樁-錨支護深基坑變形與內力的數(shù)值模擬

趙延林，侯朝亞，李　鵬

(黑龍江科技大學 建筑工程學院，哈爾濱 150022)

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樁-錨支護深基坑變形與內力的數(shù)值模擬

趙延林，侯朝亞，李鵬

(黑龍江科技大學 建筑工程學院，哈爾濱 150022)

針對樁-錨支護基坑的受力與變形問題，應用ABAQUS模擬分析了開挖工況、錨桿支撐作用及預加軸力等因素對基坑周邊土體變形影響范圍、坑底隆起變形、樁身彎矩及變形的影響。結果表明：基坑開挖水平向影響范圍約為2.0H，豎向影響范圍約為3.0H，坑底隆起位移與基坑側壁土體最大位移的比值為1.6～2.0。樁身彎矩與水平變形隨基坑開挖深度的增加而增加，各工況間樁身彎矩與水平變形增幅存在較大的差別；樁身最大正彎矩、最大水平位移所在截面基本一致，并隨基坑開挖深度的增加而不斷下移。錨桿的存在改變了樁體的受力狀態(tài)，使樁體由懸臂梁結構轉變?yōu)榫哂袕椥灾蔚倪B續(xù)梁結構，極大減小了樁身彎矩與水平位移。

深基坑； 支護樁； 樁身位移； 樁身彎矩

針對樁-錨支護基坑的受力與變形問題，文獻[1-2]對樁錨支護基坑的坡頂水平位移、坡頂豎向位移、支護樁深層水平位移、周邊建筑物的沉降進行了監(jiān)測分析。文獻[3-4]模擬分析了支護樁、周邊土體及地表變形隨基坑開挖深度的變化情況。文獻[5-6] 應用FLAC3D研究了樁錨支護體系變形特性及其空間分布特征。文獻[7-8]通過現(xiàn)場試驗，分析了深基坑開挖過程中樁身土壓力、彎矩及錨桿內力的變化規(guī)律。文獻[9]應用FLAC3D模擬分析了不同的樁長度、錨索長度及預應力值大小對樁身軸力、剪力值的影響規(guī)律。

筆者應用軟件ABAQUS建立樁-錨支護深基坑的有限元計算模型，分析開挖工況、錨桿支撐作用及預加軸力等因素對基坑周邊土體影響范圍、坑底隆起位移、樁身彎矩及水平變形的影響。

1　工程背景

1.1支護方案

擬建基坑的開挖面積為40 m×40 m，開挖深度為15 m，采用樁-錨支護體系。其中，樁長23 m，入土深度為8 m，樁徑800 mm，樁間距為1.2 m；設置四道錨桿，錨桿長度為18 m，截面直徑為160 mm，豎向間距為3 m，傾角為15°，第一道錨桿位于地表下3 m處。場地土層分布及其物理力學指標,見表1。

表1　土體的物理力學指標

1.2開挖工況

基坑開挖共分為五個工況。工況1：開挖至地表下-3 m，架設第一道預應力錨桿。工況2：開挖至地表下-6 m，架設第二道預應力錨桿。工況3：開挖至地表下-9 m，架設第三道預應力錨桿。工況4：開挖至地表下-12 m，架設第四道預應力錨桿。工況5：開挖至基坑底部，標高-15 m處。

2　數(shù)值計算模型

應用有限元軟件ABAQUS對基坑開挖過程進行模擬分析。依據(jù)工程經(jīng)驗，基坑開挖在水平方向上的影響范圍為3H～4H，H為基坑開挖深度，豎直方向上的影響范圍為2H～4H[3-4]，算例分別以4H、3H作為水平方向與豎直方向的影響范圍。為提高計算效率，選取基坑模型1/2大小進行分析，計算模型尺寸為80 m×60 m，如圖1所示。

圖1　基坑剖面

計算模型的邊界條件設定為：模型底面x、y方向的位移均加以約束限制；上面為自由面；土體兩側對x方向位移進行約束。

土體采用平面應變單元(CPE4)進行模擬，支護樁與錨桿按照線彈性材料考慮，支護樁采用梁單元(B21)進行模擬，錨桿采用桁架單元(T2D2)模擬。

3　模擬結果分析

3.1土體

各工況下土體位移變化云圖,如圖2所示。從圖2可以看到，隨著基坑開挖深度的不斷增加，土體位移與影響范圍也在不斷增加。各工況下，水平方向的影響范圍依次為9、20、26、29、32 m，豎直方向的影響范圍依次為30、40、42、42、42 m，基坑側壁土體的最大位移依次為1.55、3.51、5.61、7.85、8.58 mm，坑底的隆起位移依次為2.70、5.85、9.33、13.02、17.17 mm。這些數(shù)據(jù)表明：隨著基坑的開挖，水平方向影響范圍與開挖深度的比值由3.0逐漸收斂于2.1(可近似取2.0)，豎直方向影響范圍與開挖深度的比值由10.0逐漸收斂于2.8(可近似取3.0)；坑底隆起位移與基坑側壁土體的最大位移的比值為1.65～2.00。

由此可知，支護樁與錨桿對基坑周邊土體位移有較好的控制作用，并且隨著基坑開挖深度的增加，樁錨支護體系對基坑周邊土體變形的控制效果越來越明顯?；娱_挖過程中，水平向的影響范圍約為2.0H，豎向的影響范圍約為3.0H，坑底隆起位移與基坑側壁土體的最大位移的比值為1.6～2.0。

a　開挖至-3 m

b　開挖至-6 m

c　開挖至-9 m

d　開挖至-12 m

e　開挖至-15 m

3.2樁身水平變形

3.2.1工況的影響

各工況下樁身的水平變形如圖3所示。由圖3可知，樁身的水平變形隨基坑開挖深度的增加而增加，并且樁身最大水平位移的截面位置在不斷下移，但各工況間的水平變形增幅卻存在較大的差別。

在前三個工況中，樁身的水平變形增幅較小，相對于工況1，工況2中樁身最大水平位移由3.76 mm增大至4.52 mm，增幅為20.2%；工況3相對于工況2，樁身最大水平位移由4.52 mm增大至5.64 mm，增幅24.8%。在工況4中，樁身最大水平位移陡增至15.05 mm，相對于工況3，最大水平位移增幅達到168.75%；相對于工況4，工況5樁身最大水平位移增至18.8 mm，增幅為24.92%。

圖3　樁身水平位移

由以上的分析可知，在工況4中，樁身最大水平位移增加了9.41 mm，增幅最大。因此在該工況的施工過程中，應加強監(jiān)測頻率，并采取有效措施來控制變形的增加幅度。具體措施為：加快該工況的土體開挖速度，并及時架設預應力錨桿和施加預加軸力，做到及時開挖及時架設，以減小土體的塑性流動，從而達到控制基坑變形的目的。

從圖3中還可以看到樁體水平位移沿樁長的分布情況。在工況1～3中，樁身的水平位移沿樁長皆表現(xiàn)為正位移，且樁底位移為0，在工況4～5中，樁體底部出現(xiàn)負位移區(qū)域。這說明：在工況1～3中，基坑開挖面以下只有樁前出現(xiàn)了被動土壓力區(qū)，被動土壓力并沒有得到充分利用；而在工況4～5中，基坑開挖面以下不僅樁前出現(xiàn)了被動土壓力區(qū)，樁后也出現(xiàn)了被動土壓力區(qū)，被動土壓力得到了較充分的利用，這對控制基坑變形與減小樁身截面彎矩是非常有利的。

3.2.2錨桿的影響

為分析錨桿對基坑變形的控制作用，模擬分析了無錨桿的支護情況，其樁身水平位移如圖4所示。對比圖4a與4b可知，在無錨桿支護情況，樁身的水平位移均表現(xiàn)為正值，樁頂位移最大，為152 mm，樁底位移最小，為74 mm；有錨桿支護的情況下，樁底出現(xiàn)負位移，樁身最大水平位移發(fā)生在開挖面附近偏上的位置，數(shù)值為19 mm，約為無錨桿支護時的12.5%。

a　無錨桿作用

b　錨桿作用

以上的對比分析表明，錨桿的存在改變了樁體的受力狀態(tài)，使樁體由懸臂梁結構轉變?yōu)榫哂袕椥灾蔚倪B續(xù)梁結構，從而大大減小了樁體截面彎矩值與水平變形值。因此在設計中，合理布置錨桿的位置可以有效控制樁體的水平變形。對于如何優(yōu)化布置錨桿的支點位置，文獻[10]給出了較詳細的分析。

3.3樁身彎矩

3.3.1工況的影響

圖5給出了各工況下樁身彎矩M的分布情況。由圖5可以看出，樁身彎矩值隨基坑開挖深度的增加而在不斷增加，最大彎矩值所在截面位置也在不斷下移，最大正彎矩所在截面位置基本與樁身最大水平位移所在截面位置一致。除工況1外，其他各工況中樁身彎矩均出現(xiàn)正彎矩與負彎矩，在工況5中，樁身最大正彎矩與最大負彎矩相差25%，說明樁身的受力比較合理。

圖5　各工況樁身彎矩

Fig.5Moment of pile under different working conditions

3.3.2錨桿的影響

在第一層土體開挖完畢時，由于預應力錨桿尚未發(fā)揮作用，樁身彎矩值都為負值；第二層土體開挖完畢時，在-3 m下方出現(xiàn)明顯的反彎點，樁身出現(xiàn)負彎矩值，說明第一道預應力錨桿在該工況中已經(jīng)開始發(fā)揮作用，改變了樁體的受力狀態(tài)；第三層土體開挖完畢時，在-6 m處，樁身彎矩值由160減小為115 kN·m，說明第二道錨桿的預加軸力使得該處樁身彎矩適當調整；第四層土體開挖完畢時，-9 m樁身彎矩值從-295 kN·m反向陡增至295 kN·m；第五層土體開挖完畢時，-12 m樁身彎矩值從-10 kN·m反向增加至90 kN·m。

隨著錨桿的逐層架設，樁體的受力狀態(tài)由懸臂梁逐漸變?yōu)榫哂袕椥灾С械膬芍c、三支點、四支點與五支點連續(xù)梁。同時，土體的開挖卸載與錨桿的支撐作用又使得主動土壓力區(qū)與被動土壓力區(qū)在不斷發(fā)生變化，從而導致作用于樁體上的土壓力也在不斷變化，這就使得樁身彎矩在各工況之間產生了較大的變化。此外，錨桿的預加軸力也會使樁身彎矩產生一定程度的調整。

4　結　論

通過數(shù)值模擬分析可知，文中給定的工程地質條件下，樁錨支護深基坑的變形與內力具有以下特點。

(1)基坑開挖水平向的影響范圍約為2.0H，豎向的影響范圍約為3.0H，坑底隆起位移與基坑側壁土體的最大位移的比值為1.6～2.0。

(2)樁身彎矩與水平變形隨基坑開挖深度的增加而增加，各工況間的樁身彎矩與水平變形增幅存在較大的差別。

(3)樁身最大正彎矩所在截面位置基本與最大水平位移所在截面位置保持一致，并隨基坑開挖深度的增加，在不斷下移。

(4)錨桿的存在改變了樁體的受力狀態(tài)，使樁體由懸臂梁結構轉變?yōu)榫哂袕椥灾蔚倪B續(xù)梁結構，從而大大減小了樁體截面彎矩值與水平變形值。

(5)支護樁與錨桿對基坑周邊土體位移有較好的控制作用，隨著基坑開挖深度的增加，樁錨支護體系對基坑周邊土體變形的控制效果越來越明顯。

[1]趙文，韓健勇，李慎剛.砂土地層深基坑樁錨支護體系的受力與變形[J].東北大學學報:自然科學版,2015，36(4)：576-580.

[2]王安明，張淋柄.基坑樁錨支護變形監(jiān)測與數(shù)值模擬研究[J].水利與建筑工程學報,2015，13(6)：25-29.

[3]夏晉華，岳鵬威.深基坑樁錨支護體系位移數(shù)值分析[J].地下空間與工程學報，2014，10(4)：848-853.

[4]解磊，董禮.深基坑放坡-樁錨聯(lián)合支護結構的監(jiān)測及數(shù)值模擬[J].沈陽建筑大學學報:自然科學版，2015，31(2)：228-234.

[5]鮑生才.深基坑樁錨支護結構數(shù)值模擬研究[J].地下空間與工程學報,2014，10(2)：1941-1945.

[6]蘇白燕，張丹，許強.深基坑樁錨支護體系變形特征研究[J].地下空間與工程學報，2015，11(3)：739-745.

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[10]周勇，王一鳴.深基坑多支點樁錨支護結構錨點位置的優(yōu)化[J].蘭州理工大學學報，2015，41(4)：121-125.

(編輯徐巖)

Simulation analysis of deformation and inner force in deep foundation pit supported with pile-anchor

ZHAO Yanlin，HOU Chaoya，LI Peng

(School of Civil Engineering,Heilongjiang University of Science &Technology,Harbin 150022,China)

This paper is motivated by the need for addressing the stress and deformation occurring in deep foundation pits supported with pile-anchors.The solution is accomplished by using the software ABAQUS to analyze the effects on the influence scope of the surrounding soil,bottom uplift deformation,moment,and deformation of piles by such factors as the excavation conditions,anchors,and pre-axial force.The analysis shows that soil has the horizontal influence scope of about 2.0H,and the vertical influence scope of about 3.0H;the ratio between the bottom uplift deformation and the maximum displacement of sidewall is about 1.6—2.0;the moment and horizontal deformation of piles tend to increase due to an increase in excavation depth,and the increasing extent of moment and horizontal deformation of piles vary greatly according to the excavation conditions;and the sections are found to be basically consistent among the maximum positive bending moment and the maximum horizontal displacement of the piles and tend to move down along with the increasing excavation depth.The way the anchors work provides a change in the stress state of the piles,turning the piles from a cantilever beam into a continuous beam with elastic supports and thus contributing to a great reduction in the moment and horizontal deformation of pile.

deep foundation pit;retaining pile;displacement of pile;moment of pile

2016-04-16

黑龍江省級領軍人才梯隊后備帶頭人基金項目

趙延林(1971-)，男，黑龍江省哈爾濱人，教授，博士，研究方向：深基坑工程，E-mail:zhaoyanlin1971@sina.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.03.007

TU473.2

2095-7262(2016)03-0268-04

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