基于BOTDA的桩锚结构受力分析研究*

姜 波 邹源江 曹 俊 胡 杨

(1.贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司 贵阳 550001； 2.贵阳市城市轨道交通集团有限公司 贵阳 550081)

随着城市建设的快速发展，各类地下工程在规模和数量上得到迅猛发展，开发地下空间已成为城市发展的一种趋势，随之而来的基坑近接施工也越来越多。基坑病害及安全事故频发，相应的基坑防控手段多样，如常用的单排桩[1]、双排桩等，桩锚结构因其结构的特殊性，且能有效地控制基坑变形而被广泛应用在基坑支护中。

桩锚结构是由单桩与锚索组合而成的组合式支护结构[2]，相较于单桩，由于锚索的施加，在控制土体变形方面优势明显，能有效解决基坑深、高悬臂、变形要求苛刻等基坑工程问题，但其受力计算复杂，计算所涉及到的岩土体物理力学参数、土压力分布情况、潜在剪切破坏位置等参数均存在不确定性，在结构计算时往往参照经验，选取某一种形式如矩形分布或三角形分布进行土压力计算，这难免会与工程实际情况存在偏差，影响设计施工。因此本文将通过现场实测来反向推导桩锚支护结构的受力特性，消除上述不确定参数带来的影响。

目前，常规的基坑监测[3]手段主要包括应变片、钢筋应力计、静力水准仪、全站仪等点式监测传感器，此类技术存在测点有限、抗干扰能力差、安装困难、寿命短、兼容性差等问题，从而导致监测数据误差大、数据量少，无法实现长时间、分布式的有效监测，难以准确计算桩身受力变形。分布式光纤传感技术是一种可感测应变温度和传输信号的新型监测技术，优势明显如分布式、高精度、造价低、寿命长、兼容性强等。

本文采用基于布里渊散射的分布式光纤监测技术[4]，对基坑开挖过程中支护桩不同深度的结构微应变进行监测，反分析桩锚支护结构的受力机理，以此避开设计计算所涉及的岩土参数的不确定性等影响因素，由此得出更加符合工程实际的桩锚结构受力特征，以为桩锚结构的设计和施工提供工程应用经验。

1 工程概况

贵阳市某深基坑尺寸约为440 m×60 m×11 m，基坑右侧紧邻轨道交通，其剖面示意见图1。

图1 桩锚支护基坑典型断面

基坑开挖深度为7～10 m，为土质基坑，覆盖层为第四系残坡积层(Qel+dl)红黏土，厚11～16 m，浅表层为素填土，基岩为三叠系下统大冶组(T1d)灰岩。桥墩之间采用了桩锚支护结构进行支挡，桩长为15 m，排间距2.5 m，沿桩身间隔2.3 m布设3排锚索，第一排锚索长22 m，第二排18 m，第三排14 m，锚固段均位于基岩内，施加预应力500 kN。

在充分了解基坑地形地貌、工程地质条件、岩土体物理力学性质的基础上，利用分布式光纤监测技术对桩锚支护体系的应力应变场进行监测，掌握基坑开挖支护结构真实的受力特征，结构参数见表1。

表1 桩体参数取值

2 支护桩光纤监测

传感光缆在支护桩的布设见图2。为了使测试值更加可靠，传感光缆分别布设在支护桩迎土侧和背土侧的主筋上。支护桩的钢筋笼半径为65 cm，故绑扎在桩前后对称主筋上的间距Δx为130 cm，有效测试范围为距桩顶0.5～14 m。混凝土浇筑后，应变光缆与支护桩逐渐耦合、协同变形。

图2 桩内光缆布设

岩土体内的抗滑桩上传感光缆受温度影响小，无需对其进行温度补偿[5]。

光纤现场绑扎及测试工作见图3，时间为桩锚结构浇筑完成后至2020年12月30日。

图3 现场照片

基坑开挖全过程中，支护桩受侧向土压力作用受弯变形，在桩身轴向上产生微应变，至2019年12月初基坑开挖基本完成，桩体在锚索的作用上，桩顶变形较小，基坑开挖底面以下2～4 m位置最大应变为205×10-6。

图4 支护桩应变曲线

3 桩锚支护结构受力反分析

3.1 受力计算

利用材料力学理论建立桩的应力-应变的函数关系[6-7]处理监测应变数据，计算桩锚结构所受的土压力。

支护桩在轴向应力作用下受弯产生的截面弯矩M(x)，计算方法如式(1)～(2)。

(1)

(2)

剪力Q(x)与土压力F(x)分别为对弯矩求一阶及二阶导，计算方法依次见式(3)～(4)。

Q(x)=M(x)′

(3)

F(x)=M(x)″

(4)

式中：E为弹性模量；Iy为桩横截面惯性矩；x为监测点与中性轴的距离；z为支护桩桩长。εx1(x)和εx2(x)为支护桩某横截面上监测点的应变测试值。

3.2 中性轴的确定

支护桩的浇筑一般会受材料的不均一性影响，从而导致桩的中性轴不在截面中点，桩身某横截面前、后侧监测点距离中性轴为x1、x2，桩截面见图5。

图5 中性轴确定示意图

x1、x2不一定相等，但监测点相对中性轴的力矩平衡，则有

(5)

为了消除中性轴不确定性的影响，支护桩在轴向应力作用下受弯产生的截面弯矩M(x)可表示为

(6)

3.3 光纤测试受力反分析

3.3.1桩身内力分布

通过式(1)～(6)并借用MATLAB软件进行应变数据进行分析拟合，得出基坑开挖过程支护结构的内力分布情况，结果见图6、图7。

图6 桩身弯矩曲线图

图7 桩身剪应力曲线图

由图6可见，随着基坑开挖深度的增加，弯矩显著增大，在坑底以下2.5 m处的弯矩最大为1 790 kN·m；锚索作用位置弯矩为负，最大负弯矩为1 000 kN·m，基坑开挖完成后，支护桩内力值趋于平稳，表明基坑整体稳定。

由图7可见，桩在2～6 m锚索作用区域的剪力为负，峰值为500 kN，锚索起到抗弯变形作用；在桩身8.5 m位置附近(基坑底部)，剪力值达到最大，为716 kN；桩身11～14 m位置剪力方向与土压力方向相反，表明桩在该区域受岩土抗力起抗滑作用。

3.3.2土压力

基坑开挖完后土压力实测值与理论值对比见图8。

图8 基坑开挖完后土压力实测值与理论值对比

由图8可见，在基坑开挖完成后土压力值趋于稳定后，桩锚结构所受土压力的理论计算值与实测值存在差别：①理论计算值大于实测值；②实测的土压力的分布形式与理论上的相差较大，锚索作用位置压力为负，其主要是受基坑开挖和锚索的作用影响。

从上述研究以及本文的现场实测值来看，对于多支点桩锚结构的设计，其上作用的土压力值采用经典土压力理论与实际存在偏差，设计值偏大。

4 结论

本文以深基坑桩锚结构的受力变形为研究对象，基于BOTDA监测技术，反分析桩的受力特性，得出以下结论。

1) BOTDA光纤传感技术能准确地获取桩锚支护结构桩的不同位置和深度的应变，可推算出更加符合工程实际的结构受力情况。

2) 测试结果表明，在桩锚结构上的锚索作用位置及坑底以下2.5 m处的弯矩最大，设计应加强此类位置的构造，提高结构强度。

3) 桩锚结构上作用的土压力由开挖前的静止土压力逐渐转化为主动土压力。基坑开挖完成后，开挖线以上土压力的分布形式呈现“上部小，下部大”的特征，与传统分布式形式不一致。当存在多排预应力锚索时，支护上作用的土压力值小于经典土压力理论计算值。

4) 本研究利用BOTDA技术的高抗干扰、高空间分辨率、高精度、分布式的优势，提高了深基坑监测的精度，使监测值贴近实际工程，改进了基坑支护工程原有的监测体系。