埃塞俄比亚国家银行基坑桩锚支护位移分析

喻 杰1，张 梁2

（1.中国十五冶金建设集团有限公司，黄石 435000；2.武汉理工大学土木工程与建筑学院，武汉 430070）

1 工程概况

WEGAGEN银行大楼位于埃塞首都亚的斯亚贝巴市中心，是一栋集办公、购物、餐饮为一体的高层建筑。建筑总高度为109.67m，总建筑面积为32159m2，地下室基底最大深度15.2m。该工程为现浇钢筋混凝土框架－剪力墙结构。根据当地的地质勘察报告，总结得到场地的土层分布信息可见表1。

该工程的基坑支护方案如下：基坑平面为不规则的近似长方形平面，依次分为ab、bc、cd、de、ef、fg、ga七段。基坑开挖深度为13.07～13.67 m，采用混凝土灌注桩加预应力锚杆支护形式，支护桩径为1000mm，桩长为22m，桩心距为1.3m，混凝土强度采用C35。锚杆四排，局部区域加密。锚杆采用φ25钢筋，水平间距为2.6m。竖向间距多为2.5m，根据实际情况有加大和减小。锚杆总长、自由段、锚固段长度因不同区域不同。锚杆孔径为160mm，倾角为15°，桩顶设置钢混冠梁，每层锚杆均设置腰梁。预应力根据设计要求不同部位取值不同。该文取bc段的桩锚支护结构为例进行计算，具体信息见表2。

表1 土层计算参数

表2 撑锚结构信息表

2 计算模型

该文所提出的方法和计算模型是把支护桩当成垂直放置的多跨连续梁结构，将预应力锚杆当做弹性支座。将其简化成结构力学模型利用矩阵位移法，考虑锚杆的刚度对支护桩刚度的影响和预应力对结构位移的影响。建立矩阵位移方程，将支护桩、锚杆和土体的共同工作统一起来进行计算。通过列出矩阵位移方程建立支护桩的内力和变形位移的联系，通过求解方程来得出支护结构的水平位移。在建立模型之前根据工程实际经验，先给出以下假定［1－3］：

1）坑底以上作用在支护桩上挡土侧的水平土压力为主动土压力，嵌固段挡土侧为主动土压力，基坑内侧为被动土压力。

2）预应力锚杆所在的位置在对其施加预应力之前的水平位移应为零。

3）考虑预应力锚杆的变形，将预应力锚杆考虑成弹性支座。

4）支座桩在平衡状态下嵌固段有弯矩零点存在，在弯矩为零处将梁断开以简支计算。可在此点处加入一个固定铰支座，绘制支护结构计算简图，见图1。

根据工程实际情况结合给定的假定绘制结构计算简图，绘制土层分布和荷载情况，按照施工及设计情况确定支护桩的桩长和嵌固深度以及预应力锚杆的布置。

单元刚度计算矩阵及预应力锚杆水平刚度系数KT的公式如下［4］

式中，E为混凝土的弹性模量，L为每个单元长度，I为截面惯性矩，EI为桩身抗弯刚度；A为杆体截面积，Es为杆体弹性模量，Ec为锚固体组合弹性模量，Ac为锚固体截面面积，Lf为锚杆自由段长度，La为锚杆锚固段长度，α为锚杆水平倾角，Em为在锚固体中注浆体的弹性模量。

根据对固端约束力求解和从局部坐标系到整体坐标系的整合就可以得到支护桩即连续梁的整体刚度矩阵和等效节点荷载。之后就可以依据矩阵位移法的基本原理 ，得到桩锚支护结构共同作用的总的平衡方程［5］。在利用MATLAB软件编制相应的求解程序后，就可以带入数据运行计算出各开挖完成后桩身各处的水平位移如下表。通过同样的大量计算可得到其他段和整个基坑工程在采用桩锚支护结构情况下的位移的特点。

表3 bc段支护桩的水平位移计算值

3 位移监测

该工程按照监测方案对基坑的桩顶水平位移、基坑周围土体的沉降和桩身的不同深度水平位移进行观测，时间从2013年1月1日起至2013年3月26日，时间范围涵盖了整个基坑开挖支护的各个施工阶段。对所取得的数据绘制趋势图，作出各种位移随时间变化的典型特征曲线，见图2～图5。

桩顶的水平位移可以直接反应出桩体结构的稳定性，水平位移数值的大小有助于确定土体和支护结构的稳定状态［6］。该工程按各个方向的基坑边分类来绘制基坑的桩顶水平位移曲线。

在该工程中，自西向东顺时针布置测斜点，依次编号X1号到X6号。考虑施工过程中的影响结合测试得到的数据，分别作出X1、X3、X4、X6四个测斜点的支护桩水平位移在各个工况时间段随深度变化的曲线，其中X1、X3、X4、X6分别位于基坑的南、西、北、东侧，见图6～图9。

在基坑开挖的过程中，按照监测方案对基坑的地表沉降进行测量，收集数据结合工程施工过程按基坑开挖过程分四步，对基坑地表土体在远离基坑边距离方向的沉降趋势进行绘制，见图10。

4 结 语

该文提出的对超深基坑多支点桩锚支护结构水平位移进行计算的方法，利用MATLAB编制相应的程序求解方程来得出支护结构的水平位移。通过工程的实际监测和数据分析得到了深基坑多支点桩锚支护结构的水平位移和土体沉降的规律。

支护结构产生水平位移主要在基坑的开挖阶段，在开挖深度不深和还未进行锚杆施工的情况下，各个支护桩的水平随深度变化位移呈现“倒三角形”分布。当基坑开挖较深，开挖完毕和锚杆支护完成后，桩身的水平位移曲线已基本趋于稳定，各个支护桩的水平位移随深度呈现出弓字形变化，桩身水平位移的最大值也由初始的桩顶位置逐步向下移动到支护桩的中部位置。同一基坑的不同方位支护桩的位移由于受到不同的外部荷载影响会呈现不同的变化幅度，导致在整个基坑四周的支护结构向基坑内的水平位移和沉降会有大有小。地表土体的沉降与其距基坑边的距离有关，距离基坑的距离越远，受到的影响和扰动越小，所以在距离基坑边较远的位置土体还能保持整体的稳定发生的沉降很小甚至不发生沉降。在靠近基坑边的位置沉降由于支护结构的作用沉降并不是最大位移位置，最大的位移出现在距离基坑边大约一倍基坑深度的地方，这使得地表沉降呈弓字形变化且距离基坑的距离越远其沉降越小。

由于时间和水平的限制，文中还存在很多的问题需要进一步的完善和研究。为了简化模型便于计算，该文暂未考虑基底以下桩与土的作用。实际工程中桩身在弯矩零点以下还受到被动土压力，计算中将这段的影响考虑进去将会使结果更加精确。

［1］黄 强.深基坑支护结构实用内力计算手册［M］.北京：中国建筑工业出版社，1995.

［2］刘云霞.基坑支护系统的变形机理及施工控制的研究［D］.北京：北京交通大学，2011.

［3］俞建霖，龚晓南.基坑工程变形性状研究［J］.土木工程学报，2002，35（4）：86－90.

［4］中华人民共和国行业标准.建筑基坑支护技术规程（JGJ 120－2012）［M］.北京：中国建筑工业出版社，2012.

［5］龙驭球，包世华.结构力学教程［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［6］谢才军，林贤根.基坑变形监测与VB编程［M］.杭州：浙江大学出版社，2012.