基于FLAC3D樁—錨支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感性分析

冀彥卓

摘 要：該文以錦州石化公司新建柴油罐基坑工程為研究對(duì)象，利用大型有限差分軟件FLAC3D對(duì)影響基坑開挖的樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)敏感性參數(shù)進(jìn)行了數(shù)值仿真分析，得出了樁錨支護(hù)敏感性參數(shù)對(duì)基坑變形的影響規(guī)律，并對(duì)重要參數(shù)進(jìn)行了討論，為今后類似工程提供了參考。

關(guān)鍵詞：樁錨支護(hù) 參數(shù)敏感性分析 數(shù)值分析 FLAC3D

中圖分類號(hào)：TU753 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）05（a）-0110-04

隨著中國(guó)社會(huì)的高速發(fā)展，基坑工程開挖量也逐漸增加，基坑支護(hù)的難度也越來越大。對(duì)于已定性分析出采用樁-錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的基坑支護(hù)工程來說，迫切需要如何定量的確定出樁-錨支護(hù)結(jié)構(gòu)具體的最佳參數(shù)量值。該文以錦州石化公司新建柴油罐基坑支護(hù)工程為研究對(duì)象，基于大型有限差分軟件FLAC3D對(duì)影響基坑開挖的樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)敏感性參數(shù)進(jìn)行數(shù)值仿真分析[3-4]，進(jìn)而定性得出樁間距、樁的規(guī)格（樁徑）、樁間土體剛度、及錨索（桿）間距等敏感性因素對(duì)控制基坑變形的發(fā)展趨勢(shì)，進(jìn)一步完善優(yōu)化定性做出的基坑支護(hù)方案，對(duì)于其他類似基坑支護(hù)工程提供一定的參考價(jià)值。

1 工程概況

該工程建筑場(chǎng)地位于錦州石化公司廠內(nèi)西側(cè)，場(chǎng)地因山體走勢(shì)總體呈現(xiàn)東側(cè)高，西側(cè)低，高程介于29.53～46.24 m，高差約為16.71 m。地貌單元為丘陵地貌，成因以殘坡積為主。錦州市位于中緯度地帶，屬于溫帶季風(fēng)型氣候，常年溫差較大，全年平均氣溫8～9 ℃，年平均降水量540～640 mm，無霜期達(dá)180 d。通過野外鉆探揭露，地層主要為填土、粉土、粉質(zhì)粘土，中砂、礫巖等組成，具體土層特性分布情況詳見表1所示。

地下水主要賦存于回填層中，地下水按埋藏條件屬上層滯水，隔水底板為粉質(zhì)粘土；下部中砂亦含少量地下水。地下水主要受大氣降水補(bǔ)給的，勘察期間初見水位埋深為0.6～1.4 m，高程為28.73～29.54 m；穩(wěn)定水位埋深為0.4～1.2 m，高程為28.93～29.74 m。采取水樣進(jìn)行室內(nèi)水質(zhì)分析試驗(yàn)知，判定該地下水類型為HCO3--SO42--Ca2+-Mg2+，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)沒有腐蝕性。

2 數(shù)值試驗(yàn)分析

基于FLAC3D平臺(tái)建立計(jì)算模型及模型參數(shù)如下：

仿真計(jì)算模型考慮到基坑支護(hù)近似于對(duì)稱結(jié)構(gòu)，計(jì)算范圍取為整體工程四分之一，模型為均勻土體材料。按照類似基坑計(jì)算得知，基坑開挖的影響范圍一般為開挖深度的2～3倍，則深度方向考慮50 m，故三維模型尺寸大小為200 m×200 m×50 m（長(zhǎng)×寬×高）。仿真材料本構(gòu)關(guān)系取為彈塑性模型，采用Mohr-Coulomb屈服破壞準(zhǔn)則。三維模型四周取對(duì)稱約束，即分別限制模型6個(gè)邊界面中的5個(gè)固定面，即位移為零，頂部設(shè)置為自由面。土體外部不施加任何力，依靠土體自身重力，不考慮地下水的影響。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，土體物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。在基坑開挖過用NULL結(jié)構(gòu)單元來模擬，用Pile結(jié)構(gòu)單元來模擬樁，用Cable結(jié)構(gòu)單元來模擬錨桿和錨索。三維有限元差分模型如圖1～圖2所示。

3 樁-錨支護(hù)結(jié)構(gòu)影響因素分析

3.1 排樁的間距分析

在排樁-錨復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，前后排樁排距是一個(gè)非常重要的影響因素之一。因排樁排距大小直接改變排樁承受土壓力大小，是否共同參與擋土作用。分析排樁-錨復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)在改變排樁排距的情況下排樁位移和內(nèi)力的變化規(guī)律，本文對(duì)排距為1 m，2 m，4 m，6 m，8 m分別進(jìn)行了模擬計(jì)算。數(shù)值計(jì)算結(jié)果如圖3和圖4所示。

依據(jù)圖3和圖4分析可知：排樁之間的排距過大或過小均不利于雙排樁及拉梁冠梁之間的空間變形協(xié)調(diào)作用，空間變形協(xié)調(diào)性能不能良好發(fā)揮。樁間距太近時(shí)類似于單排懸臂樁，后排樁承受較大的土壓力，而前排樁在錨索加設(shè)的位置又承受橫向拉力，通過排樁間有限土體又作用到后排樁上，因此前后排樁樁身位移趨于一致，而樁頂位移較大，后排樁的最大位移位置將下移。樁間距太遠(yuǎn)時(shí)，理想為無限大時(shí)，此時(shí)前排樁可看作為單排懸臂樁，樁頂有拉梁，樁中有一道錨索，前排樁將承受較大的土壓力，而后排只承受前排樁通過拉梁傳遞過來的拉力，前排樁將會(huì)有很大的位移，而后排樁樁頂將會(huì)有很大位移，而后排樁樁身將會(huì)有整體的偏移。由此可知，樁間距只有在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，前后排樁的變形和應(yīng)力是合理的，才能充分發(fā)揮雙排樁以及拉梁冠梁錨索之間的變形協(xié)調(diào)作用，充分發(fā)揮各單元的支護(hù)性能。

3.2 排樁的樁徑分析

分別取不同規(guī)格的樁進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，即取400 mm、500 mm、600 mm、800 mm、1000 mm五種情況對(duì)比分析。樁間距選取為1.5 m，得到不同樁徑情況下前、后排樁樁身位移如圖5和圖6所示。

對(duì)圖5和圖6分析可知，樁徑在一定范圍內(nèi)增加時(shí)，可以明顯控制基坑樁身位移，改善了支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度，前后排樁的水平位移明顯減小，效果較為顯著。但當(dāng)樁徑增加到一定值后，支護(hù)效果沒有明顯變化。說明在樁身強(qiáng)度滿足基坑支護(hù)強(qiáng)度要求時(shí)，通過增加樁的規(guī)格（樁剛度）來減少樁身位移是不科學(xué)的做法。

3.3 樁間土體加固分析

樁-錨復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)考慮有前后排兩排裝、樁的頂部采用拉梁冠梁及錨索等組成的超靜定支護(hù)結(jié)構(gòu)，整體剛度較大，并且各個(gè)結(jié)構(gòu)單元之間存在變形協(xié)調(diào)的作用，整體支護(hù)效果良好。但不可忽略前后排樁之間土體的作用，通過改變土體剛度，即對(duì)樁間土進(jìn)行加固的方法來探討其對(duì)支護(hù)機(jī)構(gòu)的受力和變形影響。假設(shè)原有土體的實(shí)際剛度為E，分別取0.25E、0.5E、0.75E、1E、1.25E、1.5E、1.75E、2E、2.25E和2.5E來進(jìn)行模擬計(jì)算，并得到樁身最大水平位移值，如表3所示。

將表3數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，可得到樁身最大水平位移與樁間土體的剛度變化曲線關(guān)系，近似呈冪指數(shù)函數(shù)，得到數(shù)學(xué)方程，如圖7所示。endprint

從圖7分析可知，y為支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大水平位移，x代表樁間土體剛度，當(dāng)土體剛度較小時(shí)，若對(duì)土體加固，將會(huì)產(chǎn)生很明顯的支護(hù)效果，基坑樁身水平位移明顯減小，當(dāng)排樁間的土體剛度達(dá)到一定程度后，再增大樁間土的剛度基坑支護(hù)效果不是很明顯。故適當(dāng)?shù)脑黾訕堕g土的剛度將有效的減小樁身水平位移。

3.4 錨索（桿）間距分析

現(xiàn)假設(shè)兩樁間錨索數(shù)量為2，1.5，1，0.5，即兩排錨索并一樁一錨，兩排錨索上排兩樁一錨、下排一樁一錨（兩排錨索上下間距1m），單排錨索一樁一錨，單排錨索兩樁一錨。所得到的樁身水平位移情況如圖8和圖9所示。

通過圖8和圖9的對(duì)比分析可知：當(dāng)錨索數(shù)量增加時(shí)，對(duì)前排樁的影響較為明顯，限制了樁身的水平位移，使得最大位移位置的位移量減小，這時(shí)前排樁通過拉梁冠梁傳遞給后排樁的拉力也相應(yīng)的減小，使得后排樁的樁頂位移也隨之減小，增加了整個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。但在支護(hù)施工時(shí)，多加一道錨索將會(huì)大大增加工程的造價(jià)，故在滿足支護(hù)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性時(shí)，不建議大批量增加錨索的使用量。若是遇到支護(hù)結(jié)構(gòu)局部變形過大時(shí)，可適當(dāng)考慮施加錨索，約束樁身位移，限制基坑的變形。

4 結(jié)語(yǔ)

該文通過大型有限差分軟件FLAC3D對(duì)樁-錨復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行多要素敏感性三維數(shù)值仿真分析，得到排樁間距、排樁規(guī)格、樁間土體剛度、錨桿（間距）等支護(hù)參數(shù)對(duì)擋土墻變形的影響規(guī)律，得到主要結(jié)論：

（1）樁徑在一定范圍內(nèi)增加時(shí)，可以明顯控制基坑樁身位移，改善了支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度，前后排樁的水平位移明顯減小，效果很明顯；

（2）當(dāng)土體剛度較小時(shí)，若對(duì)土體加固，將會(huì)產(chǎn)生很明顯的支護(hù)效果，基坑樁身水平位移明顯減小，當(dāng)排樁間土體剛度達(dá)到一定程度后，再增大樁間土的剛度基坑支護(hù)效果不是很明顯。

（3）當(dāng)錨索數(shù)量增加時(shí)，對(duì)前排樁的影響較為明顯，限制了樁身的水平位移，使得最大位移位置的位移量減小，這時(shí)前排樁通過拉梁冠梁傳遞給后排樁的拉力也相應(yīng)的減小，使得后排樁的樁頂位移也隨之減小，增加了整個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉維雙，宋建.基于FLAC3D的深基坑樁錨支護(hù)參數(shù)優(yōu)化分析[J].建筑設(shè)計(jì)管理，2012（7）：74-76.

[2] 閆綱麗，王斌.基于FLAC3D的深基坑樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)分析[J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2012（S）：82-85.

[3] 劉繼國(guó)，曾亞武.FLAC3D在深基坑開挖與支護(hù)數(shù)值模擬中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，27（3）：505-508.

[4] 丁永春，王建華.基于FLAC3D的基坑開挖與支護(hù)三維數(shù)值分析[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，43（6）：978—980.

[5] 趙菲，周冰，王渭明，等.深基坑樁錨支護(hù)變形模擬分析[J].山東科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，32（6）：34-38.

[6] 李明瑛，曾朋.基于MIDAS深基坑樁錨支護(hù)數(shù)值模擬分析[J].水土保持研究，2012（1）：250-253.

[7] 唐徐林.深基坑樁錨支護(hù)的受力與變形研究[J].科技與企業(yè)，2013（23）：209-209，211.endprint

從圖7分析可知，y為支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大水平位移，x代表樁間土體剛度，當(dāng)土體剛度較小時(shí)，若對(duì)土體加固，將會(huì)產(chǎn)生很明顯的支護(hù)效果，基坑樁身水平位移明顯減小，當(dāng)排樁間的土體剛度達(dá)到一定程度后，再增大樁間土的剛度基坑支護(hù)效果不是很明顯。故適當(dāng)?shù)脑黾訕堕g土的剛度將有效的減小樁身水平位移。

3.4 錨索（桿）間距分析

現(xiàn)假設(shè)兩樁間錨索數(shù)量為2，1.5，1，0.5，即兩排錨索并一樁一錨，兩排錨索上排兩樁一錨、下排一樁一錨（兩排錨索上下間距1m），單排錨索一樁一錨，單排錨索兩樁一錨。所得到的樁身水平位移情況如圖8和圖9所示。

通過圖8和圖9的對(duì)比分析可知：當(dāng)錨索數(shù)量增加時(shí)，對(duì)前排樁的影響較為明顯，限制了樁身的水平位移，使得最大位移位置的位移量減小，這時(shí)前排樁通過拉梁冠梁傳遞給后排樁的拉力也相應(yīng)的減小，使得后排樁的樁頂位移也隨之減小，增加了整個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。但在支護(hù)施工時(shí)，多加一道錨索將會(huì)大大增加工程的造價(jià)，故在滿足支護(hù)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性時(shí)，不建議大批量增加錨索的使用量。若是遇到支護(hù)結(jié)構(gòu)局部變形過大時(shí)，可適當(dāng)考慮施加錨索，約束樁身位移，限制基坑的變形。

4 結(jié)語(yǔ)

該文通過大型有限差分軟件FLAC3D對(duì)樁-錨復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行多要素敏感性三維數(shù)值仿真分析，得到排樁間距、排樁規(guī)格、樁間土體剛度、錨桿（間距）等支護(hù)參數(shù)對(duì)擋土墻變形的影響規(guī)律，得到主要結(jié)論：

（1）樁徑在一定范圍內(nèi)增加時(shí)，可以明顯控制基坑樁身位移，改善了支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度，前后排樁的水平位移明顯減小，效果很明顯；

（2）當(dāng)土體剛度較小時(shí)，若對(duì)土體加固，將會(huì)產(chǎn)生很明顯的支護(hù)效果，基坑樁身水平位移明顯減小，當(dāng)排樁間土體剛度達(dá)到一定程度后，再增大樁間土的剛度基坑支護(hù)效果不是很明顯。

（3）當(dāng)錨索數(shù)量增加時(shí)，對(duì)前排樁的影響較為明顯，限制了樁身的水平位移，使得最大位移位置的位移量減小，這時(shí)前排樁通過拉梁冠梁傳遞給后排樁的拉力也相應(yīng)的減小，使得后排樁的樁頂位移也隨之減小，增加了整個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉維雙，宋建.基于FLAC3D的深基坑樁錨支護(hù)參數(shù)優(yōu)化分析[J].建筑設(shè)計(jì)管理，2012（7）：74-76.

[2] 閆綱麗，王斌.基于FLAC3D的深基坑樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)分析[J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2012（S）：82-85.

[3] 劉繼國(guó)，曾亞武.FLAC3D在深基坑開挖與支護(hù)數(shù)值模擬中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，27（3）：505-508.

[4] 丁永春，王建華.基于FLAC3D的基坑開挖與支護(hù)三維數(shù)值分析[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，43（6）：978—980.

[5] 趙菲，周冰，王渭明，等.深基坑樁錨支護(hù)變形模擬分析[J].山東科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，32（6）：34-38.

[6] 李明瑛，曾朋.基于MIDAS深基坑樁錨支護(hù)數(shù)值模擬分析[J].水土保持研究，2012（1）：250-253.

[7] 唐徐林.深基坑樁錨支護(hù)的受力與變形研究[J].科技與企業(yè)，2013（23）：209-209，211.endprint

從圖7分析可知，y為支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大水平位移，x代表樁間土體剛度，當(dāng)土體剛度較小時(shí)，若對(duì)土體加固，將會(huì)產(chǎn)生很明顯的支護(hù)效果，基坑樁身水平位移明顯減小，當(dāng)排樁間的土體剛度達(dá)到一定程度后，再增大樁間土的剛度基坑支護(hù)效果不是很明顯。故適當(dāng)?shù)脑黾訕堕g土的剛度將有效的減小樁身水平位移。

3.4 錨索（桿）間距分析

現(xiàn)假設(shè)兩樁間錨索數(shù)量為2，1.5，1，0.5，即兩排錨索并一樁一錨，兩排錨索上排兩樁一錨、下排一樁一錨（兩排錨索上下間距1m），單排錨索一樁一錨，單排錨索兩樁一錨。所得到的樁身水平位移情況如圖8和圖9所示。

通過圖8和圖9的對(duì)比分析可知：當(dāng)錨索數(shù)量增加時(shí)，對(duì)前排樁的影響較為明顯，限制了樁身的水平位移，使得最大位移位置的位移量減小，這時(shí)前排樁通過拉梁冠梁傳遞給后排樁的拉力也相應(yīng)的減小，使得后排樁的樁頂位移也隨之減小，增加了整個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。但在支護(hù)施工時(shí)，多加一道錨索將會(huì)大大增加工程的造價(jià)，故在滿足支護(hù)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性時(shí)，不建議大批量增加錨索的使用量。若是遇到支護(hù)結(jié)構(gòu)局部變形過大時(shí)，可適當(dāng)考慮施加錨索，約束樁身位移，限制基坑的變形。

4 結(jié)語(yǔ)

該文通過大型有限差分軟件FLAC3D對(duì)樁-錨復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行多要素敏感性三維數(shù)值仿真分析，得到排樁間距、排樁規(guī)格、樁間土體剛度、錨桿（間距）等支護(hù)參數(shù)對(duì)擋土墻變形的影響規(guī)律，得到主要結(jié)論：

（1）樁徑在一定范圍內(nèi)增加時(shí)，可以明顯控制基坑樁身位移，改善了支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度，前后排樁的水平位移明顯減小，效果很明顯；

（2）當(dāng)土體剛度較小時(shí)，若對(duì)土體加固，將會(huì)產(chǎn)生很明顯的支護(hù)效果，基坑樁身水平位移明顯減小，當(dāng)排樁間土體剛度達(dá)到一定程度后，再增大樁間土的剛度基坑支護(hù)效果不是很明顯。

（3）當(dāng)錨索數(shù)量增加時(shí)，對(duì)前排樁的影響較為明顯，限制了樁身的水平位移，使得最大位移位置的位移量減小，這時(shí)前排樁通過拉梁冠梁傳遞給后排樁的拉力也相應(yīng)的減小，使得后排樁的樁頂位移也隨之減小，增加了整個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉維雙，宋建.基于FLAC3D的深基坑樁錨支護(hù)參數(shù)優(yōu)化分析[J].建筑設(shè)計(jì)管理，2012（7）：74-76.

[2] 閆綱麗，王斌.基于FLAC3D的深基坑樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)分析[J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2012（S）：82-85.

[3] 劉繼國(guó)，曾亞武.FLAC3D在深基坑開挖與支護(hù)數(shù)值模擬中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，27（3）：505-508.

[4] 丁永春，王建華.基于FLAC3D的基坑開挖與支護(hù)三維數(shù)值分析[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，43（6）：978—980.

[5] 趙菲，周冰，王渭明，等.深基坑樁錨支護(hù)變形模擬分析[J].山東科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，32（6）：34-38.

[6] 李明瑛，曾朋.基于MIDAS深基坑樁錨支護(hù)數(shù)值模擬分析[J].水土保持研究，2012（1）：250-253.

[7] 唐徐林.深基坑樁錨支護(hù)的受力與變形研究[J].科技與企業(yè)，2013（23）：209-209，211.endprint