郭銳劍，段 建，俞 莉，周文權，母海鵬，黃佳梅

(1.湖南工程學院 建筑工程學院，湘潭 411104；2.蘭州理工大學 土木工程學院，蘭州 730050；3.中都工程設計有限公司，成都 610041)

0 引言

樁錨支護技術因占用地少、整體穩(wěn)定性好，且能有效約束變形等特點，已在基坑工程中得到了廣泛運用；同時，隨著當前城鎮(zhèn)化建設的不斷深入推進，城市建設用地日趨緊張，必將涌現(xiàn)諸多規(guī)模更大更深、周邊環(huán)境更為復雜的深基坑市場.鑒于樁錨支護技術突出優(yōu)勢與深基坑建設需求，開展其支護理論與應用研究已迫在眉睫.目前，國內外學者對此開展了一些相關研究工作，如肖宏彬[1]等針對深基坑開挖中廣泛采用的多支撐擋土結構，考慮分步開挖的施工過程對支撐反力、擋土結構內力和位移的影響，提出了以彈性地基梁理論為基礎的多支撐擋土結構開挖過程的有限元分析方法，并推導出了各開挖階段矩陣方程的形式.馮紫良[2]等提出了一種新型的單元模型來模擬樁錨結構，推導了錨樁工作狀態(tài)下接觸面處的位移解答和剛度公式，編寫了有關的計算程序.晏鄂川[3]等利用結構力學理論，在研究樁錨結構體系的兩階段變形過程的基礎上，對樁錨結構變形協(xié)調方程進行了改進，包括改變原有方法中抗滑樁滑面處位移和轉角的計算方法以及改變第j排錨索對樁身i點處位移貢獻的計算形式.丁敏[4]等采用將樁錨結構視為荷載作用-側向彈簧支承的連續(xù)梁模型，支護樁為直立的彈性地基梁，主動土體轉換為土壓力，錨桿簡化成為可逐步施加的彈簧支承，而被動土體則用側向支承的土體彈簧替代，以此提出了以矩陣分析為手段的樁錨結構分析方法.張敏[5]等在傳統(tǒng)的三點定圓法、最小二乘法、自然樣條法反算彎矩的基礎上提出了改進的最小二乘法和改進的自然樣條法，并利用兩種方法反演支護樁彎矩.陳涵[6]等運用MIDAS GTS NX，數值分析預應力錨桿和普通注漿錨桿組成的樁錨支護結構力學變形之差異，認為相比普通注漿錨桿而言，預應力錨桿具有較好的限制變形能力.黃明輝[7]等采用有限元軟件MIDAS/GTS NX，建立樁錨支護結構三維仿真模型，探討錨桿安置傾角作用機理，發(fā)現(xiàn)支護結構變形在一定傾角范圍內出現(xiàn)谷值，存在最優(yōu)安置角范圍.等等，這些都大大豐富了樁錨支護技術理論基礎與工程應用，為工程設計提供了一定的指導意義.然而，該技術涉及結構與巖土體的相互作用，與周邊環(huán)境也相互制約，影響因素甚多，研究難度大，其相關支護理論、施工技術等目前還不夠完善，遠跟不上工程實踐的步伐，在當今城市建設日趨密集的環(huán)境下，常常出現(xiàn)一些基坑失穩(wěn)垮塌事件，相關報道也屢見不鮮，由此，加強此方面的研究尤顯重要.

為此，本文以實際工程為依托，在保證基坑穩(wěn)定和其他條件相同的前提下，僅通過調整錨索位置，對基坑進行多次試算[8-9]，在深入分析樁身內力和基坑變形變化規(guī)律的基礎上，探討合理的錨索布置方案，以期為類似工程提供借鑒.

1 工程概述

擬建項目為長沙黃花綜合保稅區(qū)進出口商品展示交易中心，位于市經濟技術開發(fā)區(qū)，該建筑地上6層，地下2層，框架剪力墻結構，項目全貌如圖1所示.該場地地勢平坦，四周依次臨接已建黃金大道、巡邏路、停車場與大元路，基坑周邊環(huán)境復雜，且不具備放坡空間.

圖1 擬建建筑鳥瞰全貌

1.1 場地工程地質條件

場地揭露地層依次為人工填土、粉質粘土、強風化泥質粉砂巖與中風化泥質粉砂巖，其中西側原為水塘，地形地貌由近期人工填筑所形成，表層人工填土較深，厚約10 m.各地層物理力學參數如表1所示.場地地下水為上層滯水，賦存于人工填土及第四系粘性土中，其在豐水期主要受大氣降水補給，在枯水季節(jié)則直接被蒸發(fā)，水位變化直接受氣候條件變化的影響；場地內各地層均為弱透水層.場地西側工程地質情況如圖2所示.

圖2(a) 場地西側工程地質概貌

圖2(b) 場地西側工程地質概貌

表1 巖土體物理力學參數

考慮到西側基坑人工填土深厚，工程地質條件差，且基坑頂邊線距離征地紅線僅3 m，坑頂又選做施工料場，致使該側基坑開挖所形成的土質邊坡變形難以控制，極易失穩(wěn)滑塌，本文旨以西側基坑支護進行錨索位置優(yōu)化探討，以期為工程施工提供計算依據與理論指導.

1.2 研究方案的擬定

西側基坑為一級基坑，擬采用排樁+預應力錨索支護形式，總體布置如圖3所示.通過計算分析，發(fā)現(xiàn)錨索豎向位置對基坑支護工作性能影響較大，為了探明兩者間的相互關系，設置基本條件為：坑深取10.65 m，排樁樁徑為1.2 m，樁間距為2 m，樁嵌固段長5 m，錨索入射角為30°，坑頂設計荷載取30 kPa，錨索橫向布置于樁間土上(設置冠梁與鋼腰梁)，豎向共布置3排，從上至下每排錨索施加預應力為：480 kN、380 kN、300 kN，且計算中滿足基坑整體穩(wěn)定性等各項指標要求.考慮工程造價及變形限制等因素，在其他設計參數不變僅調整錨索豎向位置情況下，分析錨索豎向位置(h,d)對樁身內力(彎矩Mmax和剪力Qmax)、樁頂水平位移Δx與坑頂地表沉降ω的影響，從而提出工程最優(yōu)設計方案.

為此，錨索的豎向布置研究方案分兩個層面：①第一排錨索距樁頂距離h為1.0 m、1.5 m、2.0 m和2.5 m 4種情況；②錨索間豎向間距d分成2 m、2.25 m、2.5 m、2.75 m、3.0 m和3.25 m 6種情形.

圖3 西側基坑支護方案

2 樁身內力與錨索位置關系

依據上述基本條件，計算獲得樁身最大彎矩、剪力與錨索位置關系如圖4所示.

圖4 樁身內力與錨索布置關系

當第一排錨索位置h一定、僅改變錨索間距d時，樁身最大彎矩Mmax隨間距d的增大而減小，如圖4(a)所示，當錨索間距小于2.75 m時，每增加0.25 m索間距，彎矩減小值為100～140 kN·m，即：錨索間距在某一范圍內，索間距的增大與彎矩的減小基本呈線性關系，表現(xiàn)為前半段直線下降特性；而當錨索間距大于2.75 m時，隨著錨索間距的增加，彎矩的減小幅度下降，且其減小值與第一排錨索位置有著密切聯(lián)系，在此區(qū)間，當第一排錨索與樁頂距離為1 m、1.5 m、2 m、2.5 m時，每增加0.25 m的錨索間距，彎矩的平均減小值分別為120 kN·m、71.5 kN·m、67.6 kN·m、5.4 kN·m，說明當錨索間距大于某一限值時，增大錨索間距不能顯著減少彎矩，且隨著錨索總體位置的下移，彎矩值隨錨索間距的變化敏感性降低，體現(xiàn)在圖4(a)中的曲線越往下越平緩，甚至最下面的曲線出現(xiàn)不降反升的趨勢；出現(xiàn)該現(xiàn)象主要是由于錨索間距較大時，使得最下一排錨索與基坑底距離較近，其所分擔的土壓力減小，參與受力工作程度不高，致使樁身彎矩沒有明顯減小，尤其是當第一排錨索與樁頂距離為2.5 m時，上部兩排錨索承擔了較大的土壓力，樁身彎矩不減而反升.同時，在錨索間距一定、僅改變第一排錨索位置h的情況下，第一排錨索與樁頂的距離每增大0.25 m，其彎矩減少值為200 kN·m左右，如圖4(a)可見四條曲線平行且間距基本相等.由上述分析可見，將第一排錨索下調0.25 m比擴大錨索間距0.25 m所減少的彎矩更多，敏感性更高.在工程中，彎矩決定了樁身縱向受力鋼筋數量，直接影響工程造價，可通過上述規(guī)律調整錨索位置確定彎矩值，從而獲得經濟安全的最優(yōu)設計方案.

剪力值決定了樁身箍筋數量，此指標也是制約工程造價重要因素之一，圖4(b)曲線描述了錨索布設方案與樁身剪力之間的對應關系，總體上，剪力圖和彎矩圖形態(tài)基本相似，體現(xiàn)為兩個特征：

(1)四條曲線的前半段均成線性關系，后半段越來越平緩.在前半段的直線區(qū)段內，錨索間距每增大0.25 m，剪力的減少值約為30 kN，直線段基本平行且間距相等；在后半段的非線性段內，錨索間距每增大0.25 m，剪力的減少值平均不到10 kN，減小值顯著變小，甚至出現(xiàn)不降反增的趨勢.

(2)當第一排錨索距樁頂1 m時，錨索間距從2 m增大到3.25 m，錨索間距每增大0.25 m，剪力值減小值分別為26.13 kN、26.43 kN、22.81 kN、24.56 kN和5.23 kN，僅在錨索間距達到3.25 m時，剪力減小幅度顯著降低；而當第一排錨索距離樁頂2.5 m時，同樣情況下的剪力減小值分別為28.19 kN、27.34 kN、-17.96 kN、-5.14 kN、16.57 kN，僅僅在樁間距為2 m和2.5 m時保持線性比例關系.由此可見，剪力隨著錨索總體位置的下移，對錨索間距的增大越來越不敏感，在圖中表現(xiàn)為從上往下曲線的平緩段明顯增長，與彎矩圖相比較，這種特性剪力圖表現(xiàn)得更為明顯.

通過上述樁身內力與錨索位置關系分析可知，彎矩、剪力-錨索位置關系圖特征相似，都呈現(xiàn)出直線段和非直線段，且直線段的間距基本相等，說明在該段內力值與錨索間距、第一排錨索距樁頂距離均成比例關系；當錨索整體偏下時，曲線圖則出現(xiàn)非直線段，在該段內，錨索間距的增大和第一排錨索的下移均不會使內力值明顯減小，且當錨索間距過大，錨索整體位置下移可使曲線的平緩段增長.因此，在工程實際當中，當錨索總體位置偏上時，在一定范圍內調整錨索的間距可使樁身內力按比例變化，而當錨索總體位置偏下時，不宜使錨索間距太大，使得布設的各層錨索均能充分發(fā)揮材料強度，樁與錨索共同受力工作，使其工作性能達到最佳；同時，調整第一排錨索位置比調整錨索間距對樁身內力的影響更大.

3 變形與錨索位置關系

樁錨支護體系變形控制指標一般以樁頂水平位移Δx和坑頂地表沉降ω來衡量，圖5、圖6分別給出了其與錨索位置關系.

圖5 樁頂水平位移與錨索布置關系

圖6 坑頂地表最大沉降與錨索布置關系

由圖5可知，樁頂水平位移隨著第一排錨索與樁頂的距離h的增大而增大，與錨索間距d大小影響甚微，僅當第一排錨索距離樁頂距離為1 m時，樁頂水平位移隨著錨索間距的增大而有稍許增大趨勢，且其增量值在工程中可以忽略不計，在實際工程中，錨索離樁頂太小會形成一定的施工難度和可操作性低的問題，因此一般不予考慮.同時，當第一排錨索距樁頂分別為1 m、1.5 m、2 m和2.5 m時，樁頂位移分別為16.39 mm、21.46 mm、30.08 mm和40.31 mm，即第一排錨索每下移0.5 m，位移增加約10 mm；由此可見，樁頂水平位移主要由第一排錨索的位置來控制，也說明了第一排錨索預應力大小對樁頂的位移約束有著決定性的作用.因此，對于變形要求嚴格的工程，可通過調整第一排錨索位置及其預應力大小來控制樁頂水平位移.

圖6給出了坑頂地表最大沉降與錨索布置關系.當固定第一排錨索的位置，地表沉降值隨著錨索間距的減小而減小，錨索間距每減少0.25 m時，沉降約減少2～4 mm，沉降-錨索位置關系線表現(xiàn)為一直線，四條直線基本平行；同時，地表沉降值隨著第一排錨索的位置下移而增大，當第一排錨索距樁頂小于2 m時，錨索總體每上移0.25 m，沉降減少約5 mm，而當第一排錨索距樁頂大于2 m時，錨索總體每下移0.25 m，沉降增加約8 mm，增幅加大.

由上述分析可知，樁頂水平位移與坑頂沉降變化規(guī)律特征相似：第一排錨索位置較錨索間距對支護系統(tǒng)變形約束影響要大，尤其是樁頂水平位移，錨索間距對其影響甚微，造成這些特征是由于基坑支護系統(tǒng)變形通過第一排錨索預應力的施加而得到有效控制，因此，對于周邊建筑物距離較近等對沉降要求嚴格的工程，應盡量將錨索的整體位置上移.一般場地各土層通常具有上軟下硬特性，雖第一排錨索上調方案這種做法將會增長錨索長度，進而增加工程造價，但可以通過增大錨索安裝傾角而得到有效緩解.

對于這種地質條件差的工程，控制基坑變形尤為重要，為達到該目的，本項目使錨索整體位置偏上(h=1.5 m)，適當增加錨索間距(d=2.5 m)，盡可能減少內力值，以達到經濟合理.從本工程基坑開挖及運營整個過程來看，此方案可行，達到了預期的目標.

4 結論

本文以實際工程為依托，以樁身內力與基坑變形為考察指標，開展樁錨基坑支護錨索位置優(yōu)化分析，以期為同類工程提供一定的參考與借鑒意義.通過分析，得到以下幾點結論：

(1)索間距一定時，基坑第一排錨索位置越靠近樁頂，樁頂水平位移與坑頂沉降值越小，而樁身彎矩和剪力則越大；

(2)第一排錨索位置一定時，隨著錨索間距的增加，樁身內力越小，而坑頂沉降則越大，樁頂水平位移則影響甚微；

(3)與錨索間距因素相比，第一排錨索位置對樁身內力和基坑變形的影響更為顯著；

(4)樁身內力在一定范圍內與第一排錨索位置和錨索間距兩個參數成比例關系；隨著第一排錨索遠離樁頂，錨索間距的變化對內力值影響越來減小，甚至出現(xiàn)負影響的情況.在實際工程中，應避免將錨索總體位置設置偏下，且不宜將錨索間距調得過大；

(5)工程中，可通過調高第一排錨索位置以約束基坑變形，可適當加大錨索間距以減小樁身內力，以此達到基坑安全經濟實用的目的.