预应力锚杆复合土钉墙开挖沉降变形研究

摘要

半无限平面中土体开挖会引起应力场的改变，通过将土体简化为带能量耗散装置的受压串联弹簧组模型，可得到水平应力衰减的规律。分析任一点土体的平面应力状态，会发现水平应力的减小是造成开挖沉降的主要因素。支护结构也会对沉降模式产生一定影响。对于柔性支护结构可以通过忽略支护结构作用的方法来计算其沉降变形。最后，对同一工程案例用按该方法和软件模拟两种方法进行计算，结果基本一致，表明了该方法可以有效预测柔性支护类型的沉降变形。关键词水平应力衰减；柔性支护结构；支护刚度；沉降变形体在垂直方向存在自重应力，水平方向存在静止土压力，所以在水平方向将土体简化为无数个受压的串联弹簧组，并且每个弹簧都有能量耗散装置。如图1所示。在半无限平面中，待开挖面一侧的土体可认为受到另一侧土体的支护作用，此时其支护刚度可视为无穷大。开挖后支护结构的刚度降低到实际刚度。并且将半无限平面中任一截面开挖侧的串联弹簧去除。如图2所示。 0、引言目前我国涌现出了大量的深、大基坑工程，有关基坑工程的相关理论研究也日趋完善，但在变现控制方面理论研究仍然相对滞后，由于变形过大而引起的周围建筑物和地下管线破坏等工程问题也时有发生。在基坑开挖引起的沉降变形方面，国内外学者从不同角度做了相关研究。比如：peck基于工程实测数据得出了地表沉降的经验估算方法。李小青[1]等根据软土基坑变形规律，用指数曲线拟合出了基坑周围地表沉降变形表达式。聂宗泉[2]等给出了包含经验参数的柔性围护墙后基于偏态分布的沉降计算公式。尹盛斌[3]等对软土基坑开挖引起的坑外地表沉降进行了数值研究。张灿[4]等对基于神经网络的深基坑沉降预测模型进行了比较。杨敏[5]等通过对不同围护结构基本变形的数值模拟，提出了基于围护结构变形模式的地面沉降估算方法。上述研究大多是以工程实践为基础的经验估算法、以监测资料为依据的数据拟合法和以有限元软件为平台的数值模拟法。较少有学者从土体变形的内在机理来分析、计算由基坑开挖引起的沉降变形。本文从基坑开挖引起土体应力场的改变出发，考虑了在1/4无限平面中开挖后土体水平方向应力沿水平方向的衰减，分析了沉降变形发生的机理。针对柔性支护结构提供了一种开挖产生的沉降变形计算方法。图2 1/4无限平面模型当支护刚度为无穷大时串联弹簧全部处于初始受压状态，但随支护刚度的降低，支护结构对串联弹簧组的约束作用减少。因此，串联弹簧组可产生相应的伸展变形，直到支护刚度为零时开挖面上的弹簧自由伸展。基坑开挖面上的水平方向应力随支护刚度的降低而减小，由刚度为无穷大时对应的静止土压力逐渐减小到刚度为零时对应的1、开挖引起应力场的改变1.1 开挖引起水平应力的改变零土压力。取任意深度处的部分串联弹簧组，如图3所示。 图1 半无限平面模型图3 任意深度处串联弹簧组在正常固结土组成的半无限平面中，由于重力的作用使得土112DOI：10.16116/j.cnki.jskj.2018.07.047其中ki,j为弹簧装置刚度，ci,j为应力耗散刚度， ，xi,j为初始受压变形， 为开挖后弹簧装置的受压变形。开挖之前有。开挖后则有，故有： 由，所以水平方向应力随离开挖面距离的减小而快速衰减，在竖直方向随深度增加衰减越快。如图4所示。 图4 水平方向应力衰减示意图在以上定性分析的基础上，结合大量数值模拟实验可给出如下表达式： （1）其中，A、B为常数，可通过开挖面上的应力边界条件进行求解得到。开挖面上的土压力以实测值为准，若无实测值时，可用位移土压力法计算得到[6]。1.2 开挖引起竖向应力的改变用Flac3d软件进行数值模拟实验如图5图6所示，建立一x向200m，y向1m，z向20m的半平面土体模型，采用摩尔库伦本构模型，土体为单层均质土体，弹性模量E为12Mpa，泊松比υ为0.25，黏聚力c为10Kpa，内摩擦角φ为25°。开挖深度为10m，倾角为90°。支护结构采用弹性本构模型，其体积模量K为 Mpa，剪切模量G为 Mpa。提取开挖前后2m处的竖向应力值，如图7所示。 图5 开挖前竖向应力图Exchange Platforml 图6 开挖后竖向应力图图7 2m处开挖前后竖向应力值根据大量实测结果数和值模拟结果，开挖对竖向应力影响不大。2、开挖引起的沉降机理2.1 开挖引起沉降的基本机理根据公式（1）可知，理论上开挖后的影响范围为无限远处。为了便于计算可取使σx≤0.95σp0范围内的x为开挖影响范围。半无限平面中的土体处于初始稳定状态。任一点存在竖直方向的自重应力σy和水平方向的土应力σx＝σp0。根据经典土压力理论，土体平面应力中大主应力为竖向的自重应力σy，小主应力为水平方向的土压力σx。其中大主应力与沉降量呈正相关性，小主应力与沉降量呈负相关性。开挖后小主应力（水平应力）减小是造成开挖沉降的主要因素。2.2 支护结构的影响支护结构对沉降的影响主要体现在能为部分土体提供摩擦力，由于摩擦力的存在使得受影响部分土体不能自由沉降，而是要受到约束。支护刚度越大则摩擦力影响也范围越大。图8 “凹”形分布的沉降曲线113交流平台Exchange Platforml图9 三角形分布的沉降曲线因此，对于刚度较大的支护结构其最大沉降量发生在支护结构后一定距离处，呈“凹”形分布。如图8所示。对于刚度较小的支护结构其最大沉降量在开挖面处或非常接近支护结构，呈三角形分布。如图9所示。3、柔性支护结构沉降计算对于预应力锚杆复合土钉墙这种柔性支护结构其刚度相对较小，土体受支护结构的约束作用很小，简化计算时可以忽略其影响。沉降曲线呈三角形分布，最大沉降量在开挖面附近。柔性支护结构沉降量可按忽略支护结构影响的方法进行计算。开挖前，按弹性方法计算其竖向应变的公式为： 开挖后，影响范围内水平方向的应力 逐渐减小，按弹性方法计算竖向应变的公式为： 将开挖前土体的竖向应变 记为零。因此，由开挖引起的竖向应变量为： 积分可得开挖引起的沉降量： 大多数基坑边坡塑性区都不会贯通，处于弹塑性状态。因此，可考虑用塑性放大系数β进行修正。即： β宜按经验值选取，一般可选β＝1.1～1.5。对于分层土可按各层单独计算，然后累加求和。4、模拟值与计算值对比分析4.1 工程概况兰州市某基坑临近在建地铁1号线，项目占地面积约68785m2，项目总建筑面积253430.8m2，地上总建筑面积230324.4m2，地下总建筑面积为21125m2。由于基坑开挖过程的安全稳定对周边既有建筑物和地下管线的安全有较大影响，因114此，对该基坑分段采用复合土钉墙及土钉墙进行支护。该基坑工程的安全等级为二级。4.2 岩土工程地层条件根据工程勘察设计单位提供的勘察报告，拟建工程场地底层结构较为简单，地基土自上而下主要为人工填土、黄土状粉土、卵石，基底为大厚度的第三系风化岩。设计时使用的岩土参数见表1。表1 岩土参数表地基土名称γ/kN/m3C/kPaφ/°E/MpaυH素填土15101680.351.5黄土状粉土16182390.237.54.3 基坑支护方案拟建住宅楼，主体结构均为框架剪力墙结构，基坑开挖深度约8m。根据基坑情况分段采用复合土钉墙及土钉墙进行支护，部分基坑采用坡率法进行放坡并挂网喷射混凝土支护。图10为基坑平面布置图。 图10 基坑平面布置图图11为基坑东侧土钉+预应力锚杆部分典型设计剖面图，设计了3排土钉加2排预应力锚杆，倾角均为15°，土钉长度自上而下分别为9m、7m、6m，土钉杆体为直径20mm的HRB400钢筋，注浆材料采用M20级水泥浆。预应力锚杆长度分别为15m（自由段长6m，锚固段长9m）、13m（自由段长5m，锚固段长8m），预应力锁定值100kN，锚杆材料选用HRB400级钢筋，注浆采用M20级水泥浆。喷射混凝土面层厚度为100mm，喷射混凝土强度等级为C20。基坑倾角为69°。 图11 典型支护剖面图4.4 数值模拟图12 典型剖面竖向位移云图用有限差分软件Flac3d经行模拟计算，采用摩尔库伦模型，Exchange Platforml灌注桩混凝土卡管原因分析与高效处理关键技术□ 江苏北方路桥工程有限公司 张成瑞 杨龙 蔡文 杨航

摘要

文章分析了灌注桩在浇灌混凝土过程中发生卡管事故的主要原因。阐述该事故不及时处理或处理不当，将对工程质量、工期以及经济效益等方面产生不良影响，并提出了避免该类事故发生的预防措施以及对此事故的高效处理方法和一些关键技术。关键词灌注桩；导管；卡管；断桩；水下混凝土孔、机械回旋成孔、冲击成孔等四种。灌注桩混凝土的灌注方法主要有：无水灌注法、水下灌注法。所谓水下灌注法是将混凝土通过导管，依靠混凝土的自重进行灌注的方法。在灌注混凝土过程中，导管要求始终埋在混凝土中2m以上，混凝土从导管底端缓慢流出，向四周扩大分布、上升，将泥浆从孔底逐渐推挤到孔口流出去。随着混凝土面的不断上升，导管不断提升、分节拆除，直到最终将孔内全部泥浆用混凝土置换出去，进而形成完整、密实、连续的地下混凝土桩体，该桩体被称为混凝土灌注桩。随着我国的经济建设迅速发展，桥梁、水利、港口、房建等大型土建基础工程越来越多地采用了深基础工程，采用灌注桩基更为普遍。灌注桩是一种隐蔽工程，也是工程的生命线，它的成桩质量好坏将直接影响到建筑物的使用寿命。目前，由于桩基施工质量而导致工程质量问题为数还不少，导致该事故发生的普遍原因往往是在混凝土浇筑过程中出现卡管，会导致断桩所致。本文结合工程实例、从业经验分析该事故产生的主要原因、预防措施以及对此事故的高效处理方法和一些关键技术，以享读者。1、概述目前，灌注桩的成孔方法主要有：人工挖孔、机械旋挖成2、混凝土卡管主要原因及措施混凝土、泥浆、导管等质量因素是影响混凝土卡管与否的重DOI：10.16116/j.cnki.jskj.2018.07.048开挖后小主应力的减小是开挖沉降的主要原因。支护结构的摩擦作用也会对影响沉降模式。刚度较大时呈“凹”形分布，刚度小时呈三角形分布。（3）预应力锚杆等柔性支护结构沉降呈三角形分布模式。可以通过忽略支护结构的影响，按文中方法计算。C参考文献：[1] 李小青, 王朋团, 张剑. 软土基坑周围地表沉陷变形计算分析[J]. 岩土力学, 2007; 28(9):1879—1882.[2] 聂宗泉, 张尚根, 孟少平. 软土深基坑开挖地表沉降评估方法研究[J]. 岩土工程学报, 2008; 30(8):1218— 图13 基坑沉降模拟曲线与计算曲线比较岩土参数取值见表1。数值模拟中不考虑开挖支护过程的影响，只对最终工况进行模拟。图12为典型剖面竖向位移云图。 4.5 案例计算与对比分析将采用本文方法计算得到的结果与软件模拟结果进行对比。1223.[3] 尹盛斌, 丁红岩. 软土基坑开挖引起的坑外地表沉降预测数值分析[J]. 岩土力学, 2012; 33(4):255—261.[4] 张灿, 琚娟, 郭志. 基于神经网络的深基坑沉降预测模型比较[J]. 地下空间与工程学报, 2013; 9(6):1315—1319.从图13对比可以看出，计算值和模拟值比较接近。模拟结果最大值接近开挖面，但不在开挖面。计算结果最大值在开挖面。原因是计算时忽略了支护结构对沉降的影响。但两者最大值量比较接近，一定程度上能够满足工程使用要求。5、结论（1）本文分析了开挖引起的应力场改变，开挖后在影响范围内同一高度处水平应力会逐渐减小，竖向应力基本不变。（2）定性的分析了开挖引起沉降的机理，处于稳定状态的半平面土体，[5] 杨敏, 卢俊义. 基坑开挖引起的地面沉降估算[J]. 岩土工程学报, 2010; 32(12):1821—1828.[6] 卢国胜. 考虑位移的土压力计算方法[J]. 岩土力学, 2004; 25(4):586—589. 115