樁錨支護(hù)條件下深基坑穩(wěn)定性分析

趙法亮 彭紅艷 紀(jì)穎波

摘 要樁錨支護(hù)是一種比較成熟的基坑支護(hù)方法，可以提高基坑的整體穩(wěn)定性及安全性。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，水平位移對支護(hù)結(jié)構(gòu)和周圍環(huán)境的危害要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于豎向位移，支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移自上而下呈遞減趨勢，位移大小直接關(guān)系到基坑周圍土體沉降量，基坑周圍地表沉降呈現(xiàn)拋物線分布。

關(guān)鍵字 樁錨支護(hù)基坑 位移 分析

中圖分類號：TB21文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）08（c）-0000-00

0 引言

隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)的推進(jìn)，地下空間的開發(fā)利用越來越得到注重，在建筑物密集的市區(qū)內(nèi)，基坑開挖深度將更深。深基坑在開挖過程中一是要考慮自身的安全，二是減少開挖過程對周邊環(huán)境的影響，確保周圍建筑、交通線的正常使用以及地下管線的安全[1]。樁錨支護(hù)因為其自身特點在深基坑支護(hù)中得到大量應(yīng)用。本文對樁錨支護(hù)方案下的基坑變形及基坑底部土體隆起情況做了分析。

1 工程概況

該工程位于舊城區(qū)，處于居民區(qū)中，空間狹小，周邊道路狹窄，人員密集，邊界條件較為復(fù)雜。該項目擬建地下兩層，地上二層的住宅，基礎(chǔ)埋深12.36m，局部13.36m和13.86m。

勘察報告將勘探深度（最大深度26.00m）范圍內(nèi)的土層劃分為兩大類：人工堆積層和第四紀(jì)沉積層，并根據(jù)各土層巖性及工程性指標(biāo)進(jìn)一步劃分為6層。

2 樁錨支護(hù)

樁錨支護(hù)是一種應(yīng)用廣泛的基坑支護(hù)方法，一般在基坑四周設(shè)置鋼筋砼灌注樁，用連梁連接各樁頂，隨基坑深度變化，在樁間土處施加不同數(shù)目的預(yù)應(yīng)力錨桿，增強(qiáng)基坑的邊坡穩(wěn)定性及安全性。

2.1支護(hù)方案設(shè)計

本方案采用直徑600mm的鋼筋砼護(hù)坡樁，中心距1200mm，為了減少坡頂位移和施工便利，樁頂全部位于自然地面下300mm處。根據(jù)基坑不同邊界條件，選取三個剖面進(jìn)行支護(hù)方案設(shè)計并選取相應(yīng)的支護(hù)參數(shù)。

2.2支護(hù)結(jié)構(gòu)驗算

基坑整體安全及抗傾覆穩(wěn)定性驗算：

1）整體穩(wěn)定性驗算選用圓弧法[2]，其中土條寬度為0.4m；安全系數(shù)由式1得出。

式中W為支護(hù)結(jié)構(gòu)自重， 為主動土壓力的水平分力， 為主動土壓力的豎向分力，a、b、h分別為W、 、 對O點的力臂，如圖2所示。

3 數(shù)值模擬

3.1 有限元模型的建立

根據(jù)樁錨支護(hù)設(shè)計參數(shù)，建立有限元模型。模型網(wǎng)格見圖3。采用嵌入實體的方式以模型節(jié)點耦合，利用實體生成模型，在建筑物與土體或土體與開挖面的接觸面輸入嵌入實體的指令。在進(jìn)行數(shù)值分析前，應(yīng)當(dāng)檢查所劃分網(wǎng)格的自由面，模型內(nèi)部嚴(yán)禁自由面的存在。

在本方案涉及的3種剖面類型中，僅分析最不利于安全的剖面，支護(hù)結(jié)構(gòu)模型見圖4。通過定義激活及鈍化單元來模擬基坑的分步（四步）開挖及支護(hù)結(jié)構(gòu)，確?；娱_挖工況于實際施工一致，保證分析結(jié)果的正確性。

3.2數(shù)值模擬結(jié)果

3.2.1水平位移

支護(hù)結(jié)構(gòu)變形分為水平位移和沉降，而水平位移對支護(hù)結(jié)構(gòu)和周圍環(huán)境的安全性的影響占據(jù)主導(dǎo)，本文只關(guān)注水平方向位移的影響。支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的大小直接影響基坑周圍土體沉降量。沿著基坑壁每隔1m距離依次向下取15個節(jié)點，繪制出樁錨支護(hù)水平位移曲線如圖5所示。

本模型設(shè)置開挖工況時，在開挖二層土體后對第一道錨桿施加預(yù)應(yīng)力，比較錨桿施加預(yù)應(yīng)力前后支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的變化規(guī)律，從圖6中可以發(fā)現(xiàn)，未施加預(yù)應(yīng)力時，護(hù)坡樁處于懸臂狀態(tài)，樁身水平位移沿樁軸方向下減小。施加預(yù)應(yīng)力后，樁身位移減小趨勢更為明顯。由此可見錨桿施加預(yù)應(yīng)力后，可以有效控制基坑沿水平方向的變形。

3.2.2周圍土體沉降

基坑開挖過程中，由于土體開挖卸荷，基坑周圍土體會發(fā)生塑性運動，分別向基坑內(nèi)部和底部運動，這是造成基坑周圍地表沉降的主要原因。支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移量也會對沉降量產(chǎn)生影響。最終開挖工況下豎向位移色譜圖如圖7所示。自基坑邊緣向外的同一直線上每隔3m依次取9個節(jié)點，繪制出本支護(hù)形式沉降曲線如圖8所示。

圖7最終開挖工況下豎向位移圖圖8 不同開挖工況下基坑周圍沉降位移曲線

3.2.3基坑底部土體隆起分析

基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)底部土體卸載表現(xiàn)為基坑底部隆起[3]。由于開挖造成的土體卸荷、支護(hù)結(jié)構(gòu)自重影響以及地面超載的作用下，基坑底部土體向坑內(nèi)移動，造成底部隆起的現(xiàn)象。沿基底以7m為單位依次取3個點進(jìn)行變形分析，如下圖9所示。

圖9 樁錨支護(hù)不同開挖工況下坑底隆起變形曲線

4 結(jié)論

由以上分析可以得出以下結(jié)論：

1）支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移從地表到坑底呈現(xiàn)逐漸減小規(guī)律。在開挖基坑內(nèi)土體時，由于卸荷作用，開挖側(cè)土體對護(hù)坡樁樁體的土壓力隨之降低，開挖深度范圍內(nèi)支護(hù)側(cè)土體向基坑內(nèi)移動，使得開挖面下部土體產(chǎn)生負(fù)位移。由于樁體嵌固深度的作用，負(fù)位移出現(xiàn)在開挖深度以下0～2m范圍內(nèi)。

2）隨著開挖深度的加深，基坑坑壁的水平位移也逐漸增大。當(dāng)開挖完成后，護(hù)坡樁的樁身水平位移達(dá)到最大值，為10.1mm，發(fā)生在-3m位置處。

3）基坑周圍地表沉降呈現(xiàn)拋物線分布，其變形量具有先增大后減小最后歸于零的規(guī)律。周圍地表沉降的影響范圍隨著基坑開挖深度的加深有擴(kuò)大的趨勢，同時地表沉降量也隨之增大。本工程基坑最大沉降量為15.6mm，發(fā)生在距離基坑13.4m遠(yuǎn)處。

4）基坑底部土體隆起量與基坑開挖深度成正比關(guān)系，且在基底開挖面中央?yún)^(qū)域出現(xiàn)最大隆起。這種現(xiàn)象的主要是由兩個方面引起，一是支護(hù)結(jié)構(gòu)的彈性模量較土體較大，基坑底部的土體要承受支護(hù)結(jié)構(gòu)變形引起的作用力，呈現(xiàn)坑底隆起；二是水平應(yīng)力的存在，當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)底部的土體向上運動時將會產(chǎn)生負(fù)摩擦力，呈現(xiàn)坑壁周圍土體的隆起量小于基坑中部。

參考文獻(xiàn)：

[1]曹洋. 分層降水開挖對基坑周邊環(huán)境變形影響分析[D].黑龍江科技學(xué)院碩士論文，2010

[2]陳希哲.土力學(xué)地基基礎(chǔ)（第4版）[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.4：218～236

[3]尹曉.基坑開挖對鄰近砌體結(jié)構(gòu)房屋的影響分析和保護(hù)研究[D].同濟(jì)大學(xué)碩士論文，2006