建議的土體抗剪強度指標（表中粉質(zhì)粘土的抗剪強度為有效自重壓力下預(yù)固結(jié)的不固結(jié)不排水三軸抗剪強度）。以往研究與試驗表明，鄭州東區(qū)淺層新近沉積的粉土、粉質(zhì)粘土排水固結(jié)后的強度指標可以增加15%~25%，工程施工期間實測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)阻力對土壓力的影響
監(jiān)測結(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[4]有：
經(jīng)計算，坑底以上13m帷幕樁墻墻后側(cè)阻達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)坑底以下主動區(qū)土壓力與被動區(qū)抗力
根據(jù)文獻[1]規(guī)定的“彈性支點法”，土的水平反力系數(shù)的比例系數(shù)m可按下式計算：
式(4)中，穢。表示擋土構(gòu)件在坑底處的水平位移量。將實測排樁水平位移代入相關(guān)規(guī)范公式計算得到的m值和被動區(qū)抗力結(jié)果如表13，被動區(qū)排樁位移實測計算得到的抗力值與基坑設(shè)計軟件老版規(guī)程彈性支點法計算結(jié)果相符，與坑底下主動區(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，“彈性支點法”作為樁錨支護體系的一種近似計算方法，有時存在著內(nèi)力計算結(jié)果與實測值之間的較大差距，與老版規(guī)程“彈性支點法”計算結(jié)果相比，本文樁錨支護結(jié)構(gòu)實測得到的鋼筋應(yīng)力、錨桿軸力均小于設(shè)計值的50%。
2)本文案例中，土壓力降低是排樁內(nèi)力與錨桿軸力實測值較小的主要因素。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)、引起土體強度指標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“彈性支點法”模型計算得到的排樁內(nèi)力與插入深度結(jié)果偏大。因此，土質(zhì)條件較好時，“彈性支點法”模型中主動區(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。
4)鑒于各地土質(zhì)情況、模型參數(shù)選擇、計算與實測結(jié)構(gòu)間存在的差異不同，建議應(yīng)通過實測與計算結(jié)果的比較分析，積累經(jīng)驗提出適合的模型或模型參數(shù)，完善樁錨支護結(jié)構(gòu)的計算方法。
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