深基坑在土釘墻和樁錨聯(lián)合支護(hù)條件下支護(hù)結(jié)構(gòu)受力分析

程 巖 黃志全 高 穩(wěn)

(1.中國(guó)建筑科學(xué)研究院 科技處，北京 100013； 2.華北水利水電大學(xué)，鄭州 450045)

深基坑在土釘墻和樁錨聯(lián)合支護(hù)條件下支護(hù)結(jié)構(gòu)受力分析

程 巖1黃志全2高 穩(wěn)1

(1.中國(guó)建筑科學(xué)研究院 科技處，北京 100013； 2.華北水利水電大學(xué)，鄭州 450045)

本文通過(guò)數(shù)值計(jì)算得出土釘和錨桿所受內(nèi)力呈“棗核”狀或拋物線(xiàn)狀分布，每排土釘軸力最大值自上往下逐漸向面層方向偏移。隨著開(kāi)挖深度的增加，受拉土釘?shù)妮S向拉力增大，而對(duì)于錨桿開(kāi)始在自由段施加預(yù)應(yīng)力，隨著開(kāi)挖深度的增加其軸力也在不斷的增大，在土釘(錨桿)的末端軸力幾乎為零，開(kāi)挖過(guò)程中樁的軸力和剪力都在逐漸增大，樁身的最大剪力逐漸向下移動(dòng)，上半部分樁的彎矩由小逐漸變大，而在下半部分，基坑底向下1m的范圍內(nèi)，彎矩值逐漸減小的支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布規(guī)律。

深基坑；數(shù)值模擬；支護(hù)結(jié)構(gòu)；土釘；錨桿；樁

引言

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，城市人口劇增，城市的橫向發(fā)展空間越來(lái)越少，迫切要求城市建筑朝縱向空間發(fā)展，這就促使我國(guó)高層建筑業(yè)的蓬勃發(fā)展。建筑高度不斷增加促使基坑深度也隨之相應(yīng)地加深，這就對(duì)基坑支護(hù)技術(shù)提出了更高的要求。基坑支護(hù)尤其是深基坑支護(hù)的形式多種多樣，常用的如大坡度放坡簡(jiǎn)易支護(hù)、土釘墻支護(hù)、錨桿復(fù)合土釘墻支護(hù)、樁錨聯(lián)合支護(hù)、排樁內(nèi)支撐聯(lián)合支護(hù)等，各種支護(hù)形式均有其適用條件，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件、地層情況、施工空間要求、經(jīng)濟(jì)性等因素進(jìn)行綜合選擇，如采用內(nèi)支撐的排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)占用基坑內(nèi)面積較大因而對(duì)基礎(chǔ)施工進(jìn)度的影響較大，故基坑空間狹小的工程就不能采用此種支護(hù)形式。深基坑工程是巖土工程的熱點(diǎn)問(wèn)題，支護(hù)技術(shù)也成為亟待解決的問(wèn)題。本文以土釘墻和樁錨聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，采用FLAC3D數(shù)值模擬分析的方法，重點(diǎn)研究了土釘、護(hù)坡樁和錨桿等支護(hù)單元的受力規(guī)律，為該類(lèi)支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)[1-3]。

1 工程概況

該工程位于新鄉(xiāng)市平原路與勝利路交叉口的東南角，建筑平面設(shè)計(jì)似倒“品”狀，占地總面積5 047m2，建筑總面積9.3萬(wàn)m2，擬設(shè)三棟29層點(diǎn)式高層建筑構(gòu)成倒“品”狀排列，地下兩層，基礎(chǔ)埋深為自然地面下12m，地上總高98m。地下土層第1層：雜填土；第2層：粉質(zhì)粘土；第3層：粉土；第4層：粉砂；第5層：細(xì)中砂；第6層：中砂。地下水位埋深5.7m左右，穩(wěn)定水位埋深5.5m左右。水位年變幅2.0m左右，各土層參數(shù)如表1。

表1 各土層參數(shù)

基坑支護(hù)形式：自然地面以下5m范圍內(nèi)，按1：0.2放坡，采用土釘墻支護(hù)，上下和左右間距均為1.5m，土釘?shù)牟贾谜⒚嫒鐖D1所示；基坑自然地面以下5-12m范圍內(nèi)，采用樁錨聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)支護(hù)，錨桿的布置正立面如圖2所示。護(hù)坡樁采用鉆孔灌注樁，樁徑為600mm，樁中心距1 000mm，樁長(zhǎng)為17m，樁頂以下設(shè)兩排預(yù)應(yīng)力錨桿，上下和左右間距均為2.0m，采用2根1860級(jí)(7ф5)鋼絞線(xiàn)作為預(yù)應(yīng)力筋，基坑支護(hù)剖面布置情況如圖3所示。

圖1 5m以上土釘坡面正立面圖

圖2 5m以下錨桿坡面正立面圖

圖3 基坑剖面圖

2 支護(hù)結(jié)構(gòu)受力情況分析

2.1 基本假定

為了便于建立分析模型，結(jié)合本工程的實(shí)際支護(hù)情況，做如下假定：

(1)土釘(錨桿)支護(hù)結(jié)構(gòu)是平面應(yīng)變問(wèn)題；

(2)土釘(錨桿)與土體作用的錨固力由土體位移產(chǎn)生，若土體沒(méi)有位移，土釘(錨桿)不受力；

(3)模擬的過(guò)程中，不考慮地下水影響，認(rèn)為地下水位已滿(mǎn)足要求(降水至開(kāi)挖面以下)；

(4)不考慮土釘(錨桿)的橫向抗剪作用；

(5)土釘(錨桿)與周?chē)馏w完全粘結(jié)，滿(mǎn)足變形相容條件。

(6)鋼筋和漿體為理想彈性體，周?chē)馏w理想彈塑性體，服從摩爾一庫(kù)侖強(qiáng)度屈服準(zhǔn)則；

(7)在開(kāi)挖前，土體在自重狀態(tài)下固結(jié)，開(kāi)挖以前土體原位應(yīng)力和性狀的改變不予考慮；

(8)樁與周?chē)馏w完全粘結(jié)，滿(mǎn)足變形相容條件；

(9)樁與冠梁是理想彈性體，周?chē)馏w為理想彈塑性體，服從摩爾一庫(kù)侖強(qiáng)度屈服準(zhǔn)則。

2.2 模型的建立

深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)中的計(jì)算采用的是Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則。在消除邊界效應(yīng)的原則下，充分考慮深基坑的具體形態(tài)特征、客觀的工程水文地質(zhì)條件和支護(hù)結(jié)構(gòu)影響范圍的情況下，建立計(jì)算模型。該模型的坐標(biāo)系采用空間直角坐標(biāo)系，xoy平面取為水平面，z軸為鉛直方向。坐標(biāo)系原點(diǎn)取在模型基底部，基坑底部開(kāi)挖面邊緣的正下方。邊界條件的設(shè)置采用模型周邊側(cè)向約束，不允許水平方向位移，底面約束允許鉛直方向變形，底面采用固定支座，四面采用可動(dòng)支座。計(jì)算的影響范圍垂直方向取為基坑開(kāi)挖深度的2.5倍，水平向取為基坑開(kāi)挖深度的4.2倍[4]。

本文利用FLAC3D建立分析模型，結(jié)合該工程的實(shí)際支護(hù)情況，模型的開(kāi)挖分成6個(gè)步進(jìn)行，本模型長(zhǎng)50m、高30m、寬2m，開(kāi)挖深度為12m；六步開(kāi)挖分別為：第一步開(kāi)挖2.0m，第二步開(kāi)挖1.5m，第三步開(kāi)挖1.5m，第四步開(kāi)挖2.0m，第五步開(kāi)挖2.0m，第六步開(kāi)挖3.0m。土釘水平間距1.5m，第一排位于1.5m深處，垂直間距1.5m，第三排土釘距坑底7.5m，鉆孔直徑0.10m，第一排土釘長(zhǎng)8m，第二排第三排土釘長(zhǎng)均9.0m，傾角10°。護(hù)坡樁樁長(zhǎng)17m。錨桿水平間距2.0m，第一排位于6.5m深處，垂直間距2.0m，第二排錨桿距坑底3.5m，鉆孔直徑0.15m，第一排錨桿長(zhǎng)29m，第二排錨桿長(zhǎng)31m，傾角15°，開(kāi)挖支護(hù)后的模型如圖4。

圖4 三維模型和結(jié)構(gòu)單元模型

模型由3 000個(gè)單元組成，模型采用摩爾-庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則，并假設(shè)其為大變形，因?yàn)榇笞冃卫碚撚?jì)算結(jié)果比小變形理論計(jì)算更精確[5-7]。結(jié)構(gòu)單元認(rèn)為是理想彈性體。

2.3 土釘和錨桿的內(nèi)力分析

對(duì)在同一開(kāi)挖深度不同土釘(錨桿)的內(nèi)力分析：

(1)當(dāng)土釘置入土體后，如果土體不變形土釘就不會(huì)受力。土體中土釘主要承受拉力，模擬得出的拉力呈兩頭小中間大的棗核形或拋物線(xiàn)狀分布(圖5，圖7)，每排土釘?shù)妮S力值如圖6和圖8所示。

(2)圖5是開(kāi)挖第二步時(shí)土釘?shù)妮S力分布曲線(xiàn)，此時(shí)第一根土釘?shù)妮S力比第二根土釘?shù)妮S力大。最大值約10N，且土釘?shù)哪┒溯S力值基本為零，說(shuō)明土釘在開(kāi)挖至第三步時(shí)還沒(méi)有完全發(fā)揮其作用。

(3)圖7是開(kāi)挖第三步時(shí)每排土釘?shù)氖芰Γ蓤D可看出中間一排土釘軸力較大，第一排和最后一排土釘軸力較小，土釘兩端的軸力值基本上為零或很小。

圖5 開(kāi)挖第二步土釘軸力圖

(4)模擬結(jié)果中每排土釘軸力最大值自上往下逐漸向面層方向偏移，第一排土釘有所差異(圖7)。第一排土釘?shù)淖畲笾到咏悬c(diǎn)靠左位置，最后一排大約在土釘長(zhǎng)度的1/3處。各排土釘中第二排軸力最大，約為14kN，符合《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》的要求[8]。根據(jù)文獻(xiàn)[9-10]的研究，在加筋區(qū)的較上部分，最大土釘應(yīng)力一般出現(xiàn)在土釘?shù)闹卸位蚪咏虚g點(diǎn)的面層邊。在加筋區(qū)的下部，最大拉力點(diǎn)較接近于移向土釘墻開(kāi)挖面。

圖6 開(kāi)挖第二步土釘軸力分布曲線(xiàn)

圖7 開(kāi)挖第三步土釘軸力圖

圖8 開(kāi)挖第三步土釘軸力分布曲線(xiàn)

圖9 開(kāi)挖第四步錨桿軸力圖

(5)土體中預(yù)應(yīng)力錨桿主要承受拉力，模擬得出的拉力呈兩頭小中間大的棗核形或拋物線(xiàn)狀分布(圖9,11)，每排錨桿的軸力值如圖10和圖12所示。模擬結(jié)果中每排錨桿軸力最大值自上往下逐漸向面層方向偏移，圖9顯示第四步開(kāi)挖時(shí)第一排錨桿的最大值接近中點(diǎn)靠左位置，且錨桿的末端軸力值基本為零，說(shuō)明土釘在開(kāi)挖至第四步時(shí)還沒(méi)有完全發(fā)揮其作用。各排錨桿中第一排軸力最大，約為300kN，符合《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》的要求[8]。圖11反映在第六步開(kāi)挖基坑穩(wěn)定時(shí)錨桿受軸力分布也具有中間大兩端小的特點(diǎn)，且錨桿得到充分利用，說(shuō)明設(shè)計(jì)錨桿參數(shù)是合理的，基坑穩(wěn)定。

(6)各排土釘(錨桿)軸力最大點(diǎn)的連線(xiàn)，就是邊坡最小安全系數(shù)的滑動(dòng)面，即基坑的潛在滑動(dòng)面。

圖11 開(kāi)挖第六步錨桿軸力圖

圖12 開(kāi)挖第六步錨桿軸力分布曲線(xiàn)

對(duì)不同開(kāi)挖深度同一排土釘(錨桿)的內(nèi)力分析：

(1)圖13是第一排土釘在每步開(kāi)挖支護(hù)后的土釘軸力分布曲線(xiàn)，可看出隨著開(kāi)挖深度的增加土釘?shù)妮S力逐漸變大。第一步開(kāi)挖后最大軸力約為6.3kN，開(kāi)挖第四步時(shí)最大軸力約為13.5kN。

(2)圖14是第二排土釘在第二步至第四步開(kāi)挖支護(hù)后的土釘軸力分布曲線(xiàn)，圖中顯示隨著開(kāi)挖深度的增加，土釘?shù)妮S力也是逐漸增大，第二步開(kāi)挖時(shí)約為5kN，開(kāi)挖第四步時(shí)突然增大至13.8kN。

圖13 不同開(kāi)挖深度時(shí)第一根土釘?shù)妮S力分布曲線(xiàn)

圖14 不同開(kāi)挖深度時(shí)第二根土釘?shù)妮S力分布曲線(xiàn)

圖15 不同開(kāi)挖深度時(shí)第一根錨桿的軸力分布曲線(xiàn)

圖16 不同開(kāi)挖深度時(shí)第二根錨桿的軸力分布曲線(xiàn)

(3)圖15是第一排錨桿在第四步至第六步開(kāi)挖支護(hù)后的軸力分布曲線(xiàn)，可看出隨著開(kāi)挖深度的增加錨桿的軸力逐漸變大。第四步開(kāi)挖后最大軸力約為150kN，開(kāi)挖第六步時(shí)最大軸力約為300kN。圖16是第二排錨桿在第五步至第六步開(kāi)挖支護(hù)后的軸力分布曲線(xiàn)，可看出隨著開(kāi)挖深度的增加錨桿的軸力逐漸變大。第五步開(kāi)挖后最大軸力約為120kN，開(kāi)挖第六步時(shí)最大軸力約為280kN。

(4)由圖13和圖14對(duì)比分析知，在開(kāi)挖過(guò)程中第一排土釘軸力的增長(zhǎng)幅度沒(méi)有第二排土釘?shù)脑鲩L(zhǎng)幅度大，且第二排土釘受力大于第一排。而有圖15和圖16對(duì)比可知，第一排的錨桿軸力要比第二排錨桿的軸力大，所以第一排錨桿起主要作用。由以上分析可知，隨著開(kāi)挖深度的增加，受拉土釘?shù)妮S向拉力增大，其原因是由于開(kāi)挖深度越大，開(kāi)挖面附近土體的位移越大，因此釘土表面的摩擦阻力增大，從而引起土釘?shù)妮S力隨著開(kāi)挖深度的增加而增大。土釘?shù)妮S向拉力基本上呈拋物線(xiàn)或棗核狀，最大拉力點(diǎn)的位置也隨著開(kāi)挖深度的增加而后移。而對(duì)于錨桿開(kāi)始在自由段施加預(yù)應(yīng)力，隨著開(kāi)挖深度的增加其軸力也在不斷的增大，由于預(yù)應(yīng)力的存在使其與土體間產(chǎn)生摩阻力達(dá)到限制土體變形的目的。

圖17 土釘軸力的理論解分布曲線(xiàn)

圖18 土釘軸力的數(shù)值解分布曲線(xiàn)

圖17-18和圖19-20分別是開(kāi)挖支護(hù)穩(wěn)定后土釘軸力和錨桿軸力對(duì)比曲線(xiàn)，看出曲線(xiàn)基本吻合。模擬結(jié)果土釘和錨桿兩端的軸力值很小，理論值比模擬值更小，幾乎為零。另外，土釘和錨桿兩端模擬得出的軸力值比理論公式得出的值稍大，中間部分模擬值比理論值小，但基本一致。

圖19 第一排錨桿軸力的理論解分布曲線(xiàn)

由三排土釘軸力對(duì)比曲線(xiàn)可以看出，土釘兩端的理論解小于數(shù)值解，在土釘?shù)哪┒溯S力幾乎為零；在土釘中部理論解大于數(shù)值解。由理論公式解得第一排土釘?shù)淖畲筝S力為13.8kN，模擬得出的最大軸力為13kN，第三排土釘?shù)淖畲筝S力為6.2kN，模擬得出的最大軸力為6kN，均相差不大。數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果雖大于實(shí)測(cè)值，但相差不是太大，而且計(jì)算出的內(nèi)力分布規(guī)律與以往的研究成果所得出的結(jié)論基本一致，土釘軸向拉力位置與大小都基本吻合。

圖20 第一排錨桿軸力的數(shù)值解分布曲線(xiàn)

同樣由第一排錨桿軸力對(duì)比曲線(xiàn)可以看出，錨桿兩端的理論解小于數(shù)值解，在土釘?shù)哪┒溯S力幾乎為零；在土釘中部理論解大于數(shù)值解。由理論公式解得第一排土釘?shù)淖畲筝S力為150kN，模擬得出的最大軸力為145kN，相差也不大。數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果雖大于實(shí)測(cè)值，但相差不是太大，而且計(jì)算出的內(nèi)力分布規(guī)律與以往的研究成果所得出的結(jié)論基本一致，錨桿軸向拉力位置與大小都基本吻合。

數(shù)值模擬的計(jì)算值比實(shí)測(cè)值要大，這主要是由于建模過(guò)程中的簡(jiǎn)化而造成的，本文的方法計(jì)算出的結(jié)果比數(shù)值模擬的結(jié)果更大，是由于用了FLAC的計(jì)算值進(jìn)行二次計(jì)算，導(dǎo)致誤差累加造成的。

2.4 樁體受力分析

由上述不同開(kāi)挖深度樁軸力對(duì)比圖21可知，隨著開(kāi)挖的加深，樁的軸力逐漸增大；開(kāi)挖完成后，樁身與坑底開(kāi)挖底面處相交位置的軸力最大，往上和往下都比前一階段的值小。隨著基坑施工的進(jìn)行，樁的軸力最大值逐漸向下推移，樁端處的軸力變化：小-大-小。

圖21 不同開(kāi)挖深度樁軸力分布曲線(xiàn)

由圖22可知隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，樁頂處剪力逐漸增大，然后樁身的最大剪力逐漸向下移動(dòng)。當(dāng)開(kāi)挖完后，此時(shí)樁身與坑底處交接處的剪力達(dá)到最大(見(jiàn)圖22中的白線(xiàn))，最大剪力值處向下1m的范圍內(nèi)，剪力突然降低，再往下樁身的剪力由大逐漸變小，甚至為零，然后到樁端有適當(dāng)反彈。上部的開(kāi)挖范圍內(nèi)，樁的剪力變化基本上是直線(xiàn)狀。

圖22 不同開(kāi)挖深度樁剪力分布曲線(xiàn)

圖23 不同開(kāi)挖深度樁彎矩分布曲線(xiàn)

圖23顯示隨著開(kāi)挖深度的增加，上半部分樁的彎矩由小逐漸變大，逐漸增加到最大值；而在下半部分，基坑底向下1m的范圍內(nèi)，彎矩值是逐漸減小；當(dāng)開(kāi)挖完成時(shí)，樁身1/3處達(dá)到最大值。樁身彎矩的最大位置隨基坑開(kāi)挖有向下移動(dòng)的趨勢(shì)，在樁端處達(dá)到最小值。并且彎矩的零值點(diǎn)逐漸下移。當(dāng)采用平衡理論設(shè)計(jì)時(shí)，正負(fù)彎矩相等時(shí)，樁橫截面積達(dá)到最優(yōu)化。因此樁的正負(fù)彎矩對(duì)樁結(jié)構(gòu)的合理性有一定的影響。

3 結(jié)論

(1)通過(guò)理論上計(jì)算和數(shù)值上的模擬，從而得出了一系列關(guān)于基坑土體應(yīng)力和支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布規(guī)律，土體中最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力均呈帶狀分布，其值是從上往下逐漸增加，對(duì)于土釘和錨桿所受內(nèi)力呈“棗核”狀或拋物線(xiàn)狀分布，每排土釘軸力最大值自上往下逐漸向面層方向偏移。

(2)利用FLAC3D有限差分軟件對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行模擬計(jì)算，對(duì)土釘、錨桿和樁的內(nèi)力進(jìn)行分析，根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)做出受力曲線(xiàn)圖，隨著開(kāi)挖深度的增加，受拉土釘?shù)妮S向拉力增大，其原因是由于開(kāi)挖深度越大，開(kāi)挖面附近土體的位移越大，因此土釘表面的摩擦阻力增大，從而引起土釘?shù)妮S力隨著開(kāi)挖深度的增加而增大。而對(duì)于錨桿開(kāi)始在自由段施加預(yù)應(yīng)力，隨著開(kāi)挖深度的增加其軸力也在不斷的增大，由于預(yù)應(yīng)力的存在使其與土體間產(chǎn)生摩阻力達(dá)到限制土體變形的目的，并與實(shí)測(cè)值以及理論計(jì)算值進(jìn)行了對(duì)比分析，得出土釘(錨桿)兩端的理論解小于數(shù)值解，在土釘(錨桿)的末端軸力幾乎為零；在土釘(錨桿)中部理論解大于數(shù)值解，但相差不是太大，而且計(jì)算出的內(nèi)力分布規(guī)律與以往的研究成果所得出的結(jié)論基本一致，說(shuō)明本文所建立的模型是合理的。

(3)隨著開(kāi)挖的加深，樁的軸力逐漸增大，樁頂處剪力逐漸增大，然后樁身的最大剪力逐漸向下移動(dòng)，上半部分樁的彎矩由小逐漸變大，而在下半部分，基坑底向下1m的范圍內(nèi)，彎矩值是逐漸減小。開(kāi)挖完成后，樁身與坑底開(kāi)挖底面處相交位置的軸力最大，往上和往下都比前一階段的值小；且此時(shí)樁身與坑底處交接處的剪力達(dá)到最大，最大剪力值處向下1m的范圍內(nèi)；剪力突然降低，再往下樁身的剪力由大逐漸變小；所受彎矩在樁身1/3處達(dá)到最大值，在樁端處達(dá)到最小值。

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Study on Forces of Supporting Structures of the Soil Nailing Wall and Pile Anchor Combined Supporting System in Deep Foundation Pit

Cheng Yan1，Huang Zhiquan2，Gao Wen1

(1.ChinaAcademyofBuildingResearch,Beijing100013,China;2.NorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower,Zhengzhou450045,China)

Through the numerical calculation， this paper shows that soil nail and anchor rod internal force are “coefficient” shaped or parabola，and the maximum force of each row of soil nailing gradually shift towards the direction of the surface layer. With the increase of the depth of the excavation, soil nailing axial tension increases, and for the beginning of prestressed anchor free segment, along with the increase of the depth of the excavation,its axial force increases.The force of the end of the soil nail (anchor) is almost zero. Axial force and shear during excavation piles are gradually increased. The maximum shear pile move downward; the upper half part of the bending moment of pile is gradually increased. In the second half, under the range of 1m of the foundation pit, the moment value decreases the supporting structure of the internal force distribution.

Deep Foundation Pit; Numerical Modeling; Supporting Structure; Soil Nailing; Anchor; Pile

程巖(1983-)，男，博士，工程師。主要研究方向：地基與基礎(chǔ)工程，邊坡與基坑工程。

TU473·2；TU94+2

A

1674-7461(2015)02-0073-07