数值分析超前疏排桩 ( 柱) 锚组合支护体系承载机理及变形特性

　　超前疏排桩锚组合支护体系是在桩锚支护结构基础上进一步优化的一种支护方式，将桩体和锚杆锚索结合形成的拉锚体系，具体做法是： 在边坡或基坑开挖前在地面上以人工挖孔或机械形成桩孔，下钢筋笼并浇注混凝土形成桩身，然后开挖基坑到预应力锚杆或锚索位置时，制作锚杆或锚索。应用于土岩组合场地时，超前制作的桩体长度小于基坑深度，略大于土层厚度，当开挖到桩底完全出露后，桩也可称为柱，发挥着与肋梁大致相同的作用。文献 [1 ~ 3] 研究了超前疏排桩 （ 柱） 锚组合支护体系的应用及其技术难点等问题，为进一步探索其承载特性及变形机理，依托某城市大型深基坑工程的实时监测数据，对该支护体系的构成、工作机理及其稳定性进行了探讨，通过数值分析，得到超前疏排桩锚支护体系的变形取决于桩的嵌岩深度、持力层岩体特性及其前侧岩土体宽度，研究结论为类似重要工程具有借鉴和参考作用。
　　
　　1、超前疏排桩的破坏特点
　　
　　超前疏排桩应用在岩质基坑或土岩组合边坡地层的情况较多，制作时桩底只嵌入岩石一定深度，当上部锚索尚未完全发挥作用时，支护体系发挥作用的仅仅是桩身的抗力，此时整个体系的稳定性与桩的可靠度息息相关。由于采用逆作法施工，当基坑开挖至桩身全部出露后超前桩只发挥肋柱的作用，此时靠近坡顶的锚索已参与受力，开始发挥一部分作用。一般来说，桩的破坏分为桩体本身的剪断破坏和推到、倾覆破坏，其破坏形式如图 1. 　　
　　2、工程概况
　　
　　基坑位于城市中心地段，场地周边环境较为复杂。基坑北侧为市区主干道，人行道边缘距离基坑边缘约 15m; 基坑西侧为 6 层的砌体结构医院和 5 ~7层的砌体结构住宅，距离基坑边缘约 8m; 基坑南侧为 5 ~6 层的砌体结构住宅，距离基坑边缘约 7m,基坑东侧为市区次干道，人行道边缘距离基坑边缘约16m.基坑直立开挖，施工难度很大。其平面如图 2所示。 　　
　　2. 1 工程地质与水文地质条件
　　基坑场地内有第四系覆盖层 （ Qml、Qdl + el） 和三叠系安顺组 （ T1a1） ,第四系覆盖层主要为杂填土（ Qml） 和褐黄色残积红粘土 （ Qdl + el） ,三叠系安顺组 （ T1a1） 主要为浅灰、灰白、紫红色白云岩及泥质白云岩。
　　
　　2. 2 支护体系构成
　　该基坑支护体系在土层采用 1. 0m 的钢筋混凝土桩，桩底嵌入中风化白云岩 3. 0m,岩层部分采用明肋与桩底相接，在土层部分每排锚索位置设置 400 ×400mm 的横梁，当开挖到桩底全部出露时，横梁与桩组成井字形格构体系。在岩层部分只设置竖向的肋梁，起到对锚索受力的分配调整作用。土层部分采用10 束 15. 2 预应力钢绞线锚索，自由段穿过岩土结合面进入中风化白云岩锚固，岩层部分采用 8 束15. 2 预应力钢绞线锚索，超前疏排桩 （ 柱） 锚组合支护体系断面图和立面图如图 3 和图 4 所示。
　　由于该基坑走向大致与岩层走向一致，且基坑长边与呈东西短边呈南北向，在开挖时便形成南北切向边坡，东侧逆向坡，西侧顺层边坡，设计的超前桩间距采用 3. 0m,则锚索横向间距也为 3. 0m,纵向间距视岩层情况而有区别，西侧采用 2. 0m,其他三侧采用 3. 0m.基坑支护结构成型后外观如图 5 所示。
　　
　　3、监测结果
　　
　　为了解超前疏排桩锚支护体系的变形特性，在基坑的东西南北 4 个方向分别布置测点，在基坑西侧冠梁布置了 7 个测点 （ 依次编号为 W1、W2、W3,. . . ,W7,超前疏排桩自北向南编号依次为 1、2,. . . ,26） ; 北侧冠梁布置了 8 个测点 （ 依次编号为 N1、N2、N3,. . . ,N8,超前疏排桩自西向东编号依次为1、2,. . . ,55） ; 南侧冠梁布置了 11 个测点 （ 依次编号为 S1、S2、S3,. . . ,S11,超前疏排桩自东向西编号依次为 1、2,. . . ,61） ; 东侧冠梁布置了 3 个测点（ 依次编号为 E1、E2、E3,同时设置 27 根超前疏排桩，由北至南依次编号为 1、2,. . . ,27,其中 24 至27 号超前疏排桩为基坑出渣道路） ,基坑监测点详见图 2.超前疏排桩锚支护体系顶部各测点水平位移与时间关系如图 6 ~ 图 9 所示。
　　为了解超前疏排桩在施工过程中锚索的受力情况，在基坑南侧、西侧、北侧和东侧共布置锚索计，对预应力锚索应力值进行监测 （ 布置图详见图 2） ,监测结果如图 10、图 11 所示。 　　4、数值分析
　　
　　本基坑平面尺寸为174m×68m,开挖深度2.58m~30.0m（其中仅基坑南侧开挖深度为30.0m）.建立模型时，基坑外侧和内侧土体宽度均取60m,基坑深度取60m.基坑支护结构：超前疏排桩为圆形截面，直径1.0m,长11.0m,按开挖进度分段施工；预应力锚索为9束Φ15.2钢绞线，锚固体直径150mm,长8.0m,锚固于中风化岩层中。采用MI-DAS/GTS有限元软件建立模型，模型中岩土体为四边形平面应变单元，网格大小按1~5m线性梯度划分；超前疏排桩为线性梁单元，预应力锚索为植入式桁架单元，根据现场施工顺序，定义施工阶段：计算初始地应力→浇筑超前肋柱（位移清零）→开挖第一阶→施工第一排锚索→开挖第二阶→施工第二排锚索→开挖第三阶→施工第三排锚索→开挖第四阶→施工第一段明肋及第四排锚索→开挖第五阶→施工第二段明肋及第五排锚索→……→开挖第八阶→施工第五段明肋及第八排锚索。监测数据与数值计算结果对比如表1所示。 　　上图形中可以看出，数值模拟计算得到的水平位移和竖向位移的发展趋势与现场实测数据所反映的趋势一致，且位移量较为接近，数值模拟较为真实地反映了东侧边坡在基坑开挖过程中的变形规律，模拟计算结果可靠。
　　
　　5、结论
　　
　　超前疏排桩锚支护体系用于高速公路边坡与城市基坑工程中，从应用于工程实际监测数据和数值计算结果分析得出其承载特性和变形机理，有如下结论：
　　（ 1） 在对土岩结合边坡或基坑开挖 0 ~9m 阶段，超前疏排桩的受力特征类似于桩锚体系，支护结构顶部的水平位移和竖向位移均较小； 在开挖大约 12m以后，超前疏排桩底部部分岩体被挖除，端部约束作用显着降低，在预应力锚索竖向分力作用下，支护结构水平位移和竖向位移骤增，引起支护结构产生较大的次生应力。
　　（ 2） 在基坑开挖过程中，支护结构顶部水平位移和竖向位移最大值均出现在开挖段的中部附近，往两端位移值逐渐减小，位移分布呈抛物线状。
　　（ 3） 监测数据和数值模拟分析均表明，超前疏排桩端部约束作用过弱是产生过大位移的主要因素之一，超前疏排桩端部约束作用的强弱与其桩嵌岩深度、持力层岩体性质、桩前侧岩体宽度等因素密切相关。
　　（ 4） 数值模拟分析表明： 随着超前疏排桩端部约束的增强，其水平位移和竖向位移均逐渐减小，其中，持力层岩性的影响尤为明显； 适当增加疏排桩嵌岩深度和前侧岩体宽度，可以有效地减小疏排桩顶的水平位移。
　　
　　【参考文献】
　　[1] 廖瑛 . 基坑支护结构的稳定可靠度研究 . 工业建筑，2004,34（ 1） : 54 -56.
　　[2] 吴恒，周东，李陶深。 深基坑桩锚支护协同演化优化设计。 岩土工程学报，2002,24（ 4） : 465 -470.
　　[3] 贾金青。 深基坑预应力锚杆柔性支护法的理论及实践。 北京： 中国建筑工业出版社，2006.
　　[4] 银西达。 某土岩组合深基坑支护工程监测与分析。 贵州大学，2011- 6.
　　[5] 银西达，黄质宏，常娟娟。 超前肋柱支护土岩组合深基坑施工中常见问题分析。 贵州大学学报（ 自然科学版） ,2011（ 6） : 118 -120.