预应力锚索复合支护结构在深基坑中的应用

预应力锚索复合支护结构在深基坑中的应用

1研究设计与分析在城市周边的挖掘和维护项目中，建筑物和地下管道通常靠近地下，这需要更严格的要求，因为建筑物和地下管道通常靠近地下。预应力锚索复合支护结构由于通过主动对土体提供较大的支护抗力，能有效地提高土体的抗剪强度，使锚固区范围内的土体形成压应力区，抑制土体位移，达到围护基坑稳定和保护相邻建筑物的目的，因而，近年来在地下工程中得到了越来越广泛的运用。目前，人们对预应力锚索加固土体的作用机理进行了大量研究。文应用模型试验研究了预应力锚索对洞室的加固效果，并进行了平面有限元分析；文建立了锚索地梁力学模型；文对深基坑开挖过程预应力锚索的支护效果进行了平面有限元模拟；文应用有限单元法，采用空间弹簧滑移粘结单元探讨了预应力岩锚加固岩体的作用；文进行了预应力锚索加固堆积体和高边坡的三维有限元分析；文对某基坑预应力锚索围护桩支护方案可行性进行了有限元分析；文重点分析了高边坡锚索的受力状态、加固效果及预应力损失；文给出了模拟软岩材料的蠕变方程，探讨了锚索张拉吨位随时间的变化特征；文给出了预应力锚索桩内力的计算方法；文结合三峡永久船闸边坡的锚索施工，研究了预应力锚索加固对周边岩体力学性状的影响；文分析了块状岩体中锚索长度及预应力值大小对其加固效果的影响；文采用三维显示有限差分法，建立预应力锚固数值仿真模型，研究了预应力锚索对三峡船闸高边坡岩体的加固效果；文提出了锚索框架的弹性地基梁计算模式。本文首先根据竖向弹性地基梁模型和滑动力学模型进行了湖南大厦基坑支护结构设计，然后对现场监测数据进行了分析，最后运用同济曙光岩土及地下工程设计分析软件进行了基坑动态施工模拟，为该大厦深基坑支护方案设计和施工的合理性提供了依据。2基坑深基坑桩锚固结构拟建的湖南大厦位于海口市龙昆北路、盐灶一横路与滨海新村一横路3路交汇处之南侧，南部紧邻中航大厦，西与海口市委隔路相望，属海口市中心地段。大厦为框架剪力墙结构，总建筑面积为24352.7m2，其中，地下室面积为2993.4m2。该深基坑实际开挖深度为6.5m，地下水位高，土性整体较差，其中，开挖深度5.5m左右土层主要为流塑～软塑状态的於泥质粉质粘土，强度比较低，软土流变性非常明显，不排水剪切强度c=10kPa，土体的内摩擦角ϕ=5°。基坑平面尺寸为67m×54m，呈规则矩形，基坑周长为242m。基坑四周建筑物和地下管线密集，如图1所示。其中，北侧紧邻5层舍宿楼，与基坑开挖坡段坡顶线最近距离为0.8m。为确保居民住宅、地下管线及周边交通干线的安全，对该深基坑北侧的土体开挖和支护方案提出了更为严格的要求。该深基坑工程采用预应力锚索钢管树根桩复合支护方案，基坑采用中心岛式开挖土方，先分层分段开挖周边土方，随后挖去中间预留土方。在基坑预应力锚索围护桩支护施工过程中，预应力锚索通过锚固在土体中的钢绞线束的锚固力及裹握力，以锚梁为支撑点，一方面对围护桩提供与主动土压力方向相反的主动抗力，从而抑制基坑附近土体位移和围护桩结构发生大挠曲变形；另一方面对土体施加附加压应力场，在土体中形成压应力区，避免土体在基坑开挖过程中处于不利的受拉应力状态，从而达到维护基坑施工安全和保护地表建筑物之目的。3基金结构3.1基坑支护结构封水施工在周围环境要求较高的基坑工程设计和施工中，为确保基坑施工不对周边建筑物和地下管线等造成破坏，变形控制往往占主导地位。常规的施工工艺总是开挖在前，支护在后，因此，难以控制土体变形，而采用海南海凯建设工程有恨公司独创的地面开挖工法(CSC工法)施工，即采用钢管抗滑树根桩、水泥石粉桩(封水、加固基坑周边及开挖深度以下淤泥)、木桩超前支护、复合预应力锚索、注浆花管(加固)封水及喷射混凝土网结构等支护结构进行基坑支护，能有效地控制基坑变形和地表沉降，从而达到保护周边建筑物和地下管线等目的。本基坑方案AB段开挖深6.5m，其外墙距基坑开挖线仅0.8m，银行宿舍基础埋深约2m。基坑支护结构(封水)施工紧靠5层宿舍基础进行，由于宿舍基础(阳台)外伸及施工设备最小工艺尺寸也要保留0.8m，因此，该段支护及封水成功与否是确保5层楼安全使用的关健。另外，该段施工用地非常紧，常规的封水止水如高压施喷桩、粉喷桩、深层搅拌桩等施工己无法实施，故对该段细中砂采用水泥石粉桩(封水、加固基坑周边及开挖深度以下淤泥)与注浆花管压力浆封水。3.2钢管混凝土桩(1)钢管树根桩支护结构：钢管树根桩支护结构为φ219(主要是对5层宿舍坡面，其余各坡面主要为φ164钢管)钢管，内灌细石压力注浆，这样形成的钢管混凝土桩具有很高的强度和刚度。它在基坑开挖前施工完毕，与地面连梁、锚梁等相结合以提高支护体系刚度，限制由于基坑开挖而引起的土体变形。(2)通过锚索在基坑开挖前对锚梁、钢管抗滑树根桩、水泥石粉桩、木桩组成的体系施加预应力，以达到有效控制基坑开挖而引起的基坑变形和地表沉降的目的。(3)通过采用水泥石粉桩、钢筋网喷射混凝土、钢管树根桩、木桩等形成的止水帷幕，能有效地解决基坑防水问题。3.3支持结构的设计本文采用2种计算模型进行设计计算：(1)竖向弹性地基梁模型；(2)滑体力学模型。3.3.1基坑支护结构参考基坑支护设计等相关规范，选用竖向弹性地基梁模型，如图2所示，并采用同济大学启明星软件对基坑支护结构进行内力和地表沉降计算。计算结果表明，基坑施工完毕后，地表最大沉降为25mm，桩体顶部最大位移为20mm，桩体最大变形为40mm。3.3.2土体滑动角及滑体容重的确定假定基坑坑壁沿某一假想滑坡面产生滑动，则土体滑动力、土体阻滑力、护壁结构抗滑力三者构成的力系是坑壁稳定的依据，如图3所示。土体滑动角θ取30°，内摩擦角ϕ取10°，滑体容重γ取20kN/m3。计算结构表明，该深基坑预应力锚索复合支护结构整体抗滑安全系数大于1.36，极限嵌固深度安全系数大于1.2。4基坑工程监测为确保该基坑工程及其四周居民住宅、地下管线和周边交通干线的安全，对该基坑工程进行了监测工作。监测的主要内容包括：(1)预应力锁定荷载变化监测；(2)支护结构的桩顶水平位移、地表沉降监测；(3)临近建(构)筑物处及地下市政管线的位移监测。基坑主要监测点布置见图1所示。4.1指标的监控参照有关规范，龙昆北路、银行5层宿舍楼、规划路段坡面安全等级定为Ⅰ级，中航大厦段坡面安全等级定为Ⅱ级，其变形监控指标见表1。4.2支护结构水平位移监测(1)预应力锚索拉力监控。为了解锚索拉力变化，在基坑北侧5层宿舍楼处选取第1排及第2排2根锚索安装测力计，从张拉锁定到地下室开挖完毕(历时120d)进行连续监测。监测结果表明，锚索张拉力基本维持在锁定荷载附近(变化范围0%～11%)，符合设计要求。(2)在整个施工过程水平位移监测中，西侧龙昆北路侧水平位移量最大值为11mm，基坑南侧中航大厦水平位移最大值为25mm。(3)在整个施工过程地表沉降监测中，北侧5层楼宿舍最大沉降监测值为7.8mm，最大不均匀沉降小于11mm，如图4所示。西侧龙昆北路一侧煤气管道最大沉降值为13mm，东侧规划路号自来水平管最大沉降值为15mm，南边中航大厦侧最大沉降值为18mm。以上监测量均在设计范围内，因此，可认为整个基坑支护结构设计是合理的。5基于实测的基坑锚索围护桩支护方案模拟通过引入可以模拟结构与土体之间开裂和错动滑移等现象的接触面单元，提出了模拟预应力锚索施工过程的简单方法，并运用同济曙光岩土及地下工程设计与分析软件对该基坑施工过程进行了二维模拟，计算得到了预应力锚索、围护桩等地下结构的受力状态及由于基坑开挖而导致的地表沉降、临近建筑物基底沉降和墙体水平位移，并据此计算结果分析了该基坑预应力锚索围护桩支护方案的可行性。5.1桩-岩-基-网-模该基坑边坡预应力锚索围护桩支护结构剖面图见图5。将模拟过程分为3个施工步，每步分别开挖2,2,1m厚土体，计算模型简图见图6。土体均采用各向同性体单元，冠梁、锚梁、喷射混凝土、底板和围护桩均采用梁单元，预应力锚索采用杆单元。各土层力学参数、支护结构力学参数限于篇幅本文略。围护桩、锚索与土体之间的相互作用采用线弹性理想塑性接触面单元进行模拟，接触面单元力学性质与桩体、锚索、土体、灌浆材料、灌浆效果等因素相关。据第1道锚索轴向抗拉设计值393kN和第2道锚索轴向抗拉设计值170kN，因此，每延米第1道锚索锁定值取167kN，第1道锚索锁定值取72kN。5.2模拟结果分析5.2.1地表变形对地表土体位移的影响为分析施加的锚索预应力对地表土体位移的影响，本文进行了不施加锚索预应力情况下的模拟，以作比较。图7,8分别为施加锚索预应力和不施加锚索预应力时基坑土体变形(图中括号内数值分别为参考点的水平位移和竖向位移)。表2为2种不同情况下地表土体位移，其中“+”表示土体向基坑方向发生水平位移、地表隆起；“-”表示土体向基坑反方向发生水平位移、地表沉降。另外，表2中的A,B,C分别代表远离基坑建筑物基底点、靠近基坑建筑物基底点和基坑坡顶点。从表2可知，施加预应力对地表水平位移和沉降均有较大程度的抑制作用，并且使临近建筑物基底发生的沉降量在建筑物基底沉降允许范围内，因此，认为该预应力锚索围护桩支护方案能对基坑和建筑物进行有效的保护。5.2.2内数值内数值图9,10分别为施加锚索预应力和不施加锚索预应力情况下基坑开挖完成时的围护桩变形(括号内数值分别为水平向和竖向变形)和轴力图。由图9,10可知：在施加锚索预应力的情况下，围护桩水平和垂直位移均得到较大程度的抑制，特别是上部围护桩的位移得到了明显的抑制，因此，认为施加预应力能有效减小基坑附近土体位移，并能有效改善围护桩受力状态。6支护结构方案本文从设计、施工监测和数值模拟方面对湖南大厦深基坑工程预应力复合支护结构进行了分析，得到了以下主要结论：(1)采用滑动体力学模型和竖向弹性地基梁模型对预应力复合支护结构进行了计算，为合理确定预应力复合支护结构方案及其参数提供了依据。(2)采用CSC工法进行基坑开挖和支护施工，遵循土体的“时空效应”原理，尽可能