摘要：為探究西北地區(qū)黃土基坑樁錨支護結(jié)構(gòu)的受力特性及變形規(guī)律，文章設(shè)計并實施了一項幾何相似比為1∶10的樁錨支護基坑大型模型試驗，通過模擬坑邊附加荷載、土層開挖、錨桿張拉等條件，系統(tǒng)性地研究支護結(jié)構(gòu)的受力和變形特性。試驗結(jié)果表明，錨桿對于樁體位移的約束作用顯著。在工況1的條件下，樁體的最大位移為1.00 mm；而在工況11的條件下則增至3.90 mm，證明首排錨桿在控制樁體變形中起到了至關(guān)重要的作用。此外，預(yù)應(yīng)力錨桿的應(yīng)用改變了樁的受力狀態(tài)，由原先的一側(cè)受拉、另一側(cè)受壓的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椤癝”形主動應(yīng)力狀態(tài)。在基坑開挖后期，樁前被動土壓力呈上大下小的分布狀態(tài)，最大值為-12 kPa，最小值為-80 kPa。因此，建議在實際施工時張拉同一水平位置的錨桿，以減少前端錨桿預(yù)應(yīng)力損失。

關(guān)鍵詞：巖士勘察；樁錨支護；基坑；模型試驗

中圖分類號：TU4 " " "文獻標識碼：A " " "文章編號：1674-0688（2024）10-0104-05

0 引言

土體作為一種非線性彈性材料，其在應(yīng)力作用下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和強度特性與常規(guī)均質(zhì)材料在簡單壓力作用下的表現(xiàn)存在很大差異。傳統(tǒng)的常規(guī)模型試驗通常在標準的1 g重力環(huán)境下進行，這種方法可能無法充分反映基坑開挖過程中墻體變形和土壓力變化情況，存在低估基坑開挖引發(fā)的土壓力變化和土體變形的風險。在針對錨樁支護結(jié)構(gòu)受力特性及變形規(guī)律的研究中，李連祥等[1]在分析離心模型試驗中常用停機開挖、排液法開挖及微型機器人開挖的缺點的基礎(chǔ)上，設(shè)計并研制了一種新型開挖模擬裝置，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)非停機開挖，并能較準確地模擬土體側(cè)壓力；周瑋寧等[2] 開展了離心模型試驗，對比了成層地基中微型樁加固淺基礎(chǔ)與未加固基礎(chǔ)的情況，分析了地基土和基礎(chǔ)受力后的變形情況和破壞響應(yīng)，試驗結(jié)果表明，在微型樁的加固作用下，相較于淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，粉質(zhì)黏土層影響區(qū)域?qū)挾葴p小幅度更為顯著；張建成等[3]通過開展大比尺剛性擋土墻模型試驗，并采用人工控制擋土墻位移的方式，分析了輕量土作為墻后填土?xí)r的主動土壓力分布規(guī)律，研究結(jié)果表明，輕量土的側(cè)向土壓力隨著擋墻位移量的增加，呈現(xiàn)先降低后逐漸穩(wěn)定的趨勢。

當前的研究主要集中在經(jīng)濟發(fā)達的中國東部軟土區(qū)。相比之下，由于西北黃土區(qū)的經(jīng)濟水平和城市建設(shè)相對落后，因此對該地區(qū)的基坑工程研究也相對滯后。鑒于黃土與軟土在工程特性上存在顯著差異，黃土區(qū)無法直接借鑒軟土區(qū)基坑的所有經(jīng)驗[4]。因此，針對黃土區(qū)特性開展基坑室內(nèi)模型試驗研究是非常必要的。本文利用自主研發(fā)的模型箱，對樁錨支護基坑進行了大規(guī)模的模型試驗研究，深入分析了基坑開挖過程中支承樁的位移規(guī)律和土壓力變化，并探討了不同工況（如錨樁張拉）對支承樁內(nèi)力的影響。研究結(jié)果旨在為樁錨支護坑的模型試驗方法及工程應(yīng)用提供參考。

1 模型試驗

1.1 模型箱和試驗土壤

本次基坑支護試驗采用樁錨結(jié)構(gòu)支護形式，并利用自研模型箱進行。該模型箱內(nèi)部尺寸為 3.4 m（長）×1.4 m（寬）×2.7 m（高）。為確保試驗過程中能直觀觀測土壤變形情況，模型箱兩側(cè)采用了12 mm厚的有機玻璃。試驗土壤取自基坑現(xiàn)場，土壤呈黃褐色且土質(zhì)較均勻。試驗土壤經(jīng)過篩分、加水攪拌、燜燒處理后，采用分層填筑法（每層厚度為15 cm），整平并均勻壓實，確保壓實系數(shù)達到0.90的較高標準［5-6］。為減少邊界效應(yīng)對試驗結(jié)果的影響，模型箱內(nèi)被均勻地涂抹了硅烷。此外，考慮到填土完成后土體的重塑作用，模型在試驗前需放置 24 h以上，并在填土過程中取樣進行室內(nèi)土工試驗。試驗土壤物理參數(shù)見表1。

1.2 支撐樁和錨固件

支撐樁和錨的幾何參數(shù)見表2。樁身鋼筋采用8號鍍鋅鐵絲；混凝土配合比為0.490（水）∶1（水泥）∶1.370（沙子）∶2.486（石頭）。沿側(cè)排布置7根支撐樁，其中樁1至樁3（按照從左到右的順序編號）進行應(yīng)變和樁頂位移測試。錨固件主體材質(zhì)是直徑為8 mm的鋼筋；灌漿料配比為1（水）∶0.5（水泥）。全場共設(shè)置30根錨固件，采用Mi-j編號體系（i為行號，j為列號），試件編號示意圖見圖1。此外，對第1、3 、5列的所有錨固件進行軸向力測試。

考慮到填土采用水平分層填筑方式，并且錨桿為預(yù)制件，在實際工程中需要設(shè)置一定水平傾斜度以確保灌漿效果，因此在模型箱中，錨桿被設(shè)置為水平布置，便于軸向力的施加和測量。錨桿的自由段采用波紋管進行包裹，避免其與土壤直接接觸。錨桿從模型箱內(nèi)部向外穿過預(yù)留孔，隨后，通過KBT-10T型錨桿拉拔器進行張拉操作后，被固定于基坑中。錨桿長度及施加的預(yù)應(yīng)力見表3。

1.3 試驗方法

將應(yīng)變片貼附于支護樁混凝土和錨固鋼筋表面，隨后進行物理保護及防水處理。土壓力盒固定于樁體表面。為將千斤頂荷載傳遞至土壤，在支撐樁頂部后方土壤上鋪設(shè)了尺寸為138 mm（長）×48 mm（寬）×30 mm（厚）的鋼板?；又車母郊雍奢d由自行設(shè)計的垂直加載系統(tǒng)模擬，該系統(tǒng)集成了液壓千斤頂、反力框架（梁）、荷載傳感器和承壓鋼板，可以確保千斤頂軸線與鋼板幾何中心對齊。試驗中，20 kPa 的均布荷載經(jīng)等效換算后，以30 kN的集中力形式施加。

模型箱前擋板采用6塊 40 mm厚的硬木板構(gòu)成，便于分層挖掘土壤。土壤每24 h挖掘一層，隨后張拉并鎖定錨桿。挖掘和錨桿張拉的工作條件設(shè)計見表4。在樁土界面上布置細鋼絲網(wǎng)片，用于模擬噴射混凝土表面并防止土壤從樁間涌出。同時，采用DH3816 N靜態(tài)應(yīng)力應(yīng)變測試分析系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集。錨固件安裝和開挖完成情況見圖2。

2 結(jié)果與討論

2.1 樁頂水平位移分析

圖3展示不同工況下的樁頂水平位移情況。從圖3中可以看出，隨著樁前土方的開挖和錨桿的張拉，樁頂位移呈非線性增長趨勢。邊緣樁的最大水平位移為3.78 mm，中間樁為 3.92 mm。預(yù)應(yīng)力錨桿的張拉增強了土體的抗剪強度，并增大了土體與錨桿實體之間的摩擦阻力，從而減緩了土體的水平位移速率。特別地，第一排錨桿對樁身水平位移的控制作用尤為明顯，它導(dǎo)致樁身產(chǎn)生了負位移，并對后續(xù)樁身位移的發(fā)展起到了減緩作用。工況1條件下的最大位移為1.00 mm，而工況11條件下的最大位移為3.90 mm。由此可見，第一排錨桿對樁體變形的控制起到了關(guān)鍵作用，進一步驗證了錨桿在控制樁及樁后土體變形方面的有效性。

2.2 支承樁的應(yīng)力分析

根據(jù)材料力學(xué)知識，樁身彎矩M的計算公式為

[M=EIεi1-εi2B] ， " " " " " " " " " " " （1）

其中：EI為樁身的彎曲剛度，εi1、εi2為第i個測量點兩側(cè)的應(yīng)變值，B為樁徑。

由公式（1）可知，樁的抗彎剛度EI和樁徑B均為定值，因此樁身彎矩的分布與應(yīng)變差的分布具有一致性。為直觀分析樁身內(nèi)力的變化規(guī)律，本文進一步分析了樁1和樁2在不同開挖條件下錨桿張拉的應(yīng)變分布（圖4）。隨著樁前土體開挖施工的推進，樁身應(yīng)變分布呈現(xiàn)非線性特征。在工況1（懸臂階段）條件下，樁的護壁側(cè)處于拉伸狀態(tài)，拉伸應(yīng)變的最大值位于樁頂，并且應(yīng)變分布呈現(xiàn)兩端小、中間大的特征。當應(yīng)變?yōu)?250 ??時，樁2的最大沉降為-1 856 mm；而應(yīng)變?yōu)? ??時，樁1和樁2的最大沉降均為-1 500 mm。

當樁體由懸臂狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閱沃c支撐狀態(tài)時，彎矩由護壁側(cè)的拉力轉(zhuǎn)變?yōu)榭招膫?cè)的拉力。隨著支承樁進入多支點狀態(tài)，被動區(qū)土體的阻力逐漸增大，導(dǎo)致樁身的最大彎矩及抗彎點均向下移動，同時空心側(cè)的最大彎矩值明顯減小。與僅受土壓力作用的懸臂樁不同，樁錨支護結(jié)構(gòu)需同時承受土體的卸載效應(yīng)和錨桿的張拉作用。在此過程中，嵌入端的彎矩也從初始工作狀態(tài)下的擋土側(cè)受拉，轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘀c階段的中空側(cè)受拉，開挖完成后又恢復(fù)為擋土側(cè)受拉的狀態(tài)。由此可見，錨桿張拉與樁體、土體之間形成協(xié)同效應(yīng)，有效調(diào)整了支護樁的受力狀態(tài)，避免了樁體達到極限受力狀態(tài)。

此外，側(cè)樁附近的邊界效應(yīng)使樁周土體展現(xiàn)出較高的自穩(wěn)性，降低了作用在樁上的土壓力，進而減小了樁身彎矩。在實際工程中，由于存在陰影角，所以基坑角落的支護樁所承受的彎矩通常小于基坑中部的樁。整體而言，樁身彎矩分布呈現(xiàn)“S”形，反向彎曲點靠近基坑底部。支護樁在坑底以上部分主要承受空心側(cè)的拉力作用，而在坑底以下則轉(zhuǎn)為擋土側(cè)受拉，并且最大正彎矩值大于最大負彎矩值。樁—土—錨三者之間的相互作用使樁體的彎矩分布比懸臂狀態(tài)更合理，降低了樁體內(nèi)力，提升了支護結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。

土層錨桿之間的群錨效應(yīng)導(dǎo)致相鄰錨桿張拉時相互影響其內(nèi)力。以錨桿M1-3為例，研究相鄰錨桿張拉對其軸向力的影響，設(shè)計了兩種張拉順序方案（圖5）：方案1的張拉順序為錨桿M1-3→張拉錨桿M1-2→張拉錨桿M1-4；方案2的張拉順序為錨桿M1-3→錨桿M1-5→錨桿M1-4。為更直觀展地展現(xiàn)錨桿M1-3 軸向力的損失情況，將相鄰錨桿張拉時錨桿M1-3的內(nèi)力進行歸一化處理，并以軸向力的相對值表示，初始值設(shè)置為1。結(jié)果顯示，當采用方案1的張拉順序時，張拉M1-2導(dǎo)致M1-3的軸向力損失39%，隨后張拉M1-4 又進一步使M1-3的軸向力損失32%，M1-3最終的軸向力僅為其初始值的29%；采用方案2的張拉順序時， 張位M1-5后，M1-3的軸向力相對值為0.74， 張拉M1-4后則降至0.45。

上述結(jié)果表明，錨桿的張拉順序?qū)ζ漭S向力具有顯著影響，并且張拉間距越大，損失減少越明顯。因此，在基坑支護施工中，錨桿的張拉順序應(yīng)遵循一定的張拉間距原則，以最小化軸向力損失，確保錨桿錨固效果，從而有效控制基坑變形，減少施工過程中的安全隱患。

2.3 土壓力分析

不同工況條件下的土壓試驗結(jié)果與朗肯土壓的對比結(jié)果見圖6。實測結(jié)果顯示，主動土壓力在基坑底部以上逐漸增大，呈現(xiàn)頂部小、底部大的分布狀態(tài)。當基坑深度為0 cm時，主動土壓力為16 kPa；當基坑達到最大深度-250 cm時，主動土壓力增至22 kPa。出現(xiàn)這一結(jié)果是因為支護樁在樁前開挖土體和樁后頂部附加荷載的作用下基坑內(nèi)發(fā)生位移，帶動樁后土體前移，導(dǎo)致主動區(qū)土體應(yīng)力逐漸增大。對于被動區(qū)土體壓力，隨著開挖深度的增加，在支護樁的支撐作用下，開挖面以下的土體壓力被轉(zhuǎn)移至開挖面一側(cè)，樁前土體因擠壓導(dǎo)致應(yīng)力增大。在開挖初期，樁前被動區(qū)的土體應(yīng)力隨深度增加而增大，呈現(xiàn)上部小、下部大的分布特征。后期則轉(zhuǎn)變?yōu)樯喜看?、下部小的分布特征。被動土壓力的最大值?12 kPa，最小值為-80 kPa。

為驗證測量土壓的準確性，計算了支撐結(jié)構(gòu)的朗肯土壓力并與實測值進行了比較。結(jié)果顯示，實測土壓力小于朗肯理論預(yù)測值，并且分布形態(tài)呈現(xiàn)非線性特征。出現(xiàn)這一現(xiàn)象是因為朗肯土壓力理論基于剛性擋土墻假設(shè)，并且假定土體達到極限平衡狀態(tài)，而在實際工程中，是不允許土體達到此極限狀態(tài)的。因此，在樁錨支護結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)用朗肯理論時，計算結(jié)果可能偏大，特別是在開挖條件復(fù)雜和支護結(jié)構(gòu)變形控制要求嚴格的情況下，經(jīng)典朗肯土壓力理論的計算結(jié)果可能無法滿足工程要求。

3 結(jié)語

樁錨支護結(jié)構(gòu)在基坑工程中展現(xiàn)出較好的支護效果，這得益于樁、土、錨三者相互作用機制促進了土體與支護結(jié)構(gòu)變形的相互協(xié)調(diào)，有效抑制了樁后土體的側(cè)向位移，特別是第一錨點的全責設(shè)置對支護樁的位移控制起到了關(guān)鍵作用。與土壓力的經(jīng)典線性分布模式不同，樁—錨—支撐結(jié)構(gòu)中的主動土壓力和被動土壓力分布呈現(xiàn)出顯著的非線性特征，這主要是被動側(cè)土體開挖引起的卸荷效應(yīng)以及預(yù)應(yīng)力錨桿的共同作用的結(jié)果。因此，在實際施工過程中，建議錨桿的張拉順序需要遵循一定的張拉間距原則，減少前錨桿的預(yù)應(yīng)力損失，從而提升整體的錨固效果。實測數(shù)據(jù)顯示，土壓力的分布形態(tài)與朗肯土壓力理論預(yù)測存在顯著差異，具體表現(xiàn)為實測土壓力值普遍低于朗肯土壓力值。鑒于此，未來研究應(yīng)聚焦于探索適用于基坑圍護結(jié)構(gòu)在非極限狀態(tài)下的土壓力計算方法與理論，以期更準確地反映實際工況，優(yōu)化支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計，從而確?；庸こ痰陌踩耘c經(jīng)濟性。

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