陈捷，周同和
（1．河南省财经政法大学工程管理与房地产学院，河南郑州450002;
2．郑州大学综合设计研究院有限公司，河南郑州450002）
[摘要]土压力计算模型与参数选取对工程安全和经济性有较大影响。本文通过理论探讨并结合某20m基坑工程桩锚结构位移与内力实测数据的分析，研究了桩锚结构的土压力计算模型及参数选择问题。分析认为，采用现行国家标准[11推荐的“弹性支点法”计算得到的被动区抗力具有一定的安全度，可不考虑初始土压力的作用。研究表明，“弹性支点法”进行支护结构内力计算时，上部三角形、下部梯形分布的土压力模型与现行国家行业标准建议的三角形分布模型相比，概念更明确，计算结果合理；受土质条件、帷幕等因素的影响，内力计算结果与实测值差异较大，设计时应根据不同情况选择合理的模型参数。研究成果可供工程设计、标准编制时参考。
[关键词]桩锚支护；弹性支点法；土压力；分布模型
O 引言
支护结构土压力与位移条件、土的膨胀性、超固结( OCR)情况、支护结构刚度、支护形式等密切相关，采用统一的计算模型显然不能满足工程安全和达到经济性目的。对桩锚支护结构，当采用弹性支点法进行支护结构内力计算时，现行国家行业标准《建筑基坑支护技术规程》( JGJ 120-2012)推荐采用三角形分布的朗肯主动土压力模型，见图1(b)，同时，为了强调理论的完整性，增加了“初始土压力”的概念暗藏于被动区（见图2），考虑被动区初始土压力（图中被动区三角形分布），用于抵消三角形分布土压力相对于梯形分布增加的土压力（主动区三角形分布）。根据新版规程相关条文，被动区土反力可按下式计算：
式中：p。。为暗藏于被动区的初始土压力项。
此处，规程修订的本意是在将老版本规程“修改后挡土结构嵌固段两侧土压力之和没有变化”（详见新版规程“4.1.4条文说明”）。
两侧的土压力之和不发生变化，这在传力路径与概念上难以理解。
首先，对于初始土压力，开挖前排桩内外两侧均存在并处于平衡状态，但图2中所示的初始土压力显然不能反映初始土压力。
其次，新版规程4.1.4条规定：弹性支点法形成的抗力与初始土压力之和不得大于被动土压力。毫无疑问，两个串联的力不能相加形成一个更大的力。
以上问题说明，弹性支点法形成的抗力与初始土压力无法叠加，土压力平衡体系中不应存在初始土压力项。故该问题如下规定：“弹性支点法形成的抗力不大于被动土压力”。
该模型的计算结果可能造成排桩插入深度增加、锚杆或排桩内力与配筋相应增加，形成浪费。
采用1999版规程图1(a)模型进行了大量工程设计，尚未发现因模型问题产生破坏或明显的基坑工程安全问题。特别是我国北方地区，基坑工程、边坡工程采用桩锚支护结构属于量大面广、常用和重要的支护形式，对其计算模型进行深入研究具有重要的工程应用价值。
1 弹性支点法土压力模型假定
假定基坑底面以上土压力为三角形分布，见图3(a)，基坑底部以下被动区采用图3(b)模型，即基坑底面以上土层与地面荷载折算成超载作用于坑底以下排桩，被动区产生“弹簧压缩”形成抗力，该抗力完全回避了所谓初始土压力，其最大值应小于被动土压力。
以下结合郑州东区某工程桩锚支护的设计计算和监测结果，对桩锚支护土压力计算设计模型进行探讨分析。
2 工程实例
2.1 工程设计计算
郑州新区某工程基坑设计深度约20m，采用上部土钉下部桩锚支护。根据基坑周边条件，西、北边采用单排桩．锚杆形式，东、南边采用双排桩一锚杆形式。地质报告提供的土层条件及参数见表1。地下水位埋深在自然地面下10. Im~10. 6m，渗透系数见表1。
排桩．锚杆支护结构典型剖面见图4。
其中，水泥土搅拌桩直径0. 85m，咬合0.2m，钢筋混凝土排桩直径1. 2m，配筋均采用HRB400钢筋，冠梁尺寸1. 3m×0.6m，排桩与冠梁混凝土强度等级均为C35，锚杆杆体均采用1860MPa有粘结钢绞线，锚杆详细设计参数见表2。
采用基坑支护设计软件按图3模型计算后按图1(b)、图2模型在相同设计参数下进行复核计算，排桩内力、锚杆轴力等计算结果如下：
2)锚杆内力计算结果如表4。
3)稳定性计算结果如表5所示。
4)变形计算结果如表6所示。
5) 2012版规程增加了基坑内侧土反力验算，即排桩嵌固深度范围内被动土压力E。应大于排桩嵌固段上的基坑内侧土反力合力P。，在与1999版规程设计结果的变形控制和稳定性要求相同的条件下，采用2012版规程进行复核计算，开挖至基底后P。= 4117. 928>E。=3924. 991，土反力不满足2012版规程要求。
内力及稳定性复核计算结果比较如表7、表8。
在控制变形及整体稳定性安全系数条件相近的条件下，采用2012版规程与1999版规程设计复核计算结果表明：
1)锚杆内力总设计值由3261. 52kN增加到3341. 21kN，增加2.4%。需要指出的是2012版规程（第4.1.8条）锚杆拉力设计值的计算方法将锚杆作为弹簧支点，支点力随弹簧变形的增大而增大，这种计算方法没有考虑墙背土体由被动土压力到主动土压力的逐渐变小过程，即锚杆拉力可能不随支护结构水平位移增加而增加，反而随之减小。
2)排桩外侧弯矩设计控制值1311kN-m增加到1422kN -m，增加9.2%。
3)满足被动区土反力不大于被动土压力条件时，2012版规程计算排桩最小插入深度为12m，比1999版规程插入深度增加9. 1%。
试算结果表明，锚杆拉力设计值与排桩插入深度无关。当坑底一定范围内为软土层时，排桩插入深度的增加量会更大。
2.2 工程实测
基坑施工与使用期间选择5个剖面对排桩内力、排桩挠曲变形、深层土体水平位移、冠梁沉降、地面沉降、锚杆内力等进行了监测。测点布置如图5，基坑工程现场照片见图6。监测结果分述如下：
1)支护结构变形与位移
①支护结构变形监测点位于排桩桩顶及桩身部位，支护结构最大水平位移一般小于20mm，最大值距桩顶下2m~ 7m间，最大值位置与计算结果基本吻合。
②排桩桩顶沉降量在5mm~ 8mm间，说明锚杆竖向作用不容忽视。
③深层土体水平位移测斜装置顶部位于基坑顶面，其位移最大值位于也位于基坑地表平面，最大值30mm左右；基坑地表面沉降量均小于lOmm，小于计算计算结果的20mm~ 30mm。
④排桩桩体测斜装置位于排桩桩体内，排桩桩顶水平位移、弯曲变形如图8，结合排桩水平位移监测结果，基坑底面以下桩体水平变位呈现上大下小的分布规律，插入深度范围内排桩水平位移在5mm~ 10mm之间。
2)支护结构内力
测得的受压区钢筋应力一般小于90MPa，最大应力120MPa，位于基坑底面以下位置；受拉区应力一般小于20MPa，最大50MPa，位于坑底以上位置。支护桩钢筋内力监测结果见图9。
根据分布式光纤应变配合钢筋应力计监测，排桩纵筋应力结果为：
排桩受拉区钢筋应力一般仅达到混凝土开裂时钢筋应力的1/2~1/3，受压区钢筋应力一般小于钢筋设计强度的1/3；受压区混凝土微应变最大值为0. 0014，为混凝土达到抗压设计强度时微应变的50% N70%。
3)锚杆轴力
监测断面锚杆轴力变化见图10，锚杆轴力实测值见表9，锚杆轴力实测值与计算结果的比较见表10。可以看出锚杆总轴力分别为计算标准值的0.6、0. 66倍，为锚杆拉力设计值的0.44、0.48倍，两者相差较大。
3 实测结果分析
1)锚杆轴力
锚杆总轴力与计算结果相差较大，原因分析如下：
表11、表12为本工程勘察报告建议的土体抗剪强度指标（表中粉质粘土的抗剪强度为有效自重压力下预固结的不固结不排水三轴抗剪强度）。以往研究与试验表明，郑州东区浅层新近沉积的粉土、粉质粘土排水固结后的强度指标可以增加15%~25%，工程施工期间实测地下水位位于自然地面下16m左右，经过排水固结，相应土层土压力降低15qo～30%。
②桩侧阻力对土压力的影响
监测结果显示排桩弯曲变形较小，受到锚杆约束作用的影响，水泥土帷幕桩墙侧与土体间的侧阻力随开挖深度增加而增加，理论上有：
依据文献[4]有：
经计算，坑底以上13m帷幕桩墙墙后侧阻达780kN/m。
2)排桩弯矩
锚杆轴力的竖向分量为630kN，作用在桩身的应力最大为0. 557MPa，对排桩内力的影响较小。在5排锚杆的作用下，坑底以上排桩弯矩较小，故排桩钢筋内力亦较小。
3)坑底以下主动区土压力与被动区抗力
根据文献[1]规定的“弹性支点法”，土的水平反力系数的比例系数m可按下式计算：
式(4)中，秽。表示挡土构件在坑底处的水平位移量。将实测排桩水平位移代入相关规范公式计算得到的m值和被动区抗力结果如表13，被动区排桩位移实测计算得到的抗力值与基坑设计软件老版规程弹性支点法计算结果相符，与坑底下主动区采用矩形分布的土压力模型，见图3(b)，按静止土压力计算结果相比，前者小于后者，为后者的0. 89倍。
4 结论与建议
1)受到土质、降低地下水、帷幕设置等的因素影响，“弹性支点法”作为桩锚支护体系的一种近似计算方法，有时存在着内力计算结果与实测值之间的较大差距，与老版规程“弹性支点法”计算结果相比，本文桩锚支护结构实测得到的钢筋应力、锚杆轴力均小于设计值的50%。
2)本文案例中，土压力降低是排桩内力与锚杆轴力实测值较小的主要因素。降低地下水使新近沉积粉土粉质粘土产生排水固结、引起土体强度指标提高可能是土压力降低的主要因素；帷幕桩墙的“墙后侧阻”作用、锚杆自由段注浆等，应为土压力降低的次要因素。
3)分析结果表明，与老版规程方法相比，采用新版规程桩锚支护“弹性支点法”模型计算得到的排桩内力与插入深度结果偏大。因此，土质条件较好时，“弹性支点法”模型中主动区作用，仍可采用上部三角形、下部矩形分布模型较为合理和经济。
4)鉴于各地土质情况、模型参数选择、计算与实测结构间存在的差异不同，建议应通过实测与计算结果的比较分析，积累经验提出适合的模型或模型参数，完善桩锚支护结构的计算方法。
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