葉宇潛

(廣州市黃埔區(qū)河涌管理所(廣州市黃埔水務工程質(zhì)量安全監(jiān)督站)， 廣東 廣州 510000)

基坑工程支護結構的安全穩(wěn)定性尤為重要，重點在于研究工程環(huán)境對支護結構體系的影響特性，對提升支護結構設計水平很有價值[1- 3]。目前，張利偉、羅才松、楊佳巖等通過對基坑支護結構體系全過程運營狀態(tài)開展現(xiàn)場監(jiān)測，從相關監(jiān)測數(shù)據(jù)中研究支護結構安全穩(wěn)定性變化，分析支護結構最佳設計[4- 6]。預應力錨索在支護結構體系中應用較多，利用數(shù)值模擬手段可建立樁錨分析模型，計算樁錨與基坑變形之間的關系，進而研究錨索在支護結構體系中的重要作用[7- 9]。FLAC 3D在水利、建筑等行業(yè)應用較廣泛，可計算不同工況或不同約束荷載下模型應力或變形值，為定量分析模型的安全狀態(tài)提供計算手段[10- 11]。利用FLAC 3D平臺，根據(jù)工程具體狀態(tài)，研究了預應力錨索在遭受損失時，支護結構的位移變化特征，進而為基坑工程的支護結構體系設計提供參考。

1 工程介紹

1.1 工程概況

黃埔區(qū)水質(zhì)凈化廠基坑現(xiàn)場最大標高為39.2m，以東北側地形為最高，設計基坑為矩形平面，尺寸為110.6m×96.4m，開挖后坑底標高為22m，樁頂標高設計為32.6m；基坑四周無顯著構造地質(zhì)帶，南側有水位較低的水塘，面積為0.27hm2，封閉式水生態(tài)系統(tǒng)，其他方向上無重要建筑或其他設施。從現(xiàn)場地質(zhì)踏勘得知，場地表面覆蓋有第四系粉質(zhì)黏土，土層厚度達2.6m，室內(nèi)測試黏聚力為18kPa，含水量較好，彈性模量比常規(guī)堆積土小；另外在下臥層還有砂質(zhì)黏土，含有粒徑為2～4mm的砂石，磨圓度較好，與黏土體相互膠結，承載力較好，滲透系數(shù)較大，無法穩(wěn)定形成水滲流作用；基巖層以強風化花崗巖為主，局部夾有破碎體，粗顆粒結構，單軸抗壓試驗測試強度高達60MPa，埋深位置位于18～35m處，現(xiàn)場取樣可知花崗巖體完整性較好，表面無顯著孔隙結構，僅在局部存在夾層，夾層處易形成軟弱帶，宏觀破壞裂紋常由此擴展貫通。該水質(zhì)凈化廠基坑工程以放坡形式開挖，預計開挖土方量為12萬m3，回填土方量為1萬m3，基坑主體按照二級設計，頂荷載設計為20kPa，局部易破碎地帶荷載設計為35kPa，按照二級場地進行建設施工，基坑采用集水井方式降水，根據(jù)基坑樁基礎分布設計有23座集水井，以樁錨和內(nèi)支撐結構為支護體系，確保基坑開挖以及施工過程的安全穩(wěn)定性，其中預應力錨索設計長度約為480m，支撐梁鋼板總體積超過2000m3，鋼板截面形態(tài)為工字鋼，所采用的預應力錨索錨固結構傾角設計為15°，預加荷載270kN，錨固段長度為20m，對應的支護樁長為16m，圖1為該基坑工作中一組典型預應力錨索剖面圖。利用FLAC 3D仿真計算平臺，研究該水質(zhì)凈化廠基坑工作預應力錨索與支護結構關系。

圖1 一組預應力錨索剖面圖

1.2 模型建立及荷載約束

為簡化模型計算，假定基坑土體性質(zhì)均為各向同性，同時由于地下水位并未對基坑開挖產(chǎn)生顯著性影響，因而不考慮地下水對土體應力變形影響。根據(jù)基坑中某一典型特征剖面基本形態(tài)，設計樁錨影響土體深度為基坑開挖深度的4倍[12]，故模型尺寸基本按照60m×35m進行網(wǎng)格劃分，利用FLAC 3D設計基坑外尺寸為40m，樁、錨間距在模型中設置為25cm，整體模型所用單元網(wǎng)格尺寸為邊長30cm的正方形，共劃分出18582個單元，節(jié)點數(shù)16526個，所建立的數(shù)值模型如圖2所示。

圖2 基坑數(shù)值模型圖

由于采用預應力錨索，因而需要考慮錨索預應力荷載的施加過程，為保證預應力的施加對支護架構應力變形不產(chǎn)生差異性影響，按照降溫法對預應力錨索施加預應力錨固力，按照式(1)計算等效溫差[13]：

(1)

式中，Δt—溫差，℃；F—預應力，kN；η—膨脹系數(shù)；E—彈性模量；A—截面積，m2。

為保證溫差傳遞帶動預應力錨固的效應，設定一組上、下層錨索的膨脹系數(shù)分別為1.88×10-5、2.44×10-5，此即構成上、下層預應力錨索膨脹之間差異性。按照基坑開挖過程中的實際狀態(tài)，將與x向(水平)、y向(橫向)垂直的平面位移自由度均設定為0，施加位移約束，基坑頂部設計為自由平面，在上述工程資料及FLAC 3D仿真平臺計算下，研究上、下層預應力錨索對基坑支護結構體系影響特性。

2 錨索整體預應力損失下支護結構位移特征

在基坑實際支護過程中，常常由于支護結構體系與開挖施工過程不協(xié)調(diào)，導致錨索預應力損失，降低了錨索支護能力，因而針對實際狀態(tài)下的錨索預應力損失對支護結構的影響開展分析。根據(jù)上、下層預應力錨索受損傷的情況，劃分為整體損失、上層損失但下層完好、下層損失但上層完好3種試驗計算工況，并為了對比不同損失程度對基坑支護結構體系影響，設定各個試驗工況分別為初始張拉預應力的10%、20%、30%、40% 4級損失方案，具體計算方案試驗組見表1。

表1 試驗方案組

預應力錨索整體不同損失程度下基坑水平位移分布云圖如圖3所示。從圖中并結合錨索無預應力損失狀態(tài)計算結果可知，上、下層錨索整體均無預應力損失時，基坑土體最大水平位移為5.04mm，而錨索整體預應力損失10%、20%、30%、40%時，最大水平位移相比前者分別增大了7.1%、14.7%、22.4%、30.2%，表明錨索整體預應力損失愈大，基坑內(nèi)土體發(fā)生水平位移更為顯著。從各預應力損失方案結果對比可看出，錨索整體損失10%預應力時，錨索附近土體最大位移僅為5.4mm，表明初始預應力損失10%，帶來了基坑最大水平位移7.1%的增長，而整體預應力錨索損失20%時，錨索附近土體最大位移量相比預應力損失10%時增大了7%，當錨索損失了40%預應力時，錨索附近最大位移量已達6.56mm，相比損失30%預應力時增長了6.3%，表明當錨索整體預應力增大損失10%，則基坑最大水平位移平均增長6%～7%，預應力錨索損失愈多，錨索對土體的加固性能降低愈多，極大程度上增加了基坑內(nèi)土體發(fā)生向外側滑移的趨勢。從預應力錨索整體不同損失程度的基坑內(nèi)土體位移分布對比可知，當預應力損失較小時，坑內(nèi)未開挖的土體存在滑移面，而預應力錨索所處位置即位于該區(qū)域，所有位移變化均在預應力錨索附近發(fā)生，由此可知錨索承擔著基坑土體抗滑移的作用，穩(wěn)定土體。但錨索預應力損失較大，當達到40%時，基坑土體產(chǎn)生的剪切滑移面逐漸向基坑外縮小[14]，即錨索對土體剪切滑移面的發(fā)展控制能力大大降低。

圖3 錨索整體預應力損失時水平位移分布云圖

錨索整體損失程度下不同試驗方案基坑各深度處土體水平位移變化曲線如圖4所示。從圖中可看出，錨索整體無預應力損失時，基坑內(nèi)土體水平位移隨深度增大而呈先增后減變化，最大水平位移位于樁體中部；當錨索整體預應力損失增大至20%后，各計算方案中土體水平位移隨深度增大，而均為減小態(tài)勢，即在預應力損失時基坑土體位移以樁頂處為最大，錨索整體損失20%時，樁體中部水平位移為5.49mm，相比樁頂處降低了2.1%；對比預應力不同損失程度下水平位移變化可知，當預應力損失愈多時，相同深度的土體水平位移增大愈多，預應力損失10%時在樁頂6m處水平位移為5.22mm，而預應力損失20%、30%、40%時相同深度處水平位移相比前者分別增大了5.3%、10.9%、16.5%。由此可知，錨索整體預應力損失增大時，樁體各深度的水平位移顯著增多，且滑移最大威脅面由完整錨索的樁體中間部位，轉(zhuǎn)移至整體錨索預應力損失的樁頂處。

圖4 錨索整體預應力損失時水平位移與深度關系

3 錨索單層預應力損失時支護結構位移特征

3.1 上層錨索預應力損失

為研究單層預應力損失對支護結構位移特征影響，設定上層預應力損失，但保持下層預應力完好的計算方案，獲得不同預應力損失方案下水平位移特征，如圖5所示。

從圖5位移分布特征可看出，上層預應力損失10%時最大水平位移為5.29mm，相比完整錨索的最大水平位移增大了5%，剪切滑動面分布區(qū)域也稍有降低，當上層預應力損失20%、30%、40%時最大水平位移相比完整錨索分別增大了5.1%、10.2%、15.3%，相比整體錨索預應力損失時最大水平位移增長幅度有所降低；當上層錨索預應力每損失10%時，基坑內(nèi)土體最大水平位移增長4%～5%；剪切滑動面分布范圍相比整體錨索損失時更靠近錨索，在上層錨索預應力損失40%時剪切滑移面在錨索附近，即上、下層錨索仍具有一定錨固支撐性能。

圖5 上層錨索預應力損失時水平位移分布云圖

上層預應力錨索損失時水平位移變化特征如圖6所示。從圖中可看出，在上層錨索預應力損失20%后，土體水平位移均為逐漸減小態(tài)勢，且樁體中部至樁體下部位移減小幅度顯著，在上層錨索預應力損失20%時，樁頂至樁體中部水平位移降低了2.6%，而樁體中部至樁底，降低幅度達63.6%，且深度平均每增長1m，位移量值降低0.56mm。對比不同損失程度方案可知，與整體錨索預應力損失特征一致，預應力損失愈大，則水平位移愈大，但上層錨索預應力各損失方案中位移差距幅度顯著低于錨索整體預應力損失方案，上層錨索預應力損失10%時，樁中部6m處水平位移為5.12mm，而預應力損失20%、30%、40%時相同深度處水平位移相比前者分別增大了2.9%、5.9%、8.8%。

圖6 上層錨索預應力損失時水平位移與深度關系

3.2 下層錨索預應力損失

同理類似，計算獲得在下層錨索預應力損失、上層錨索完好狀態(tài)的基坑土體位移變化特征，不同損失方案的基坑土體水平位移分布特征如圖7所示。從圖中亦可看出，剪切滑動面分布面積顯著減少，預應力損失40%時的最大水平位移為5.64mm，相比錨索整體完好狀態(tài)增大了11.9%，當下層錨索預應力損失每增長10%時，最大水平位移平均增長幅度約2%，但預應力損失10%時相比錨索完好狀態(tài)最大水平位移增大了5%，即在下層具有預應力損失條件時，錨索再次遭受到預應力損失后，最大水平位移減少幅度比初始預應力損失10%時要低，表明預應力錨索最大水平位移變化幅度總以完好錨索發(fā)生初始預應力損失時為最大，另一方面最大水平位移每損失10%的增長幅度低于上層錨索預應力損失狀態(tài)，表明上層錨索對于基坑土體水平位移影響敏感度高于下層錨索。

圖7 下層錨索預應力損失時水平位移分布云圖

不同深度下各損失方案基坑土體水平位移變化曲線如圖8所示。從圖中可看出，預應力損失愈大，基坑土體位移量值愈大，但各損失方案之間差距幅度相比上層錨索預應力損失方案顯著要低，下層錨索預應力損失10%時在樁中部6m處水平位移為5.14mm，而預應力損失20%、30%、40%時相同深度處水平位移相比前者分別增大了3%、5.6%、7.8%。在具有預應力損失后，基坑水平位移隨樁體深度先增后減，且以樁體中部為轉(zhuǎn)折點，預應力損失20%時，在樁中部至樁底時，深度平均每增長1m，水平位移減小0.55mm，相比上層錨索預應力損失同樣方案，下層錨索預應力損失時對基坑水平位移影響顯著減弱，由此表明，上、下層錨索中上層錨索承擔張拉錨固性能顯著，對土體約束作用較強，因而樁錨支護結構中應注意對上層錨索預應力的控制，確保其工作預應力損失不致過大。

圖8 下層錨索預應力損失時水平位移與深度關系

4 結論

(1)錨索整體預應力增大損失10%，則最大位移平均增長6%～7%，錨索整體預應力損失愈多，相同深度下的土體水平位移愈大，位移隨深度增大呈先增后減變化，最大位移面位于樁體中部。

(2)上層錨索預應力每損失10%，最大位移平均增長4%～5%，樁體中部至樁底深度平均每增長1m，水平位移降低0.56mm；不同損失方案間位移差距相比錨索整體預應力損失方案較小。

(3)下層錨索預應力損失每增長10%時，最大水平位移平均增長幅度約2%，下層錨索預應力損失狀態(tài)下后對基坑變形影響敏感度低于上層錨索；以樁體中部為中間節(jié)點，基坑水平位移隨樁體深度先增后減。