桩-锚+冠梁支护结构之冠梁位移与桩身弯矩的测试研究

林 锦

（中亿通达设计咨询集团有限公司，福建 三明 365000）

0 引言

近年来，随着我国城市建设发展步伐的加快，大面积的深基坑工程层出不穷，施工环境日趋复杂。由于施工场地等相关因素的限制，深基坑工程施工时多采用桩-锚支护结构。进行桩-锚支护设计时，添加冠梁能够促进整个支护结构的稳定，已有不少学者做了相关方面的研究。

曹庆义等推理得出了桩对冠梁的作用力，发现冠梁可以从一定程度上提升支护桩的承载能力，使整个支护体系的安全性得到极大的改善；何建明等和朱旭东等对排桩支护结构进行了有限元分析，结果表明：排桩与冠梁的配合效果较好，在基坑中央可以忽略协同效应，且随着距离的拉力而增大；梁志翎和高印立在空间杆系有限元方法的基础上，对其进行了空间有限元建模，并对其轴力作用下的刚性效应进行了分析；高印立、陈万祥等人从桩冠对桩身的约束与变形情况出发，推导出了考虑冠梁共同作用的桩身内力计算公式；莫海鸿等将弯剪扭单元模型和杆系增量法结合起来，从圈梁作用机理、圈梁截面优化、圈梁效应与边长之间的关系三个方面进行了优化设计；李兆源运用ANSYS、FLAC等软件对各种工作条件下的横向横向刚度进行了计算，得出了相应的结果；李水泉等建立了圈梁-排桩相互作用的计算模型，并编写了BPanalysis软件，用于圈梁-排桩相互作用的数值模拟，通过实例验证，证明了圈梁对桩体的弯曲和变形具有明显的限制作用；宋捷、孙海涛、黄凯等人根据不同的支护条件，分别对冠梁的影响进行了分析，并给出了相应的简化计算公式；龙照等运用李正深基坑工程软件，对单排悬臂桩的冠梁截面尺寸、基坑边长等因素对其冠梁水平侧向刚度的影响进行了分析，王建军等、吴雄志等进行了现场实测，得到了冠梁的受力特征、冠梁内力、弯矩与基坑施工过程的关系。

对于在桩-锚支护结构设计中加入冠梁结构已有众多学者提出了各种不同的计算模型与方法，但有关冠梁位移和桩身弯矩的试验研究较少，仍存在不足。基于此，本文以三明市梅列区青山三村二幼教学楼及其附属设施深基坑工程为例，对冠梁位移和桩身弯矩进行了试验分析，为基坑工程的设计提供参考。

1 桩-锚支护结构类型与计算方法

1.1 桩-锚支护结构类型

桩-锚支护结构是一种具有稳定性好、安全性高、施工方便的柔性支护结构。根据基坑开挖深度和支护结构的受力情况，可以将其划分为：（1）单支点排桩支护：在基坑开挖深度大的情况下，由于悬臂桩本身无法达到桩体强度和变形的要求，可以在桩顶附近设置支座；（2）多支点排桩支护：在基坑开挖深度较深的情况下，可以采用多个支点（或锚杆）来减小桩体的受力和变形[1]。排桩的支护结构应满足安全性、经济型和可行性三个基本条件，即在满足安全和可行性的条件下，尽量节约成本，减少工程造价。

1.2 桩-锚支护结构设计计算方法

目前，通常将桩-锚支护结构简单地归结为一个受水平侧向力影响的受力结构，其计算方法主要有传统计算方法和弹性力学计算法。

（1）传统计算方法：主要是按受侧向加载的单元宽度梁系，例如传统的1/2分割法、等值梁法、刚性支承连续梁法等。所用的土压力包括太沙基的经验土压力，以及典型的库伦土压力和朗肯土压力等。该方法具有计算简便、便于手工计算的优点，但其缺点是无法计算出支撑结构的位移，且未考虑施工条件的影响；结果表明，所得到的支撑力与实测值有很大差异[2]。

（2）弹性力学计算法：将支座或锚杆作为弹性支点，将地基下的土体分解成一组水平作用的弹簧，主动侧的土压力通常采用经典土压力理论进行计算，对弹性法的微分方程进行求证，计算出它的内力和位移。

目前，在基坑支护中，主要采用弹性力学计算方法。

2 试验基坑概况及试验方法

带冠梁的桩-锚支护结构是一个多层介质的空间系统，它与周边土层形成了一个有机的整体，在开挖和施工中，冠梁的位移和桩身的弯矩都会发生不同的变化，往往理论分析与实际情况存在着较大的偏差。通过现场实测，可以测量出不同工作状态下的冠梁位移和桩身弯矩。通过对三明市某基坑工程添加冠梁的桩-锚支护结构进行试验，分析基坑施工期间冠梁位移和桩身弯矩的变化情况；通过与理论计算结果的比较，探讨支护结构的变形特征[3]。

2.1 试验基坑概况

拟建场地位于三明市梅列区青山三村青山五路东侧，场地原为二幼教学楼及附属教学设施，为3层框架结构。场地北侧为青山大道及闽光单身公寓，南侧为三钢信息技术中心及地下室，场地东、西两侧分别为青山四路、青山五路及青山三村住宅楼。基坑开挖深度为3.65～7.15m。东侧采用钢筋混凝土灌注桩+锚杆支护，北边和西边采用土钉法。桩径800mm，桩距1.6m，桩长16m，离地2.0m处设一根18m的锚杆（锚固长度为13m），离地4.5m处设一根14m的锚杆（锚固长度为9m），其地质参数如表1所示。

表1 基坑支护设计计算参数

2.2 冠梁位移测试点布置

根据“重点普遍差别待遇”的原则，在冠梁上设置7个试验点，浇筑冠梁混凝土之前进行填埋布设。采用经纬仪在不同的施工阶段进行观测，如图1所示。

图1 冠梁观测点布置图

2.3 桩身内力测试方法

采用经纬仪在不同的施工阶段进行观测，利用YJ-25型静电阻应变仪读出基坑施工期间钢筋上的应变片的变形量，通过应变片的变形量进行应力计算，并对同一构件进行抗拉试验分析。为了确保试验结果的可靠性和精确度，在试验中添加了温度补偿板以降低温度对试验结果的影响[4]。

3 试验结果分析

3.1 冠梁位移实测结果分析

从图2和图3可知：（1）在深基坑开挖时，随着开挖深度的增加，冠梁的位移逐渐增大，但其变化不是均匀地沿着冠梁方向，而是出现了中间偏大、两边偏小的特点；各试验点的位移均为负。结果表明，在测点10和测点13等位置，冠梁两侧和转角位置的位移较大，这是因为它们的变形不协调所致。（2）在基坑开挖及地基施工期间，冠梁的总体位移相对较小，其平均变形约为6.3mm，而冠梁两侧的变形均低于设计值。（3）开挖前期，冠梁中部和两侧的变形量变化幅度较大，而开挖到3.1m后，其增长速度基本保持不变。在锚固工程中，其位移速率明显增加，在施加锚杆预应力后，各个测点的位移都有所降低，其中锚杆的作用对冠梁中部位移的影响要比两边都大。

图2 冠梁位移分布曲线

图3 冠梁位移随时间变化曲线

3.2 桩身弯矩测试结果分析

根据材料力学中的挠曲和应力分析原理，可以用公式（1）来计算桩在任意截面上的弯矩：

采用此方法，可以得出在不同试验时刻，桩身弯矩沿桩深度的变化规律，并与理论计算结果进行了对比。实测与计算弯矩对比见图4。

图4 实测与计算弯矩对比

从图4可见：在悬臂期，测得的弯矩最大值与经典法计算结果相近，而在曲线形态上则与弹性法相近；在采用预应力锚杆的情况下，在基坑上方，无论是采用传统方法还是采用弹性法计算，其计算结果与实际情况存在一定的偏差；在基坑下方，实测的弯矩峰值与传统方法相比有较大的差异。试验结果与两种理论计算的结果有一些差异，原因在于一般认为预应力锚索在开挖面与锚杆间产生的弯矩是负的，但在施工中，在锚杆与桩身之间，由于结合不严密、预应力损失等因素，使锚杆的预应力没有得到充分的发挥，从而导致没有负弯矩的出现，最终导致实测值与计算值存在差异。另外，根据现行《混凝土结构设计规范》(GBJ10-89)，试验桩的最大抗弯矩为130kN·m，而实测值为59kN·m，为最大抗弯矩的45%，说明现行的支护结构设计方法有较大的缺陷，造成了严重的浪费[5]。

4 结束语

综上所述，对桩-锚支护结构的类型与计算方法进行了介绍，指出弹性力学计算方法应用更广泛；结合某基坑工程实例，对添加冠梁的桩-锚支护结构进行了试验研究，分析了冠梁位移和桩身弯矩的变化情况，并将试验结果与理论计算进行了比较。根据对比结果可知：采用弹性力学计算法进行桩-锚支护设计计算，比传统计算方法更为合理，但二者的计算值与实测值都存在一些差异，并且都较为保守；对设置冠梁的桩-锚支护结构进行现场实验，既能真实地反映冠梁的位移和桩身弯矩，又能根据实测数据优化基坑支护结构设计，可为同类工程的设计提供参考。