周汉香, 周越洲, 方小丹

(华南理工大学建筑设计研究院有限公司，广州 510641)

0 引言

大面积深厚软土基坑采用内支撑支护时费工费时,当场地不受限制,采用斜拉锚支护具有明显优势。如设置常规孔径的锚索,通常只能将锚索穿透软土后锚固入深部硬土层,往往导致锚索超长,施工难度大,造价高。为解决此问题,近十年来,支护桩结合大直径锚索在软土基坑工程中得到应用发展[1]。旋喷锚索因施工工艺较为成熟,已在非软土和含水量40%左右的淤泥质黏土基坑中得到较多应用[2-5],在含水量更高的深厚淤泥基坑中,也有应用实例[6-7]。支护桩结合大直径旋喷锚索是深厚软土基坑中采用桩锚支护的发展方向之一。

当前,对于深厚软土基坑,在锚索无法有效锚固入深部硬土层的情况下,如何较为可靠地进行旋喷锚索设计,缺乏较完整的理论分析、方法与实例验证。一方面,行标《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120—2012)无全长位于软土的旋喷锚索设计计算方法。另一方面,因软土存在显著的流变效应,软土中桩锚支护计算不准确的问题非常突出。锚索轴力常因衰减明显导致支护结构变形过大。因缺乏理论指导和正确认识,已有不少全长位于软土中的旋喷锚索支护失败案例[8-9]。

香港科技大学(广州)深厚淤泥基坑工程[10]采用PRC管桩结合一道软土锚固的旋喷锚索支护,仅零星部位少量采用了穿透软土入硬土锚固的锚索。笔者基于该工程的设计施工实践,建立桩锚支护计算模型,将旋喷锚索视为大直径锚拉长桩,对多项实际工程采用剪切位移法进行计算,并将计算值与监测值进行对比。本文研究成果可为全长位于软土中的旋喷锚索计算提供参考与借鉴。

1 软土锚固旋喷锚索计算方法研究

剪切位移法和荷载传递法是桩基研究的常用方法,也用于岩土锚固的研究。国标《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)采用剪切位移法计算减沉复合桩基的刺入变形。文献[11]较早采用剪切位移法与荷载传递法相结合计算群锚。根据单锚或群锚的基本试验,已有文献[12-13]采用不同的剪切传递函数对各种非软土地层的锚杆进行研究。考虑软土流变效应,结合桩锚支护结构特点,描述清楚土与结构的相互作用,是较真实反映软土中旋喷锚索受力变形机理的关键。

1.1 锚土界面摩阻力

基于“定性-定量-反演-总结”的系统控制方法,通过工程实践确定较符合实际的锚土界面摩阻力及其分布,可减少主观假定导致的误差。

抗剪强度从峰值强度迅速下降到较稳定的残余强度,是流变软土的典型受力特征。当锚索预应力张拉值大于软土提供的稳定承载力时,锚土界面将产生相对滑移,宏观表现即为锚索在锁定后逐步出现应力松弛,直至达到与软土提供的稳定承载力相对应的平衡状态。因软土强度低,基本试验表明,在软土中锚索的短期极限承载力与其锚固段直径、锚固长度存在近似正比关系[14],这与非软土中的锚索显著不同。

在流变软土中,锚索应按软土提供的稳定承载力进行设计。根据文献[15],淤泥质黏土层中的土锚,锚索稳定承载力实测值仅为检测峰值的60%左右,衰减明显。当锚索设置于淤泥层时,更应注意淤泥流变影响,控制淤泥剪应力水平,确保淤泥产生衰减型流变以提供稳定承载力。软土稳定的摩阻力值可按各地经验参数取值。在珠三角地区,如无实测数据,建议可按广东省《建筑地基基础设计规范》(DBJ 15-31—2016)取值,具体为:淤泥摩阻力取4～8kPa,平均值5kPa;淤泥质土摩阻力取8～13kPa,平均值10kPa。

软土中锚索的承载力由锚土界面摩阻力控制,锚索自由段受拉,其拉力由锚固段提供抗拔力来平衡,相应地在锚土界面产生斜向剪应力并往周边土体传递,符合剪切位移法的假定。此斜向剪应力使得锚固段范围内的软土产生斜向上剪切变形。在稳定受力阶段,可假定锚土界面不脱离,则软土的剪切变形即为锚索的受力变形。软土常为软塑态或流态,其强度低,无应力集中,故可取锚土界面摩阻力沿锚固段均匀分布。软土中锚索通常较长,分布较密,在土体中形成大范围的剪切受力带,故需考虑剪应力重叠的影响,即需考虑群锚效应。

1.2 计算模型

位于深厚软土中的桩锚支护在稳定受力阶段的计算模型可简化为图1。图中,P1、P2为锚索作用于支护桩的集中力,坑底以下O点为反弯点。对于图1中的滑楔体,假定锚索不可压缩,由静力平衡和变形协调可知,以下关系成立:

图1 计算模型简图

Pi=πdiτiLai(i=1,2)

(1)

δpA=δsA′

(2)

δpB=δsB′

(3)

式中:Pi为锚索拉力;τi为锚土界面摩阻力;di为锚索锚固段直径;Lai为锚索锚固段长度;δsA′、δsB′为锚索锚固段La1、La2土体斜向剪切位移值;δpA和δpB为支护桩对应锚索支点A、B位置的斜向位移。

可由剪切位移法求出在稳定受力阶段锚固段的土体斜向剪切位移δsA′和δsB′值。当采用现浇混凝土冠梁与腰梁时,锚索端部与支护桩连接节点可视为刚性节点。因锚索端部与支护桩连接固定,δsA′和δsB′值即为支护桩对应锚索支点位置的斜向位移δpA和δpB值。

按剪切位移法,并考虑软土的工程特性,可得到旋喷锚索外周剪切区任意点的剪切位移δr、锚索外周剪切区的总剪切位移体积V;将总剪切位移体积除以外周圆面积,并考虑剪切应力重叠,化简后即为考虑群锚效应后的锚索斜向上剪切位移ss。上述三者的计算公式分别为:

(4)

(5)

(6)

式中:τp为锚土界面摩阻力平均值,kPa;rp为锚索锚固段半径,m;r为剪切点到桩中心的距离;d为锚索锚固段直径,m;s为锚索纵向间距,m;G为土体剪切模量,MPa,软土泊松比可取为0.4,则有G≈0.5Es;Es为压缩模量,MPa,对于软土,可取Es=1.0N,N为标贯击数;rm为锚索外周剪切位移最大影响半径,m,按球柱孔扩张理论,软土可取为rm=8d。

进一步,可得到旋喷锚索抗拉刚度Kt计算公式为:

(7)

式中:P为锚索稳定拉力,kN;La为锚索锚固段长度,m。

求得锚索斜向剪切位移后,可将其按锚索倾角分解,求得相应桩锚节点处的水平与竖向位移分量值。

同理,在锚索竖向分力作用下,图1中的支护桩桩周边的软土亦产生竖向剪切,可按上述相同方法求解软土沿支护桩侧的竖向剪切位移。本文仍按rm=8d考虑剪切变形区,此时式(6)中d为桩径,s为支护桩间距。以香港科技大学(广州)基坑工程PRCⅠ600(130)管桩(直径600mm、间距900mm)为例,如图2所示。注意支护桩列范围为非剪切作用区,应予以扣除。软基处理后因土体中存留密集塑料排水板,支护桩采用锤击沉桩且有效进行二次排水,故桩侧各1d范围为施工强烈重塑区也可一并扣除。将上述支护桩列和重塑区视为非软土剪切范围。由图2可求得扣除后软土剪切位移体积V的折减系数约为0.8。本文仅针对支护桩总体沉降进行计算,即求沉降最大值,故仅考虑桩侧软土层的剪切变形以简化计算。

图2 支护桩侧竖向剪切作用面积图

图1中支护桩顶的实际总沉降,即为软土沿锚索侧的斜向上剪切位移的竖向分量值(上拔),与软土沿支护桩侧的竖向剪切位移(下拉)的叠加。

以上为对应图1的桩锚支护,在考虑软土流变效应后的稳定承载阶段,按剪切位移法,计算锚索拉力、刚度,及锚索与支护桩连接节点位置处位移的基本方法。可用于单支点桩锚支护的软土锚固旋喷锚索计算。实际工程中,可通过量测锚索拉力、支护桩顶水平位移与竖向沉降、桩身测斜值等实际数据,将实际数据与计算数据对比来校验。

1.3 剪切位移法使用要点

在方案阶段,如无地勘资料,建议锚土界面摩阻力τ、压缩模量Es可按如下取值:淤泥τ取5kPa,Es取1.5MPa;淤泥质土τ取10kPa,压缩模量Es取3.0MPa;将τ、Es值代入式(1)、(6)、(7)进行评估计算。如有地勘资料,则可结合地勘资料、地区经验和工程实际情况综合确定τ、Es取值。

在设计阶段,可由式(1)、(6)、(7)计算全长位于软土层中的旋喷锚索的稳定承载力、刚度及变形。可根据上述参数计算值调整锚索尺寸参数以满足工程需要。也可将对应计算结果代入弹性支点法(m法)和有限元法作为已知边界条件,以提高计算精度。

在施工阶段,可将设计阶段的锚索拉力、变形计算值与施工阶段的监测值进行比较,以评估实际的安全状况,并提前做好应对预案。

2 工程应用

香港科技大学(广州)深厚淤泥基坑工程,开挖深度平均为6.5m,采用桩锚支护,典型支护剖面详见文献[10]。采用PRCⅠ600(130)管桩(直径600mm、间距900mm),桩顶设置一道预应力旋喷锚索。锚索倾角30°,自由段长10m,锚固段长25m,直径500mm,两桩一锚,锚索水平间距1.8m,大部分锚索全长主要处于淤泥层中,配套南基坑的南侧局部,受红线限制,少量采用了穿透软土入硬土锚固的锚索,本文以全长主要处于淤泥层中的锚索为分析对象。总体上支护桩长24m,桩底进入硬土层。本工程场区大范围进行了真空预压软基处理,取压缩模量Es为2.0MPa。

结合地勘资料,按式(1)计算得到的本工程旋喷锚索稳定承载力为150～180kN[10]。按实际锚固段施工长度25m,可求得对应的锚土界面摩阻力τ为3.82～4.59kPa。

按式(6)计算得到锚索斜向剪切位移为20.6～24.8mm,见表1。将斜向剪切位移再按锚索倾角进行分解,即乘以其余弦与正弦,可求得锚索水平位移分量和竖向位移分量。本工程水平位移分量(朝坑内)为17.8～21.5mm,竖向位移分量(上拔)为10.3～12.4mm。

表1 旋喷锚索斜向剪切位移计算

按式(6)计算支护桩侧竖向剪切位移,见表2。具体如下:对应支护剖面,将单根锚索竖向分力作用于两根支护桩可计算得到单桩承担竖向分力为37.5～45kN。按总桩长24m只考虑桩侧淤泥段18.5m长的剪切效应;对应有坑底以上淤泥厚度3.5m,坑底以下淤泥厚度15.0m。坑底以上段,因坑内侧土体在基坑开挖时被挖除,仅坑外侧单侧软土产生剪切,故坑底以上段作用只计一半,则淤泥段等效计算总长约为16.7m。求得对应的桩土界面摩阻力τ为1.19～1.43kPa。将τ代入式(6)可求得竖向剪切位移为44.4～53.3mm,乘以前述剪切位移体积折减系数0.8,即可得到支护桩侧竖向剪切位移为35.5～42.6mm(下拉)。

表2 支护桩侧竖向剪切位移计算

表1、2两种剪切效应叠加,即可得到支护桩顶的竖向沉降值为25～30mm。本计算仅针对总体沉降,即求沉降的最大值,故只考虑桩侧软土层的剪切变形以求简化。

综上,按本文剪切位移法计算得到的支护桩顶水平位移17.8～21.5mm,竖向沉降为25.0～30.0mm。另外,按式(7)计算可直接得到本工程旋喷锚索抗拉刚度为7.3MN/m。

实测的支护桩顶水平位移最大值23.5mm,平均值17.5mm(即可换算为锚索斜向上的剪切位移为20.2mm);支护桩顶竖向沉降最大值29.1mm,平均值17.8mm;锚索轴力127～179kN,平均值155kN;将锚索轴力平均值除以斜向平均剪切位移,可得到旋喷锚索平均抗拉刚度为7.6MN/m。

综上可见,该基坑上述指标的总体监测值及平均值均与按本文剪切位移法计算值接近,总体吻合。

本工程采用剪切位移法、弹性支点法(m法)、有限元法的计算结果对比详见文献[10]。

3 案例计算验证

3.1 案例1安徽省芜湖市某基坑

安徽省芜湖市中电环保垃圾库基坑[3-4]为深厚淤泥质黏土基坑。基坑北侧开挖深度8m,采用桩锚支护,桩顶设置一道旋喷锚索,锚索全长位于淤泥质黏土中,淤泥质黏土层厚9～12.0m,平均含水量39.3%,重度18.1kN/m3。直剪快剪指标:黏聚力cq为9.7kPa,内摩擦角φq为6.5°;固结快剪指标:黏聚力ccq为11.1kPa,内摩擦角φcq为15.0°。标贯击数N=2～6击,平均4击。锚索倾角25°,水平间距3m,自由段长6m,锚固段长13.5m,锚固段直径500mm。支护桩φ800@1200。两个测点的实测锚索拉力分别为206、270kN;实测支护桩顶水平位移为8.45mm。

根据本文第1.3节,取淤泥质土的锚土界面摩阻力τ为10kPa,按式(1)计算得到旋喷锚索的稳定承载力,即拉力为212kN。因有实测标贯击数,取压缩模量Es=1.0N,得Es均值为4.0MPa。按式(6)计算得到斜向剪切位移为9.7mm,按锚索倾角25°分解,求得支护桩顶水平位移为8.8mm,与实测数据8.45mm基本吻合。

同理,如按实测锚索拉力平均值238kN反算,得到τ=11.2kPa,则求得支护桩水平位移为9.9mm。如按实测锚索拉力最小值206kN反算,得到τ=9.7kPa,则求得支护桩水平位移为8.5mm,与实测数据8.45mm吻合良好。详细计算过程见表3。

表3 案例1旋喷锚索斜向剪切位移计算

3.2 案例2江苏省张家港市某基坑

江苏省张家港市某基坑[5]场地位于太湖冲积平原,基坑开挖深度8.98m,采用SMW工法桩加三道旋喷水泥土锚索支护。第一道锚索位于桩顶,全长位于淤泥质黏土中。淤泥质黏土层厚4.6m,重度18.3kN/m3,固结快剪指标黏聚力ccq为14.22kPa,内摩擦角φcq为11.6°。锚索倾角25°,水平间距1.8m,自由段长0m,锚固段长15.0m,锚固段直径500mm。四个测点实测的支护桩顶水平位移大部为28～32mm,最大为34.8mm。

根据本文第1.3节,取淤泥质土的锚土界面摩阻力τ为10kPa,压缩模量Es为3.0MPa,按式(1)计算得到旋喷锚索的稳定承载力,即拉力为235kN。按式(6)计算得到斜向剪切位移为36mm。按锚索倾角25°分解,求得支护桩顶水平位移32.6mm,与实测数据基本吻合。详细计算过程见表4。

表4 案例2旋喷锚索斜向剪切位移计算

3.3 案例3福建省漳州市某基坑

福建省漳州市某深厚淤泥基坑[6]采用SMW工法桩加锚索支护。基坑开挖深度6.8m,桩顶设置一道旋喷锚索,锚索全长位于淤泥中。淤泥平均层厚17.9m,平均含水量61.1%,重度16.1kN/m3。淤泥直剪快剪指标聚力cq为10.0kPa,内摩擦角φq为2.9°。锚索倾角35°/45°相互错开,水平间距1.35m,自由段长9.5m,锚固段长17.0m,锚固段直径400mm。实测支护桩顶水平位移24.3mm。

根据本文第1.3节,取淤泥的锚土界面摩阻力τ为5kPa,压缩模量Es为1.5MPa,按式(1)计算得到旋喷锚索的稳定承载力,即拉力为107kN。按式(6)计算得到斜向剪切位移为32.8mm。对应35°、45°不同倾角,按锚索倾角分解,求得支护桩顶水平位移分别为26.8mm和23.2mm,平均值25.0mm,其与实测数据基本吻合。详细计算过程见表5。

表5 案例3旋喷锚索斜向剪切位移计算

3.4 案例4珠江三角洲某基坑

珠江三角洲滨海某深厚淤泥基坑[7]采用SMW工法桩加锚索支护。基坑开挖深度5.8m,桩顶设置一道旋喷锚索,锚索全长位于淤泥中。淤泥层厚12.0～16.0m,平均含水量62.2%,重度15.4kN/m3。淤泥直剪快剪指标黏聚力cq为3.7kPa,内摩擦角φq为2.4°。锚索倾角35°,水平间距1.5m,自由段长8.0m,锚固段长22.0m,锚固段直径500mm。实测支护桩顶水平位移45.0mm。

根据本文第1.3节,取淤泥的锚土界面摩阻力τ为5kPa,压缩模量Es为1.5MPa,按式(1)计算得到旋喷锚索的稳定承载力,即拉力为173kN。按式(6)计算得到斜向剪切位移为51.9mm。按锚索倾角35°分解,求得支护桩顶水平位移为42.5mm,与实测数据基本吻合。详细计算过程见表6。

表6 案例4旋喷锚索斜向剪切位移计算

4 结语

(1)本文提出采用剪切位移法计算软土基坑桩锚支护中软土锚固的旋喷锚索的轴力与变形。采用此方法对若干有实测数据的软土桩锚支护基坑工程进行计算,计算值与实测值基本吻合。表明该法可较好地揭示全长位于软土的旋喷锚索的受力变形机理。该法对单支点桩锚支护软土基坑的旋喷锚索设计计算具有较好的适用性,有助于提高设计精度。

(2)目前尚未见在深厚软土基坑工程中,采用全长均位于软土的多道旋喷锚索案例,故无法对此类情况进行复核验证。究其因,主要在于此类锚索的稳定承载力有限。一般情况下并不适合用于变形控制严格的工程,只可用于一些深度较浅、变形控制不严格的工程。故应注意软土中旋喷锚索的适用性并做谨慎选择。对软土中多道旋喷锚索的计算,特别是应力重叠如何准确考虑,以及软土锚固有效性与变形量、持荷时间的相互关系,均可作为后续研究的课题,开展进一步的研究。

(3)深厚软土基坑工程中,有全长穿透软土进入硬土层锚固的单道或多道锚索的桩锚支护案例。本文的计算方法,并不直接适用于此类锚索,此类锚索的设计计算详见文献[16]。对此类锚索,因设计承载力往往取值偏高,且有较大的初始张拉力,已超出软土段锚索的稳定承载力,在软土段已产生界面滑移。此时软土段已不能阻止锚索自由变形,锚索的硬土锚固段将发挥承载作用。如初始张拉力不超出软土段锚索的稳定承载力,则本文方法仍适用。