超前排桩锚支护结构的桩顶变形特性分析

    刘一宏　袁超

    

    

    

    摘 要：超前排桩锚组合支护体系作为一种新型支护结构体系，多被应用于土岩组合深基坑的支护中。本文依托某城市实际开挖的大型深基坑工程的实时监测数据，对该支护体系的变形特性进行了探讨，通过非线性模型最小二次估计，拟合出位移随时间的变化趋势，为类似工程提供参考。

    关键词：深基坑;超前桩锚支护结构;变形

    中图分类号：TU473.1? ? ? ? ? ? 文献标识码：A? ? ? ? ? ? 文章编号：1006—7973（2019）01-0052-03

    1前言

    超前排桩锚组合支护体系是在桩锚支护结构基础上优化的一种支护方式，由于超前桩的施加可以使基坑分阶支护，避免锚拉式桩板挡墙高度不宜大于25m的规定和支护桩入土深度过深造成的成本过大，同时可以使桩体和锚杆锚索组成的拉锚体系应用于更深的基坑工程，具体的工法是：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錨杆或锚索位置时，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[3]，当开挖到联梁设计标高时，开始施工联梁同时进行下排桩的制作，待下排桩浇筑完成，再沿下排桩垂直分部开挖，当开挖到基坑深度大于超前桩长度后，会有两种情况，第一种是超前桩的锚固段过短或前端岩土体过薄，此时桩也可以称为柱，发挥着与肋梁类似的作用，第二种即是保留超前桩足够的锚固段，桩体仍然发挥桩的作用。

    2工程概况

    本基坑工程位于城市中心地带，周边环境较为复杂，破坏后果极为严重，该建设场地分为地块一、地块二、地块三，其上拟建7栋单体建筑，场区东侧紧邻公园，交通便利。此次分析针对地块二拟开挖基坑进行。根据场地周边现状地面标高及基坑开挖标高，基坑开挖后北侧将形成高34.3～38.3m的基坑边坡，基坑南侧将形成高27.5～30.4m的基坑边坡，属于超限基坑边坡，该基坑边坡为土岩组合边坡。上层覆盖层为杂填土与红粘土，下层为强风化白云岩与中风化白云岩。该支护体系采用两阶支护，超前桩锚支护体系， 桩径为1.5m，在台阶处采用三角形连梁与下阶桩连接，基坑典型支护剖面图见图1。基坑边坡北侧既有建筑外轮廓线距离拟建建筑地下室外轮廓线距离约为15米，无放坡空间;基坑边坡南侧紧邻瑞花巷道路，人员较为密集，生产生活活动较为频繁，地下管网较多，无放坡空间。

    3监测结果

    为了解超前排桩锚支护体系的变形特性，在基坑的地块二即包括超前桩布置范围南北方向分别布置测点，在基坑超前桩冠梁布置44个测点（依次编号为N1，N6，...，N44），基坑监测点见图2。

    3.1桩顶位移

    3.1.1水平位移

    南侧超前桩顶部的各测点监测时间与累计水平位移关系见图3，N6为最大水平位移监测点，最大位移量为26.3mm。南侧测点最大累计水平位移值与时间关系如图4。最大水平位移值同警戒值相比，警戒值均大于水平位移值。实际监测数据表明该支护形式对桩顶水平位移的控制效果较好，能有效控制桩顶水平位移的发展。

    3.1.2竖直位移

    南侧超前桩顶部各测点累竖向计位移与监测时间关系见图5，N6为最大竖直位移监测点，最大位移量为竖直向下7.3mm。南侧测点最大累计竖直位移值与时间关系如图6。

    数据采集时间南侧从2015年11月到2017年1月，根据监测结果可知：

    （1）超前桩桩顶位移2015年11月到2016年2月为缓慢增长期，2月到6月增长速率最快，6月以后增长再次放缓，最后趋于平稳并达到峰值。

    （2）基坑开挖至第四阶前，是杂填土、红黏土土层，分级施工有效控制了超前桩的位移量，当开挖到土岩结合面时也即第5阶，超前桩桩顶的位移变化速率开始增大，当开挖到基坑设计标高后，桩顶位移达到最大值。

    4实测数据拟合分析

    4.1非线性模型最小二乘法估计

    非线性回归分析法是研究确定事物间关系的一种有效方法。最小二程法为一种优化方法，通过数据误差的最小平方和计算，求取最可能反应实际情况的匹配函数。

    对于样本，通过关系式，得到数据，采用线性拟合，得到，根据最小二乘法原理：

    假定一组与时间对应的基坑支护结构变形位移监测数据，其中为各阶段时间，为各时间对应的变形位移，对数据采用多项式拟合。回归方程为：

    式中n为多项式幂指数。越大拟合度越高，一般即满足工程运用需求。

    公式为：

    则为矩阵，求逆矩阵，则

    利用上述方法，求出式中A的待定系数。

    4.2超前桩顶部位移拟合

    本工程基坑开挖时间从2015年11月到2016年12月，总计410天，其中北侧基坑监测时间基本贯穿基坑施工全过程，变化到第8阶后趋于平稳，为了更直观、较普遍地反应基坑位移与监测时间的变化关系，现将第1阶段至第8阶段监测时间20等分，作为时间段变量，并将桩顶水平位移与时间段进行拟合，得到拟合曲线如图7。

    由图7拟合曲线，推导出水平位移与时间段经验公式为：

    由图7可知二者相关系数为，表明二者拟合度较高。

    由4.2章节同理分析基坑支护结构顶部竖直位移与时间关系，将桩顶竖直位移与时间段进行拟合，得到拟合曲线如图8。

    由图8拟合曲线，推导出竖直位移与时间段经验公式为：

    二者相关系数为，表明二者拟合度较高。

    综上可知，对于实际工程中，利用经验公式来分别预测超前桩水平、竖直位移随时间关系的变化趋势，对工程中预报险情、指导施工具有一定的实际意义。

    5结论

    （1）在对土岩结合基坑边坡开挖至超前桩桩底阶段， 超前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，在开挖至桩底以下以后，超前疏排桩底部前排部分岩体被挖除，端部约束部分减少，水平位移和竖向位移开始增长，在设计中应预留足够的锚固段前端岩土体。

    （2）通过实测数据曲线可知，在开挖至土岩结合面时，桩顶位移开始较快增大，内因是基坑边坡部分锚索预应力损失较大，锚索对支护结构水平约束作用减弱。外因是岩层爆破施工对支护结构产生一定的不利影响。

    （3）超前桩桩顶位移峰值发生在开挖至设计标高后，并且受水、土压力的影响，支护结构变形不能立即收敛。随着地下结构的施加，变形逐渐趋于稳定，变形收敛。

    （4）基于实测数据拟合的经验公式能在一定程度上反映超前桩位移随时间的变化趋势，可为类似地层条件下的支护结构变形提供参考。

    （5）在土岩组合地层中，采用超前桩锚支护体系，能较为有效地控制基坑位移，有利于安全施工。

    参考文献：

    [1] 黄强.深基坑支护工程设计技术[M].北京：中国建材工业出版社，2000.

    [2] JGJ 120-99.建筑基坑支护技术规程[S].北京：中国建筑工业版社，1999.

    [3] 丁慧 常娟娟.超前疏排桩（柱）锚组合支护体系的变形特性研究[J].公路交通科技，2013（6）;263-267.

    [4] 贾金青.深基坑预应力锚杆柔性支护法的理论及实践[M].北京：中国建筑工业出版社，2006.

    [5] 常娟娟，超前疏排桩（柱）锚支护结构应用与数值模拟研究[D].贵州大学，2012.