袁方龍，陳運濤，2，李斌

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，港口巖土工程技術(shù)交通運輸行業(yè)重點實驗室，天津市港口巖土工程技術(shù)重點實驗室，天津 300222；2.河北工業(yè)大學(xué)，天津 300401）

0 引言

隨著城市地下空間建設(shè)規(guī)模和深度增加，基坑安全問題日益突出，且隨著城市建設(shè)用地的制約和環(huán)保施工理念的深入，傳統(tǒng)錨固支護結(jié)構(gòu)形式已經(jīng)無法滿足深基坑開挖支護、環(huán)保、施工等方面的要求，如注漿錨桿[1]存在注漿體強度增長慢、桿體埋設(shè)較長影響臨邊工程地下空間施工等問題；自鉆式錨桿[2]存在錨固效果不理想的問題等，對此產(chǎn)生了大量深基坑開挖支護的課題，且各種支護結(jié)構(gòu)類型層出不窮，而擴體錨固技術(shù)憑借較高承載力的特性受到業(yè)內(nèi)人士的廣泛關(guān)注。

目前，擴體錨固技術(shù)根據(jù)擴體膨脹形式的不同主要分為：擴體注漿型[3]、充氣膨脹型[4-5]、預(yù)拉（壓）膨脹型[6]等。實踐表明：擴體注漿型錨桿存在成孔難、擴體段與錨桿桿體整體性差、注漿體硬化強度增長周期長而影響施工進(jìn)程等問題；充氣膨脹型錨桿尚處于研發(fā)階段，氣囊強度、氣密性、工程適用性等諸多問題尚不確定；預(yù)拉（壓）膨脹性錨桿施工簡便，擴體張開機理較易實現(xiàn)，但擴體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、制作成本較高，制作工藝較繁瑣，很難在工程中大規(guī)模應(yīng)用。

深基坑開挖施工前或施工過程中的降水設(shè)計是提高基坑穩(wěn)定性的重要措施，目前深基坑降水[7]廣泛采用井點法和坡面插管法，井點法排水效果明顯，但施工工藝繁瑣，且需要真空抽水；坡面插管法應(yīng)用范圍較窄，且對于深層土體的排水效果不明顯。

框架自排水串式擴體錨桿支護結(jié)構(gòu)是一種將排水措施[8]和擴體錨固[9]技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)深基坑雙重支護的新型支護形式，從排水角度講，錨桿桿體為坡體提供理想的排水通道，能夠有效加快軟土邊坡的固結(jié)速率；從結(jié)構(gòu)形式來講，擴體段吸水膨脹形成擴大頭，聯(lián)合框架擋墻共同將潛在滑移土體錨固于穩(wěn)定土層中。目前，該支護結(jié)構(gòu)的排水效果和支護特性尚不清楚，結(jié)構(gòu)設(shè)計尚不完善，為了指導(dǎo)后續(xù)設(shè)計和施工，急需對其展開深入研究。本文采用有限元[10]軟件建立三維基坑實體模型，對框架自排水串式擴體錨桿結(jié)構(gòu)的支護效果和排水特性進(jìn)行研究。

1 框架自排水串式擴體錨桿支護結(jié)構(gòu)的提出

該支護結(jié)構(gòu)整體由格構(gòu)擋墻、擋土板、自排水串式擴體錨桿和抽水系統(tǒng)組成，自排水串式擴體錨桿通過錨具和鋼墊板與格構(gòu)擋墻固定連接，協(xié)同擋土板共同承擔(dān)坡面土壓力，自排水串式擴體錨桿由鉆頭、吸水膨脹環(huán)、濾水管和鋼圓管通過螺紋連接而成，鉆頭設(shè)有絞龍葉片，吸水膨脹環(huán)采用高強度吸水膨脹橡膠材料，并用抱箍固定在鋼圓管周圍，濾水管上設(shè)有濾水孔，并在表面綁扎單向透水薄膜，空間結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 框架自排水串式擴體錨桿空間結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Space structure diagram of grillage self-drilling string expansion anchor

2 框架自排水串式擴體錨桿支護結(jié)構(gòu)的受力機制和承載力計算

2.1 受力機制

框架自排水串式擴體錨桿支護結(jié)構(gòu)綜合考慮了錨桿自鉆成孔、錨固段吸水膨脹形成擴體、錨桿桿體為土層提供理想的排水通道等原理所研發(fā)，伴隨基坑開挖過程將其受力機制分為3個階段。

第1階段：靜止受力階段。在基坑開挖初期，坡體水平位移較小，錨桿與周圍土體間無相對位移，錨桿拉力主要來自錨固段擴體和桿體的側(cè)摩阻力，擴體前端面受靜止土壓力。

第2階段：塑性區(qū)開展階段。隨著基坑開挖深度的增加，坡面水平位移逐漸增大，土體與錨桿間產(chǎn)生相對位移，錨桿側(cè)摩阻力由靜摩阻力轉(zhuǎn)為滑動摩阻力，擴體前端面承受土壓力，端阻力逐漸發(fā)揮作用，擴體前端面土體受壓產(chǎn)生局部塑性區(qū)。

第3階段：塑性區(qū)貫通階段。隨著外荷拉力繼續(xù)增大，各擴體段依次發(fā)揮錨固作用，各吸水膨脹環(huán)前端面土體不同程度的產(chǎn)生塑性區(qū)，塑性區(qū)土體受上覆土體約束，當(dāng)端阻力足夠大時，膨脹環(huán)前端土體塑性區(qū)不斷向前擴展，直至相鄰膨脹環(huán)間土體發(fā)生貫通破壞。

2.2 承載力計算

通過分析串式擴體錨桿的受力機制可知，其抗拔承載力[11]主要由擴體端阻力和側(cè)摩阻力組成。董建華等[5]給出了一種胎串式錨桿在孔壓影響下的承載力計算公式，較好地描述了多串式擴體錨桿周圍土體發(fā)生剪切破壞時的抗拔承載力隨孔壓消散的計算公式，即：

式中：Qp1為小圓柱面破壞情況下擴體的端阻力；βc為端阻力修正系數(shù)，對于臨時性錨桿取4.5～6.5，對于永久性錨桿取3.0～5.0；pu為擴孔壓力；μ為擴體端面與土體間的摩擦系數(shù)；uw為土體孔壓，對于飽和土，uw=Δumax；Δσr為擴體側(cè)壁土體徑向應(yīng)力增量；d為桿體直徑；De為擴體等效直徑；Qs1為擴體側(cè)阻力；Le為擴體摩擦段有效長度，Le=0.7L～0.9L，L為擴體長度；c為土體的黏聚力；σra為擴體側(cè)壁土體的徑向有效應(yīng)力，σra=pu-uw；φ為土體的內(nèi)摩擦角。

3 基坑開挖支護有限元模擬

3.1 模型的建立

為了更清楚地了解框架自排水串式擴體錨桿的受力特性和排水效果，且考慮到該支護結(jié)構(gòu)空間布置的對稱性，現(xiàn)取單榀框架為計算單元，建立三維基坑實體模型進(jìn)行支護和排水模擬，模型尺寸為65 m×4 m×40 m，基坑開挖深度為10 m，坡面傾角為80°，采用3層2列錨桿支護，第1層錨桿距坡頂豎向距離為3.5 m，各層錨桿水平間距4 m，豎向間距2 m。第1層錨桿長8 m，錨固端桿體設(shè)置3個吸水膨脹環(huán)，第2層錨桿長6.6 m，設(shè)置2個吸水膨脹環(huán)，第3層錨桿長5.0 m，設(shè)置1個吸水膨脹環(huán)，各段膨脹環(huán)長0.6 m；濾水管長0.8 m；框架擋墻厚400 mm。土層和錨桿參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)Table 1 Material parameters

土體采用Mohr-Coulomb彈塑性模型；框架擋墻和錨桿均采用線彈性模型。桿體、吸水膨脹環(huán)和濾水管設(shè)為變截面的Rebar單元，桿體和濾水管橫截面面積為12.56×10-4m2，吸水膨脹環(huán)橫截面面積為3.14×10-2m2；框架擋墻采用Beam單元，賦予含水層土體多孔介質(zhì)屬性，并將濾水管設(shè)為排水邊界。

3.2 基坑開挖支護和排水過程模擬

基坑開挖支護過程采用單元生死功能實現(xiàn)，排水過程采用孔壓消散來反映，具體步驟如下：

1）單元劃分。劃分錨桿單元、框架擋墻單元和土體單元，并將各單元定義為土體材料屬性。

2）含水層土體模擬。賦予各土層單元多孔介質(zhì)屬性。

3）開挖模擬?！皻⑺馈钡谝粚娱_挖的土體單元。

4）排水模擬。將開挖深度范圍內(nèi)的錨桿濾水管設(shè)為排水邊界。

5）支護模擬。將支護結(jié)構(gòu)處的土性參數(shù)屬性修改為支護結(jié)構(gòu)材料參數(shù)。

6）重復(fù)步驟3）—步驟5），直至開挖至坑底設(shè)計標(biāo)高。

3.3 計算結(jié)果分析

3.3.1 支護效果分析

1）錨桿軸力分析

為了更清楚地了解自排水串式擴體錨桿的支護特性，將模型修改為普通錨桿支護模型，并與自排水串式錨桿支護模型結(jié)果進(jìn)行對比分析，為了定性分析結(jié)構(gòu)支護特性，暫不考慮錨桿的排水情況。

圖2給出了基坑整體開挖支護結(jié)束后，各層自排水串式擴體錨桿和普通錨桿軸力分布云圖。由圖可知，自排水串式擴體軸力分布與普通錨桿相比存在很大差異，普通錨桿軸力最大值在靠近坡面位置，自排水串式擴體軸力分布呈“鋸齒形”，軸力在吸水膨脹環(huán)位置出現(xiàn)陡升，而桿體的軸力分布明顯小于普通錨桿。這是由于基坑開挖卸載，坡后土體產(chǎn)生水平位移，框架擋墻承受主動土壓力，拉動錨桿向坑內(nèi)移動，而大部分拉力被吸水膨脹環(huán)以端阻力和側(cè)摩阻力的形式傳遞到錨固區(qū)穩(wěn)定土層中，而普通錨桿主要以桿體側(cè)摩阻力的形式承擔(dān)拉力。

2）框架擋墻水平位移分析

圖3分別給出了基坑在普通錨桿不排水、串式擴體錨桿不排水和串式擴體錨桿排水支護條件下，框架擋墻在基坑整體開挖結(jié)束后的水平位移分布情況。由圖3可知，框架擋墻的水平位移均呈“凸肚形”分布，且水平位移最大值均出現(xiàn)在臨近坑底的位置；在串式擴體錨桿排水條件下，框架擋墻的水平位移最大值為2.32 cm，相比于在普通錨桿不排水和串式擴體錨桿不排水條件下，框架擋墻水平位移最大值分別降低了34.6%和19.5%，有效地減小了基坑開挖期間坡后土體的水平位移，更有利于基坑的穩(wěn)定。

圖2 錨桿軸力云圖（N）Fig.2 Diagram of axial force of anchor（N）

圖3 框架擋墻水平位移分布曲線Fig.3 Horizontal displacement of grillage retaining wall

3.3.2 排水效果分析

為了更清楚地了解自排水串式擴體錨桿的排水特性，將坡后土體設(shè)為多孔介質(zhì)屬性，模擬自排水串式擴體錨桿的排水效果，并分析框架擋墻在錨桿排水和不排水兩種工況下的水平位移分布情況。

圖4給出了坡后土體在基坑整體開挖結(jié)束后4 d的孔隙水壓力分布情況。由圖可知，自排水串式擴體錨桿短時間內(nèi)能夠有效消除坡后土體內(nèi)的超靜孔隙水壓力，在基坑開挖結(jié)束4 d后，坡面內(nèi)超靜孔隙水壓力已基本消散，因此，自排水串式擴體錨桿具有良好的排水效果，短時間內(nèi)能夠快速徹底地消散坡后土體內(nèi)的孔隙水壓力。

圖4 孔隙水壓力分布云圖Fig.4 Diagram of pore water pressure distribution

4 結(jié)語

通過分析框架自排水串式擴體支護結(jié)構(gòu)的受力機制、支護效果和排水特性得出：

1）隨著基坑開挖，串式擴體錨桿受力分為3個階段，即靜止受力階段、塑性區(qū)開展階段和塑性區(qū)貫通階段。

2）自排水串式擴體錨桿軸力分布不同于普通錨桿，軸力在擴體位置出現(xiàn)陡升，呈“鋸齒形”分布，而桿體軸力分布明顯小于普通錨桿。

3）在串式擴體錨桿排水支護條件下，框架擋墻的水平位移最大值為2.32 cm，相比于在普通錨桿不排水和串式擴體錨桿不排水支護條件下，框架擋墻水平位移最大值分別降低了34.6%和19.5%，有效地減小了基坑開挖期間坡后土體的水平位移，更有利于基坑的穩(wěn)定。

4）自排水串式擴體錨桿短時間內(nèi)能夠有效消除坡后土體內(nèi)的孔隙水壓力，在基坑開挖結(jié)束4 d后，坡體內(nèi)孔隙水壓力已基本消散，排水效果較好。