预应力锚杆微型桩预支护深基坑模型试验研究

刘 川， 刘雪玲， 门玉明， 杨 通

（长安大学地质工程与测绘学院，西安 710064）

近年来我国城市化进程加快，城市人口剧增，而我国现有的城市土地有限，于是很多城市的新建楼房都趋于高层建筑，导致产生了很多深基坑，进而促进了我国深基坑支护技术的发展［1-2］.

近年来，微型桩技术在中小型滑坡防治［3］、公路边坡支护［4］以及深基坑的临时支护［5］中的应用越来越广泛.由于微型桩支护体系具有可承受较大水平作用力［6］、变形小、支护空间节约、材料及设备要求低、安全环保、经济可行等优点，因此其在深基坑工程中的应用也非常广泛.近年来有一些学者对微型桩支护和锚杆微型桩支护进行了研究.丁光文［7］结合工程实例提出了微型桩治理滑坡的设计步骤，阐述了微型桩的计算方法.辛建平等［8-9］为了得到土质边坡中微型抗滑桩的破坏机制及边坡的破坏模式，通过大型物理模型试验对单排与三排微型抗滑桩加固黏性土边坡进行了研究，并通过有限差分程序FLAC3D对同一排内均匀布置的桩心配筋微型桩进行了数值模拟.Cantoni等［10］将滑坡治理结构等效为微型桩群桩，进而提出了一套设计计算方案.闫金凯等［11］通过模型试验研究了微型桩的单桩和群桩在治理阶段的受力及位移特征.王鹏等［12-13］通过深基坑微型桩支护物理模型试验，结合有限元数值模拟计算及理论分析，研究了深基坑开挖和周边加载过程中微型桩的力学响应及破坏特征，为微型桩技术在深基坑工程中的应用提供了参考.滕海军和刘伟［14］以微型钢管桩作为排桩，采用弹性支点法对桩身内力、位移控制、截面选择等进行了分析.董建华和庄超［15］提出了框架预应力锚杆微型钢管桩联合支护结构，并分析了此联合支护结构的受力机理.刘韶华［16］对复合土钉墙基坑支护结构体系中各个组成部件的受力及变形情况进行了模拟分析.杨向前［17］对微型桩预应力锚杆复合土钉支护结构进行了一系列数值模拟，结果发现该支护结构对于深基坑的支护效果明显.宋广等［18］采用三维非线性有限元模拟了单纯土钉支护和微桩复合土钉支护在施工过程中的作用.焦广莹［19］对深基坑锚索与微型钢管桩联合支护进行了数值模拟并分析了其变形情况.闫富有等［20］结合郑州某一基坑工程项目，根据实测数据分析了土钉和锚杆轴力随基坑开挖的变化规律，同时运用FLAC3D软件对开挖支护施工过程进行了三维动态模拟分析，结果表明微型桩能有效控制基坑的稳定性与变形并能改善土钉和锚杆的受力状态.结合工程概况，封磊［21］对微型桩加锚索组合支护方案的设计进行了介绍，并对微型桩加锚索的施工工艺与现场监测技术进行了分析.

目前，虽然关于微型桩在深基坑工程中的预支护应用的研究已有很多，但是关于预应力锚杆微型桩联合支护体系在深基坑工程中的研究还相对较少.为将预应力锚杆微型桩技术广泛应用于深基坑工程中，本研究通过模型试验研究了预应力锚杆微型桩联合支护体系预支护深基坑时各结构的位移、土体压力、弯矩以及破坏特征.本研究可为深基坑工程预支护设计提供参考.

1 试验方案

1.1 相似关系与模型设计

在模型试验设计过程中，微型桩的长度和弹性模量为基本物理量，相似比分别定为5 和3.其他相关物理量的相似比根据p 项式和相似准则方程计算，表1 即为本次模型试验中各物理量的相似关系.

表1 模型试验中各物理量的相似关系及其取值Fig.1 Similarity relationship and value of each physical quantity in model test

模型的尺寸为：长400 cm、宽240 cm、高400 cm，内壁铺设塑料薄膜以减小摩擦.微型桩采用直径5 cm、长300 cm 的铝管灌注桩，填充的浆体为石膏与水等比混合的浆液.桩体埋入深基坑前先通过抗弯试验测试了桩体的抗弯性能，结果显示桩体的抗弯性能符合相似理论的要求.连系梁采用方形钢管，预应力锚杆筋材采用直径为0.8 cm的铝杆，锚杆长300 cm，倾角为20°，施加预应力3 kN，灌注的砂浆为M20砂浆.试验中的土体均采用黄土分层填夯，夯实后的重度为18.52 kN/m3，黏聚力为37 kPa，内摩擦角为26°.模型试验的平面布置如图1（a）所示，现场图如图1（b）所示.

图1 模型试验的平面示意图及现场图Fig.1 Plan schematic diagram and field diagram of model test

1.2 开挖方式

深基坑开挖设计深度为200 cm，每级开挖40 cm，数据稳定后继续开挖，直至开挖至设计深度.

1.3 测试系统

试验中采用位移计、土压力盒、应变片等测量工具对深基坑土体和预应力锚杆微型桩联合支护体系（简称联合支护体系）的位移、土体压力以及弯矩进行量测，具体如下：

联合支护体系的位移通过YHD-100位移计测量，深基坑地表土体位移、桩体位移通过在深基坑地表、桩顶布设的位移计测量，如图1（a）所示.

采用SZZX-EXX 型土压力盒测量土体压力，并采用对应的数据采集系统采集数据，具体如下：在桩体两侧布设土压力盒以测试桩体前后的深基坑土体压力，土压力盒埋设位置及方式如图1（a）所示.

采用BX120-5AA电阻应变片测量桩身的应变，微型桩桩顶留出10 cm的区域，在此之下每隔20 cm对称地在桩身附近布置一对应变片用以测试微型桩的应变数据，并在深基坑底面适当加密布置，然后根据微型桩的应变数据即可获得微型桩的弯矩.

需要说明的是，王鹏［12］的研究中采用的是未加预应力锚杆的微型桩预支护深基坑模型，且其余所有的试验条件均与本研究中的试验条件相同，故本研究通过与王鹏［12］的试验结果进行对比来分析添加预应力锚杆和未添加预应力锚杆的微型桩在预支护深基坑时有何不同.

2 试验结果与分析

2.1 桩顶及深基坑地表的沉降分析

图2为深基坑开挖过程中桩顶的沉降曲线.由图2可知：在开挖的初期，桩顶沉降可以忽略不计；当开挖深度为80 cm时，桩顶最大沉降达到0.3 cm；当开挖深度超过120 cm 时，桩顶沉降呈增长趋势；当开挖达到设计深度（200 cm）时，桩顶最大沉降约为0.6 cm.根据王鹏［12］的研究可知，未加预应力锚杆的微型桩预支护深基坑时，桩顶的最大沉降为0.7 cm，大于0.6 cm，且桩顶沉降的变化幅度更大.

图2 深基坑开挖过程中桩顶的沉降曲线Fig.2 Settlement curve of pile top during excavation of the deep foundation pit

开挖过程中深基坑地表的沉降曲线如图3 所示.分析图3 中各测点的沉降曲线可知，深基坑地表沉降随开挖深度的增加而增加，1号测点的沉降最大且增加速率最大，这是由于1号测点靠近深基坑上缘，土体压力作用于桩体后，导致桩体发生侧向位移，于是靠近桩身的土体更容易发生位移，从而使得1号测点的沉降最大且增加速率最大.与未加预应力锚杆的微型桩预支护深基坑的试验结果［12］对比可知，用联合支护体系预支护深基坑时，深基坑地表的最大沉降较小且沉降增加速率相对较小，说明在深基坑开挖过程中，联合支护体系可减少基坑地表的最大沉降以及变化幅度，减弱土体沿着潜在破坏面破坏的趋势，从而可保障开挖过程中深基坑的稳定，由此可证明预应力锚杆在联合支护体系中发挥了重要作用.

图3 深基坑开挖过程中深基坑地表的沉降曲线Fig.3 Settlement curve of deep foundation pit surface during excavation of the deep foundation pit

2.2 桩周土体压力分析

为探究桩体两侧土体压力的变化规律，试验中在1、3、5号桩两侧布设土压力盒以获取土体压力数据.由于获得的1、3、5号桩的土体压力曲线规律类似，因此本文仅对1号桩的土体压力进行分析.规定桩后侧为深基坑地表，桩前侧为开挖区.

图4（a）为1号桩后侧（深基坑地表）土体压力曲线.由图4（a）可以看出：随着开挖深度的增加，在同一深度处的土体压力随之增加，并且在开挖深度为40 cm时，各个深度处的土体压力达到最大；在50 cm深度附近各个开挖深度的桩后侧（深基坑地表）土体压力均为负值，其原因是顶部土体向开挖方向发生了位移变形，导致土压力盒脱空；在50 cm深度以下的桩后侧（深基坑地表）的土体压力呈三角形分布，且在靠近深基坑底面处达到最大，此后在深基坑底面处锐减，这是因为桩体和土体的刚度不同，出现了桩、土分离现象，此时桩体对土体的约束减弱，从而导致土体压力锐减.与未加预应力锚杆的微型桩预支护深基坑的试验结果［12］进行对比可知，联合支护体系预支护的深基坑的桩后侧（深基坑地表）土体压力的最大值为15 kPa，而未加预应力锚杆的微型桩预支护的深基坑的桩后侧（深基坑地表）土体压力最大值为8 kPa；开挖到200 cm时，联合支护体系预支护的深基坑底面处的土体压力为5 kPa，而未加预应力锚杆的微型桩预支护的深基坑底面处的土体压力为8 kPa.以上结果说明，在深基坑开挖过程中，联合支护体系可减弱深基坑底面的土体压力，减少该处土体破坏的可能，从而可保障开挖过程中深基坑的稳定性，由此可证明预应力锚杆在联合支护体系中发挥了重要作用.

图4（b）为1号桩前侧（开挖区）土体压力曲线.从图4（b）中可以看出：各个开挖深度下，桩前侧（开挖区）土体压力均随深度的增加而增加；同一深度处同一测点的桩前侧（开挖区）土体压力均随开挖深度的增加而增加，这与未加预应力锚杆的桩前侧（开挖区）土体压力的分布规律［12］完全相反.同时通过对比发现，未加预应力锚杆组在各个开挖深度下，桩前侧（开挖区）土体压力均随深度的增加呈先减小后增加的趋势.以上结果说明，在深基坑开挖过程中，联合支护体系可使桩前侧土体压力分布更均匀，从而可保障开挖过程中深基坑的稳定性，由此可证明预应力锚杆在联合支护体系中发挥了重要作用.

2.3 桩体弯矩分析

根据本文1.3小节中的方法可得到微型桩的应变数据，然后根据式（1）可求得桩体各部位的弯矩值.

式中：M为桩身弯矩，N·m；E为桩体的弹性模量，Pa；I为桩体惯性矩，可通过式（2）求得；ε-和ε+分别为各个深度（即桩身应变片的埋藏深度）的对称应变数据；h为同一截面处拉压应变的测点间距，对桩体来说即为直径5 cm.

将桩体不同部位前后对称侧的应变值代入式（1）即可求得微型桩各部位的弯矩值，结果如图5所示.从图5 中可以看出：开挖过程中桩体弯矩均在25～50 cm 深度处出现了拐点，与预应力锚杆的位置相近；当开挖到设计深度（200 cm）时，桩身最大负弯矩约为-48 N·m，出现在锚杆附近，最大正弯矩约为57 N·m，出现在深基坑底面附近；随着开挖深度的增加，桩体受到的剪切作用加强，作用点发生变化.与未加预应力锚杆的微型桩预支护深基坑的试验结果［12］进行对比可知，未加预应力锚杆的微型桩桩身的最大负弯矩约为-6000 N·m，远小于联合支护体系中桩身的最大负弯矩，未加预应力锚杆的微型桩桩身的最大正弯矩约为8000 N·m，远大于联合支护体系中桩身的最大正弯矩，联合支护体系中桩身弯矩的变化曲线呈现“S”形分布，曲线的波动比未加预应力锚杆的微型桩桩身的弯矩曲线小，桩体的稳定性有所增加，说明预应力锚杆在联合支护体系中的作用明显，在深基坑开挖过程中，联合支护体系可减弱桩身受到的剪切破坏作用，增强深基坑的预支护效果.

图5 深基坑开挖过程中桩身各部位的弯矩Fig.5 Bending moment of each part of the pile body during deep foundation pit excavation

2.4 深基坑土体破坏特征分析

图6为开挖结束时的现场图，在开挖过程中可以观察到随着开挖深度的加深，深基坑顶部可看到有少量纵向裂缝产生，但并未贯通，桩体附近土体完整、无土块脱落，桩体有细微弯曲.而未加预应力锚杆的微型桩预支护深基坑的试验结果［12］显示，在开挖过程中，随着开挖深度的加深，深基坑顶部可看到有数条纵向裂缝产生，其中少量已贯通，桩体附近有土块脱落，桩体有弯曲.由此可知，预应力锚杆在联合支护体系中发挥了重要作用，用联合支护体系预支护深基坑时，可削弱深基坑土体的破坏，进而可保障预支护体系及深基坑工程的安全和稳定.

图6 开挖结束时的现场图Fig.6 Scene diagram at the end of the excavation

3 结论

通过模型试验研究了采用预应力锚杆微型桩联合支护体系预支护的深基坑在开挖过程中的桩身及深基坑土体的位移和受力情况，并与未加预应力锚杆的微型桩预支护的深基坑试验结果进行了对比，主要得出以下结论：

1）开挖过程中，桩体有局部的位移，有可能是桩后侧（深基坑地表）土体的挤压以及连系梁的转动引起的.随着开挖深度的增加，深基坑地表沉降随之增加，这一趋势与未加预应力锚杆的微型桩预支护深基坑的试验结果一致.与未加预应力锚杆的微型桩预支护深基坑的试验结果进行对比可以发现，联合支护体系预支护的深基坑的地表沉降较小，沉降增加的趋势减缓，说明预应力锚杆在联合支护体系中发挥了重要作用，联合支护体系对桩顶和深基坑地表土体的沉降有较好的控制作用.

2）在各个开挖深度下，桩后侧（深基坑地表）土体压力均随深度的增加而呈复杂的变化，且分别在锚杆处、深基坑底面附近出现拐点.在各个开挖深度下，桩前侧（开挖区）土体压力均随深度的增加而增加.与未加预应力锚杆的微型桩预支护深基坑的试验结果进行对比可以发现，采用联合支护体系预支护深基坑后，桩后侧（深基坑地表）土体压力较大，曲线的拐点发生变化，且在开挖面以上的变化趋势更加平缓，桩前侧（开挖区）土体压力的变化趋势与未加预应力锚杆的微型桩预支护深基坑的试验结果相反，说明预应力锚杆在联合支护体系中发挥了重要作用，采用联合支护体系预支护深基坑时，可增加桩周土体压力，减小桩周土体压力的波动范围，使桩周土体压力分布更均匀，避免因土体应力集中导致深基坑土体的破坏.

3）桩身弯矩随深度的变化曲线较为复杂，总体上各个开挖深度下桩身弯矩随深度的变化趋势相似，且均在锚杆处以及深基坑底面附近出现拐点.与未加预应力锚杆的微型桩预支护深基坑的试验结果进行对比可以发现，采用联合支护体系预支护深基坑时，桩身最大弯矩的绝对值较小，弯矩的变化范围也较小，说明预应力锚杆在联合支护体系中发挥了重要作用，采用联合支护体系预支护深基坑时，可使桩身弯矩的绝对值降低，且可使桩身弯矩的分布更均匀，从而可增强桩体的稳定性和安全性.

4）在深基坑开挖过程中，随开挖深度的加深，在深基坑顶部出现了少量未贯通的纵向裂缝，但是桩身周围土体完整无脱落，桩身有细微弯曲.与未加预应力锚杆的微型桩预支护深基坑的试验结果进行对比可以发现，采用预应力锚杆微型桩联合支护体系预支护的深基坑的破坏特征不明显，说明预应力锚杆在联合支护体系中发挥了重要作用，联合支护体系在深基坑预支护阶段可明显增强整体结构的稳定性.

综上可知，采用添加预应力锚杆的微型桩联合支护体系对深基坑进行预支护，可以有效地控制桩体和土体的沉降，改善桩周土体压力的分布，且可使桩身弯矩的分布更均匀，增强整体结构的稳定性，从而可保障预支护体系及深基坑工程的稳定和安全.