基于數(shù)值模擬的樁錨基坑基底隆起分析

胡 偉，胡威旺

(湖北工業(yè)大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，湖北 武漢 430068)

基于數(shù)值模擬的樁錨基坑基底隆起分析

胡 偉，胡威旺

(湖北工業(yè)大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，湖北 武漢 430068)

以深圳北站樞紐工程新區(qū)大道改造工程樁錨基坑為背景，對(duì)K0+760斷面進(jìn)行有限元數(shù)值模擬計(jì)算，并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。分析結(jié)果顯示：MIDAS-GTS運(yùn)用于實(shí)際工程分析是可行的，具有較高的準(zhǔn)確性；基底端部距樁2 m處出現(xiàn)最大隆起量，且隨著基坑深度發(fā)展急劇增大；基底中部隆起量呈線性增大。在基底端部距樁2 m處增設(shè)限位樁能有效減小基底最大隆起量，限位樁加設(shè)在基底中心對(duì)基底隆起無(wú)明顯影響。

數(shù)值模擬； 樁錨基坑； 基底隆起； 限位樁

樁錨支護(hù)作為基坑工程的重要形式之一，于20世紀(jì)80年代開(kāi)始發(fā)展應(yīng)用起來(lái)[1-3]。樁錨支護(hù)的受力形式較為復(fù)雜，作為樁與錨桿的組合式支護(hù)結(jié)構(gòu)，涉及工程領(lǐng)域的各個(gè)學(xué)科。針對(duì)于基底隆起，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者都已進(jìn)行過(guò)大量研究，如：Blackburn[4]等、Wang[5]等根據(jù)大量工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，提出計(jì)算基坑變形的估算法；劉興旺等[6-7]對(duì)基坑全過(guò)程的內(nèi)力和變形進(jìn)行了深入研究；李平等[8]歸納了基底隆起研究現(xiàn)狀，分析了基底隆起的原因和計(jì)算方法。本文從實(shí)際工程案例出發(fā)，建立樁錨基坑的數(shù)值模擬模型，分析了施工過(guò)程中基底土體隆起的變化規(guī)律，并基此提出了一種新的防基底隆起預(yù)防措施。

1 基底隆起機(jī)理分析

基底隆起是指基坑底部的土體的平衡被打破而產(chǎn)生向上的位移，其與地表沉降是反方向的。 基底隆起大致有兩種： 一種是基坑開(kāi)挖造成基底以上的土體卸載而打破基底以下土體原有的平衡，另一種是基底地下水壓力過(guò)大而基底土體向上涌動(dòng)，本文研究的是第一種隆起。 樁錨基坑基底隆起機(jī)理是： 基底與樁接觸面因基底以上土體卸載而產(chǎn)生擠壓，基坑邊坡向基坑內(nèi)滑移產(chǎn)生滑移力，基底土體的抗擊壓力，同時(shí)樁土共同向基坑內(nèi)側(cè)產(chǎn)生水平位移，基底土體在土壓力擠壓和位移共同作用下向上隆起(圖1)。

1-土體抗擠壓力;2-滑移力;3-土壓力;4-樁土位移

2 建立模型

本文的數(shù)值模擬以MIDAS-GTS有限元分析軟件和深圳北站交通樞紐工程新區(qū)大道改造工程基坑實(shí)例為依托。MIDAS-GTS的可靠性和計(jì)算精度在國(guó)際巖土力學(xué)和工程領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用和認(rèn)可，蘇通大橋、迪拜塔及北京奧運(yùn)會(huì)體育場(chǎng)館等都是MIDAS-GTS的工程實(shí)踐認(rèn)證[9]。

2.1 工程簡(jiǎn)介

深圳北站交通樞紐工程新區(qū)大道改造工程共設(shè)兩條隧道，隧道左右線設(shè)計(jì)總長(zhǎng)各1 181.587 m、1 188.371 m，其中封閉端長(zhǎng)度為795雙線米，U型槽段長(zhǎng)230 m，擋土墻段長(zhǎng)319.958 m。本工程隧道采用明挖法施工，基坑寬度為31.46～42.7 m，基坑開(kāi)挖深度6.2～26.15 m。

2.2 工程實(shí)例簡(jiǎn)化及建模參數(shù)

由于本工程跨越線路較長(zhǎng)，鑒于本文的研究對(duì)象和目的，選取K0+760斷面為代表進(jìn)行數(shù)值模擬。K0+760斷面有三級(jí)邊坡，一級(jí)邊坡為自然放坡，二級(jí)邊坡為土釘支護(hù)，三級(jí)邊坡為樁錨支護(hù)。本文的研究對(duì)象為樁錨基坑，即為建模方便，需對(duì)基坑作簡(jiǎn)化處理：將基坑的一二級(jí)邊坡隱去，轉(zhuǎn)化為邊坡超載，簡(jiǎn)化后的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。其中錨桿設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1?；油翆臃植技坝?jì)算參數(shù)見(jiàn)表2。

圖 2 K0+760斷面簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)示意圖

表1 錨桿設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 土層分布及計(jì)算參數(shù)

2.3 建模過(guò)程及結(jié)果分析

選取K0+760斷面建立基坑開(kāi)挖二維模型。所選擇的網(wǎng)格為四邊形，大小為1；土體為平面應(yīng)力單元，基于摩爾—庫(kù)倫模型；錨桿及樁為一元單元，錨桿為線彈性植入式桁架，樁設(shè)定為線彈性梁?jiǎn)卧?。模型為左右?duì)稱(chēng)的全斷面模型，模型左、右、下均作限位處理。施工過(guò)程按圖2設(shè)定：分7層開(kāi)挖，每次開(kāi)挖深度約為2 m，錨桿3層，共11個(gè)施工階段(含0階段)。模型建立結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖 3 基坑開(kāi)挖模型

經(jīng)過(guò)計(jì)算，生成基坑豎向位移DY位移云圖，圖4是第11施工階段，即基坑第7層開(kāi)挖完成后的豎向位移云圖，基底土體均為隆起，且最大隆起位置靠近基底兩側(cè)。為了更加直觀地了解基底隆起及其變化，根據(jù)11個(gè)施工階段的基底DY數(shù)據(jù)，繪制成曲線(圖5、6)。

圖5、6顯示：

1)基底最大隆起發(fā)生在距離基底中心線20m處，距離樁邊距離為2m，為基底薄弱點(diǎn)；

2)隨著基坑開(kāi)挖深度的發(fā)展，基底端部約2m處隆起量在第8施工階段(施工第三道錨桿后)急劇增大，具有危險(xiǎn)態(tài)勢(shì)；

3)基底中心隆起量趨近線性增大，樁與基底相交處隆起量變化較?。?/p>

4)基底的最大隆起量為0.228m，基底中心的隆起量為0.135m，最大隆起量約為基底中心的1.77倍；

5)實(shí)測(cè)基底端部隆起量為0.192m，實(shí)測(cè)基底中心隆起量為0.118m，模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)接近；

6)圖6中的基底端部實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與基底端部模擬曲線較為吻合，這說(shuō)明MIDAS-GTS運(yùn)用于實(shí)際工程是可行的，也反映出本模型建模過(guò)程及計(jì)算參數(shù)的選取是正確的。

圖 4 第七次開(kāi)挖DY云圖

圖 5 各施工階段基底隆起曲線

圖 6 基底中端部對(duì)比及與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比曲線

3 基底防隆起分析

從上面的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果可知，基底最大隆起量位于基底端部距樁2m處，本文擬在基底距樁2m處及基底中心各增設(shè)一根同邊坡圍護(hù)樁直徑的限位樁，樁長(zhǎng)為3m，其他參數(shù)不變。在模型中增設(shè)限位樁后進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算后得出新的第10施工階段DY云圖(圖7)，基底隆起較圖4更為均勻。將第10施工階段的計(jì)算數(shù)據(jù)整理后繪制成曲線(圖8)，增設(shè)限位樁后基底端部的最大隆起量?jī)H為0.160m，隆起量較未設(shè)限位樁減小約30%，基底中部的隆起量為0.135m，可見(jiàn)限位樁的補(bǔ)設(shè)有效地減小了基底端部的隆起量，對(duì)基底中心的隆起量無(wú)影響。

圖 7 增設(shè)限位樁后第七次開(kāi)挖DY云圖

圖 8 第七次開(kāi)挖后基底隆起對(duì)比曲線

4 結(jié)論

1)本文樁錨基坑的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較為吻合，證明了MIDAS-GTS運(yùn)用于實(shí)際工程分析是可行的，具有較高的準(zhǔn)確性；

2)本樁錨基坑的最大隆起量發(fā)生在距離樁邊2m處，最大隆起量約為基底中心的1.77倍；隨著基坑深度的不斷發(fā)展，基底中心隆起量呈線性增大，距離樁邊2m處基底隆起量在第三道錨桿施工后急劇增大，呈現(xiàn)危險(xiǎn)態(tài)勢(shì)；

3)在基底端部2m處增設(shè)限位樁能有效減小基底端部的隆起量，減小量約為30%；但在基底中心增設(shè)限位樁對(duì)于基底中心的隆起無(wú)影響。此防基底隆起方式，可供類(lèi)似工程的設(shè)計(jì)和施工參考使用。

[1]DanzigerFAB,DanzigerBR,PachecoMP．Thesimultaneoususeofpilesandprestressedanchorsinfoundationdesign[J]．EngineeringGeology,2006，87(3/4)：163-177．

[2]CharlesAubeny,DonaldMurffJ．Simplifiedlimitsolutionsforthecapacityofsuctionanchorsunderundrainedconditions[J]．OceanEngineering，2005，32(07)：864-877．

[3]NarasimhaRaoS，HemaLathaK,PallaviB，etal．Studiesonpulloutcapacityofanchorsinmarineclaysformooringsystems[J]．AppliedOceanResearch，2006，28(02)：103-111．

[4]BlackburnJT，F(xiàn)innoRJ．Three—dimensionalresponsesobservedinaninternallybracedexcavationinsoftclay[J]．JournalofGeotechnicalandGeoenvironmentalEngineering，2007 133(11)：1364-1373．

[5]WangJH，XuZH，WangWD．WallandgroundmovementsduetodeepexcavationsinShanghaisoftsoils[J]．JournalofGeotechnicalandGeoenvironmentalEngineeringASCE，2010，136(07)：985-994．

[6] 劉興旺，施祖元，益德清，等．軟土地區(qū)基坑開(kāi)挖變形性狀研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，1999，21(04)：456-460．

[7] 劉興旺，施祖元，益德清，等．基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)全過(guò)程內(nèi)力及變形分析[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，1998，19(05)：58-64．

[8] 岳猛.預(yù)應(yīng)力錨索復(fù)合土釘支護(hù)數(shù)值模擬與工程對(duì)比[D]．太原：太原理工大學(xué)，2010.

[9] 李 平，楊 挺，王 義，等．基坑工程隆起變形研究綜述[J]．河海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010，38(02)：196-201．

[責(zé)任編校： 張巖芳]

Analysis of Pile Anchor Foundation Pit Basement Uplift based on Numerical Simulation

HU Wei, HU Weiwang

(SchoolofCivilEngin.andArchitecture,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China)

Based on the background of Shenzhen north station hub projects of the new district road reconstruction project of pile anchor foundation pit, this paper conducted the finite element numerical simulation on the K0+740 section, and compared the simulation data with the measured data. The analysis results showed that: application of IDAS-GTS to the actual project analysis is feasible and has a high accuracy; the maximum uplift capacity basement from the end of the pile 2m, and with the depth of foundation pit development increases rapidly; basal central uplift amount increases linearly; adding spacing pile can effectively reduce the basal maximum uplift capacity in the place which is 2m away from the basal end; the limiting substrate center has no obvious effect on the basement uplift.

numerical simulation, pile anchor foundation pit, basement uplift, spacing pile

2015-03-10

胡 偉(1984-)，男，湖北荊州人，湖北工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)樯罨永碚?/p>

1003-4684(2015)04-0047-04

TV551.4

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