土钉墙-桩锚-内撑复合支护体系监测与分析

2018-08-21宋建学李力剑仝元通

建筑科学与工程学报 2018年4期

宋建学，李力剑，仝元通

(1. 郑州大学土木工程学院，河南郑州 450001； 2. 中化地质郑州岩土工程有限公司，河南郑州 450011)

0引言

对于周边环境复杂的深、大基坑，常规的支护形式很难满足支护强度和变形控制要求，复合支护体系越来越多地被尝试应用于实际工程[1-20]。当基坑周边环境条件复杂时，内支撑支护体系特别是现浇钢筋混凝土内支撑体系成为工程师的首选。以郑州地区为代表的中硬场地土条件下12～18 m基坑的主导型支护形式是上部土钉墙支护加下部桩锚支护。上部采用土钉墙支护结构可以减少基坑上部荷载，明显降低造价，下部采用桩锚支护结构可以有效控制基坑变形。当基坑深度较大，特别是基坑深部有软弱土层不足以形成强大的坑内被动土压力，不能有效避免“踢脚”破坏时，就需要在基坑深部加强支护。同时，受相邻地下工程设施的影响不能施工锚杆时，在基坑深部设置内撑可以解决这一问题，土钉墙-桩锚-内撑复合支护体系是一种新的探索。

为了推动复合支护体系的应用，国内学者已有一些探索和总结。聂伟[7]对土钉墙-桩锚-内撑复合支护体系的施工方法进行了阐述，肯定了该体系控制基坑变形的效果；马平等[8]通过数值分析，将土钉墙、桩锚及二者复合支护结构的计算结果进行对比，对现行的复合结构设计思路进行评价；张丽丽等[9]以北京某复合支护工程为例，对桩锚复合土钉支护中土钉的内力及变化规律进行了研究，认为土钉-桩锚复合支护体系中土钉的受力略小于同样条件下纯土钉墙支护土钉的受力，内力变化基本一致；宋建学等[10]建立了土钉墙-桩锚复合支护体系模型，通过与现场实测结果对比，认为该支护形式中土钉墙高度不宜超过6 m；靳军伟等[11]针对某基坑工程存在电力隧道和防空洞等复杂情况进行研究，提出了采用土钉-桩锚复合支护体系处理该类深基坑的方法；黄志全等[12]建立三维有限元模型，对双排桩复合土钉支护下基坑在开挖过程中的变形破坏和支护结构受力演化规律进行了分析；吴昌长[18]依托某基坑工程实例，研究了桩锚-内撑复合支护体系下深基坑开挖变形情况，探讨了桩锚-内撑复合支护的特点和工作机理。

迄今为止，对于复合支护体系的研究主要集中于土钉-桩锚支护[8-17]和桩锚-内撑支护[18-19]，而对于土钉墙-桩锚-内撑复合支护体系的研究尚不充分，针对该复合支护体系的相关研究落后于工程需求[21-26]。本文依托某深基坑工程实例，通过支护结构变形现场监测和数值分析，研究土钉墙-桩锚-内撑复合支护体系中不同支护方式之间协调变形、协同工作的机理，分析内支撑位置及锚索锁定值对支护结构变形性状的影响，深入讨论钢筋混凝土内支撑在控制变形方面的作用，为相似条件下的设计和施工提供参考。

1现场试验

1.1工程概况

工程实例为1栋写字楼及商业裙房项目，写字楼采用框架核心筒结构，商业裙房采用框架结构。该项目基坑大致呈长方形，平面尺寸为106 m×65.9 m，基坑开挖深度为15.9 m，基坑设计使用时间为18个月。

1.2支护方案

本工程基坑安全等级为一级，采用土钉墙-桩锚-内撑复合支护体系，上部土钉墙高度为4.4 m，在-4.8 m处设置平台，平台宽920 mm，土钉墙按坡度系数0.2进行放坡，设置2排土钉，长度为6 m，水平间距为1.5 m。支护桩为钢筋混凝土灌注桩，桩径1 200 mm，钢筋笼长度为22.5 m，下部5.5 m为素混凝土桩。共设置2排预应力锚索，标高分别为-6.1，-9.6 m，长度为22 m，水平间距为1.5 m，锚索孔径为150 mm，入射角度15°，第1排锚索锁定值为260 kN，第2排锚索锁定值为210 kN。钢筋混凝土内支撑设置在-12.3 m(支撑顶标高)处，截面尺寸为900 mm×900 mm，采用C35混凝土，基坑典型支护剖面见图1。

图1基坑典型支护剖面图(单位:mm)Fig.1Typical Support Profile of Foundation Pit (Unit:mm)

1.3现场监测及数据分析

以基坑典型支护剖面为例，坡顶、冠梁水平位移随时间变化曲线见图2，3，各施工节点对应支护桩深层水平位移曲线见图4。

图2坡顶水平位移Fig.2Horizontal Displacement on Slope Top

图3冠梁水平位移Fig.3Horizontal Displacement of Top Beam

图4各施工节点下深层水平位移Fig.4Deep Horizontal Displacements Under Different Construction Nodes

土钉墙坡顶水平位移随基坑开挖持续增大。第1排和第2排锚索施工完毕后，坡顶水平位移的增长速率没有明显变化，这表明锚索对坡顶水平位移的控制效果并不明显，坡顶水平位移主要由上部土钉墙设计参数控制。锚索施工完毕到内支撑施工完毕这段时间内，坡顶水平位移几乎呈线性增长，说明钢筋混凝土内支撑形成强度之前，其控制变形能力很弱。为了避免水平位移增长超过预警值，建议在这段时间内限制基坑开挖速度，或者采用跳仓开挖方式，适当增加技术间歇，待钢筋混凝土内支撑形成强度后再开挖下层土方。

冠梁水平位移在内支撑施工前发展速率较快，内支撑形成强度后速率明显减小。这表明内支撑对冠梁水平位移有较明显的控制效果。

比较图2，3可知，冠梁施工完毕后，在水平方向上，坡顶和冠梁已有约4.6 mm位移差。水平位移差随基坑开挖不断增大，到基坑开挖完毕，水平位移差约7.8 mm。因此，若工程周边环境复杂、管线密集(通常集中在地面以下5 m范围内)，应当在土钉墙和冠梁的设计中考虑基坑开挖对周边建筑物基础和管线的影响，提高冠梁标高，不低于相邻被保护建筑物的基础和邻近被保护管线的中轴线标高。

支护桩深层水平位移曲线大致呈P形，且最大位移出现在约-8 m处，即内支撑标高附近。这与支护设计最初的设想有些偏差，也表明钢筋混凝土内支撑限制变形是被动的，即在钢筋混凝土内支撑形成强度且支护桩发生变形后，才能充分发挥作用；另外，与钢管支撑不同，钢筋混凝土内支撑无法施加预应力，只有支护桩发生一定水平位移与内支撑紧密接触后，作用才能表现出来。此过程中，基坑开挖引起主动土压力增大，造成了内支撑标高附近水平位移较大。对照现场监测可以确认，该标高处水平位移主要产生于内支撑形成强度之前。

2数值分析

2.1有限元模型的建立

采用ABAQUS有限元软件对基坑开挖过程中基坑土体和支护结构的变形进行模拟。模型的尺寸为长90 m，深60 m；开挖部分的尺寸为长29.15 m，深15.9 m。模型中土体采用4节点平面单元，选用Mohr-Coulomb本构模型；桩体、锚索等采用线弹性模型；桩土之间采用摩擦型接触进行模拟。土层与结构参数见表1，2，基本分析模型如图5所示。

表1土层分布与模拟参数Tab.1Soil Layer Distributions and Simulation Parameters

表2结构参数Tab.2Structure Parameters

图5基本分析模型Fig.5Basic Analysis Model

2.2计算工况

计算工况如下：

工况1：基坑开挖至-4.4 m，浇筑支护桩，打入2排土钉。

工况2：基坑开挖至-6.2 m，施工第1排锚索(-5.7 m)。

工况3：基坑开挖至-9.7 m，施工第2排锚索(-9.2 m)。

工况4：基坑开挖至-12.85 m，施工钢筋混凝土内支撑，内支撑位置为-12.35 m。

工况5：基坑开挖至坑底为-15.9 m。

2.3实测与模拟结果对比分析

各工况下坡顶水平位移实测值与模拟值的对比见图6，工况5下支护桩深层水平位移实测值与模拟值的对比见图7。

图6坡顶水平位移对比Fig.6Comparison of Horizontal Displacement on Slope Top

图7深层水平位移对比Fig.7Comparison of Deep Horizontal Displacement

坡顶水平位移和支护桩深层水平位移实测值与模拟值的趋势基本一致，且数值非常接近，验证了建模方法和参数选取的适用性，以下将按照已建立的有限元模型对支护结构进行虚拟设计，研究内支撑位置和锚索锁定值等设计参数对基坑变形的影响。

3虚拟设计与参数分析

3.1内支撑位置

在工况5下，分别将内支撑放置于第1，2排锚索中间(标高-7.5 m，虚拟工况1)和桩顶处(标高-4.4 m，虚拟工况2)进行计算分析，在工况5和虚拟工况1，2下的支护桩深层水平位移对比曲线见图8，基坑支护结构的变形特征对比见表3。

图8内支撑位置不同时的深层水平位移Fig.8Deep Horizontal Displacements in Different Inner Bracing Positions

由图8和表3可知，在土钉墙-桩锚-内撑复合支护体系中，随内支撑上移，坡顶水平位移虽有减少，但桩身最大水平位移增大更显著，且最大水平位移点向基坑底面方向移动，桩底水平位移变化较小。

表3内支撑位置不同时的基坑变形特征Tab.3Deformation Characteristics of Foundation Pit in Different Inner Bracing Positions

上述实测与分析结果表明：在复合支护体系中内支撑标高的确定应以基坑外被保护对象位置为依据。对于周边管线(通常在地下5 m内)密集的基坑工程，可在支护桩高度上部的1/3区间内设置内支撑以控制基坑变形；当基坑外有深部存在的地铁、综合管廊等工程时，可在该范围内设置内支撑以限制支护结构的水平位移。

3.2锚索锁定值

在工况5下，采用4组锚索锁定值进行虚拟设计，各虚拟工况中的锚索锁定值见表4。支护桩深层水平位移在各工况下的对比曲线见图9，基坑支护结构的变形特征对比见表5。

表4各虚拟工况中的锚索锁定值Tab.4Anchor Lock Value in Various Virtual Working Conditions

图9锚索锁定值不同时的深层水平位移Fig.9Deep Horizontal Displacements Under Different Anchor Lock Values

由图9和表5可知，随锚索锁定值增大，桩身最大水平位移所在位置略有下移，这有利于内支撑作用的充分发挥。对于桩锚支护结构，冠梁水平位移随锚索锁定值的增大而稳步减小，这与该场地土层的工程地质条件较好有关。虚拟工况6相对于虚拟工况4，第2排锚杆锁定值加大，但控制变形的效果并不明显。规范[27]规定锚杆锁定值宜取锚杆轴向拉力标准值的75%～90%，因此在实际工程中锚索锁定值的变化范围有限。当场地的工程地质条件较好时，可以通过适度增大锚索锁定值(5%～15%轴向拉力标准值)来获取较好的支护效果。