墻錨式支護(hù)結(jié)構(gòu)在基坑工程中的應(yīng)用

焦清杰 劉可兵 李 旺

墻錨式圍護(hù)結(jié)構(gòu)由擋土結(jié)構(gòu)與外拉系統(tǒng)組成,受拉桿件的一端(錨頭)通過(guò)壓頂梁或腰梁與圍護(hù)結(jié)構(gòu)連接,另一端為錨固體,錨固體設(shè)在基坑外的穩(wěn)定地層中,圍護(hù)結(jié)構(gòu)所受荷載的一部分或大部分通過(guò)受拉桿件傳遞到處于穩(wěn)定區(qū)域中的錨固體上,而錨固體將傳來(lái)的荷載分散到周?chē)€(wěn)定的巖土層中,從而充分發(fā)揮了地層的自穩(wěn)能力。在同等條件下墻錨式圍護(hù)結(jié)構(gòu)尺寸小、整體剛度大,在使用中位移變形小,且其可改善施工條件,加快施工進(jìn)度,因此墻錨式圍護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大,尤其適用于對(duì)深度比較大以及對(duì)變形控制要求嚴(yán)格的基坑工程[1]。

1 工程概況

擬建地鐵車(chē)站主體結(jié)構(gòu)為兩層兩跨框架結(jié)構(gòu),采用明挖法施工,基坑開(kāi)挖深度為18 m,圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用由連續(xù)墻和預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)。場(chǎng)區(qū)地形平坦,根據(jù)鉆探揭示及對(duì)地層成因、年代的分析,地層主要由第四紀(jì)全新統(tǒng)人工及陸相堆積層(Qml4,Qal4)組成,巖性為黏土、粉質(zhì)黏土夾粉土、粉質(zhì)黏土粉土粉砂互層、砂類(lèi)土等,下伏白堊系下統(tǒng)砂礫巖。場(chǎng)地內(nèi)的地下水類(lèi)型主要為上層滯水,孔隙承壓水兩種類(lèi)型,水位埋深為1.0 m～3.6 m。

2 模型建立

本次數(shù)值模擬模型共劃分8 250個(gè)單元,11 424個(gè)節(jié)點(diǎn),其中土體及連續(xù)墻采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬,錨索采用cable結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行模擬;根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工條件,基坑開(kāi)挖共分為8步,邊開(kāi)挖邊錨撐支護(hù),第一步開(kāi)挖 2.0 m,第二步～第七步開(kāi)挖 2.5 m,最后一步開(kāi)挖1 m到坑底。故在模擬基坑開(kāi)挖時(shí)也分為8步,前七次開(kāi)挖每次開(kāi)挖之后加cable結(jié)構(gòu)單元[2]。因此,在整個(gè)數(shù)值模擬的過(guò)程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)總共施工了7道預(yù)應(yīng)力錨索(見(jiàn)圖1)。連續(xù)墻參數(shù)、錨索參數(shù)分別見(jiàn)表1,表2。

表1 連續(xù)墻(鋼筋混凝土)參數(shù)

表2 錨索參數(shù)

3 分析計(jì)算

3.1 錨索受力結(jié)果分析

通過(guò)設(shè)置在錨索結(jié)構(gòu)單元上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)錨索的軸力進(jìn)行監(jiān)測(cè),結(jié)果如圖2,圖3所示。

由圖2,圖3可知,7道錨索軸力的最小值出現(xiàn)在錨索的末端,接近零值,軸力基本上為由錨索末端向外遞增的趨勢(shì)。錨索的軸力隨著基坑開(kāi)挖是逐漸增加的,開(kāi)挖至坑底時(shí)錨索軸力達(dá)到最大值,最大值為第五道錨索,其值為402.6 kN。表3為FLAC3D程序計(jì)算錨索軸力與傳統(tǒng)等值梁法[3]計(jì)算錨索軸力對(duì)比結(jié)果,通過(guò)對(duì)比可以看出,利用等值梁計(jì)算的錨索軸力與有限差分計(jì)算的軸力基本上趨于一致,各層錨索軸力的發(fā)展趨勢(shì)也相吻合,但FLAC3D計(jì)算錨索軸力值要小于等值梁法計(jì)算值,這也表明利用等值梁法計(jì)算偏于保守,對(duì)工程留有一定的安全余地。

表3 錨索軸力計(jì)算結(jié)果對(duì)比

3.2 基坑變形結(jié)果分析

在數(shù)值計(jì)算過(guò)程中,在YZ平面沿基坑開(kāi)挖深度設(shè)置了標(biāo)號(hào)為1～9的9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),它們分別位于基坑深度的0 m,2 m,4.5 m,7 m,9.5 m,12 m,14.5 m,17 m,18 m;在進(jìn)行地表沉降變形的模擬過(guò)程中,在XY平面的地表處即沿坐標(biāo)軸Y方向共設(shè)置了標(biāo)號(hào)為11～19的9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),它們位于基坑斷面中軸線上的位置,離基坑壁的距離分別為0 m,2 m,4 m,6 m,8 m,10 m,12 m,14 m,16 m[4]。將監(jiān)測(cè)點(diǎn)1～9的數(shù)值模擬結(jié)果經(jīng)過(guò)整理,如圖4所示的位移值為基坑開(kāi)挖至18 m時(shí),位于各開(kāi)挖深度監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最終水平位移值。從圖4中可以看出,基坑土體的水平位移值在墻頂時(shí)最大,坑底時(shí)最小,最小值為11.5 mm,其中在14.5 m約處(H為墻高)出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn),位于其上部的土體位移量較大,下部的土體位移減小明顯;地表沉降主要發(fā)生在距離坑壁8 m以?xún)?nèi)的地方,其中靠近坑壁處沉降值最大,達(dá)到14.1 mm。

4 結(jié)語(yǔ)

用FLAC3D程序模擬仿真分析結(jié)果表明,各層錨索軸力的發(fā)展趨勢(shì)與傳統(tǒng)等值梁法計(jì)算結(jié)果大體一致,要略小于等值梁法計(jì)算值,此外,很好地再現(xiàn)了基坑開(kāi)挖過(guò)程中位移場(chǎng)的變化過(guò)程,水平位移主要發(fā)生在圍護(hù)墻(H為墻高)以上的部位,最大的水平位移在墻頂;最大地表沉降發(fā)生在緊鄰坑壁土體處,計(jì)算的結(jié)果表明該支護(hù)方案滿(mǎn)足基坑變形控制的要求。

[1] 龔曉南,高有潮.深基坑工程設(shè)計(jì)施工手冊(cè)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1998.

[2] 劉 波,韓彥輝.FLAC原理實(shí)例與應(yīng)用指南[M].北京:人民交通出版社,2005.

[3] 黃 強(qiáng).深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)用內(nèi)力計(jì)算手冊(cè)[M].北京:中國(guó)建材工業(yè)出版社,1995.

[4] 譚菊香.某地鐵車(chē)站深基坑支護(hù)工程監(jiān)測(cè)與分析[D].長(zhǎng)沙:中南大學(xué)碩士學(xué)位論文,2006.

[5] 李自明.復(fù)合支護(hù)形式在深基坑支護(hù)中的應(yīng)用[J].山西建筑,2008,34(2):120-121.