深基坑樁錨支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及受力變形特性研究

閆明慧， 閆 淵

(湖北工業(yè)大學土木建筑與環(huán)境學院， 湖北 武漢 430068)

深基坑樁錨支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及受力變形特性研究

閆明慧， 閆 淵

(湖北工業(yè)大學土木建筑與環(huán)境學院， 湖北 武漢 430068)

針對以諸多假定為前提的計算模型并不能真實地反映基坑樁錨支護結(jié)構(gòu)與土層之間的關(guān)系,以及樁錨支護體系本身的受力和變形特征等情況，利用數(shù)據(jù)分析技術(shù)，分析樁錨支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響因素，隨后對該結(jié)構(gòu)的受力情況加以研究，并深入探討基坑開挖后的受力響應情況。

深基坑； 樁錨支護結(jié)構(gòu)； 受力變形； 穩(wěn)定性

樁錨支護系統(tǒng)的主要構(gòu)成包括護坡樁、腰梁、土層錨桿以及鎖口梁四部分，對于部分地下水位相對較高的基坑，在支護樁后還設(shè)置有防滲土墻等，多個結(jié)構(gòu)間相互影響,相互鞏固，使其形成一個有機整體以確保穩(wěn)固性能[1]。但仍存在部分深基坑施工過程中的樁錨支護結(jié)構(gòu)不夠穩(wěn)固，導致出現(xiàn)護坡失穩(wěn)問題，不利于工程施工的順利進行，也加大了施工過程中的安全隱患[2]。因此有必要針對深基坑樁錨支護結(jié)構(gòu)在施工過程中的受力變形及其穩(wěn)固性進行深入探討，為提高支護施工穩(wěn)固性、確保安全奠定理論基礎(chǔ)。

1 深基坑樁錨支護結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬

擬分析的基坑深度為10 m，基坑傾角呈直角，共分5步進行基坑開挖，每一步驟的開挖深度均為2 m。研究所采取的模型長寬高分別為60 cm、20 cm、30 cm，在此基礎(chǔ)上利用平面應變模型對其加以計算，并以Mohr-Coulomb準則作為土體破壞準則。有關(guān)參數(shù)詳見表1。

表1 深基坑樁錨支護模型的參數(shù)設(shè)置

在該模型中并不存在樁錨單元，僅有單獨存在的樁單元與錨桿單元。故而為了將上述二者實現(xiàn)良好結(jié)合，需首先確定二者的相交節(jié)點，并刪除節(jié)點鏈接，隨后在二者所形成的邊界條件基礎(chǔ)上，完成新鏈接的構(gòu)建，使力與位移變化分別傳遞至錨桿單元和樁單元。

2 基坑穩(wěn)定性計算分析

2.1錨桿長度和基坑穩(wěn)定性的關(guān)系

一系列計算與模擬后得圖1，即錨桿長度與基坑安全性的相關(guān)關(guān)系。

圖 1 錨桿長度與基坑安全系數(shù)的關(guān)系分析

由圖1不難看出，隨著錨桿長度的增加，基坑的安全性呈關(guān)聯(lián)性上升。當錨桿的傾角維持在30°時，便會出現(xiàn)一個有效錨固長度；超出這一長度后，錨桿長度的繼續(xù)增加不會引起基坑安全系數(shù)隨之上升。需明確的是，在其他錨桿傾角的計算過程中并不存在錨固長度這一說法，不同于單一的錨桿加固，在實際的樁錨加固過程中，除了存在錨桿的固定效果，也受到支護樁加固作用的影響。相較于其它曲線，傾角為20°的曲線斜率最大，表明這一傾角條件下，錨桿長度的變化對基坑穩(wěn)定系數(shù)的影響處于最大化狀態(tài)。由圖1還可發(fā)現(xiàn)，當錨桿長度處于2～6 m這一范圍內(nèi)，所形成曲線的斜率處于最大值，而在6～12 m范圍內(nèi)較平緩，表明在這一長度區(qū)間內(nèi)，基坑安全系數(shù)的取值與錨桿長度的關(guān)聯(lián)性相對更小。

在此基礎(chǔ)上對圖1中的曲線進行進一步分析發(fā)現(xiàn)，可將基坑安全系數(shù)與錨桿長度間進行線性擬合，表2為基坑安全系數(shù)與錨桿長度的相關(guān)性擬合情況。二者相關(guān)系數(shù)越高表明其與線性關(guān)系的相符度更高。對表2數(shù)據(jù)加以觀察比較可知，隨著錨桿傾角的不斷變大，對應擬合曲線的斜率先增大，而當傾角增加至20°時，其斜率則突然下降，斜率在錨桿傾角為20°時二者的線性擬合關(guān)系取得最大值。與圖1中的分析結(jié)果相一致。

表2 深基坑安全系數(shù)(F)與錨桿長度(L)的線性關(guān)系擬合相關(guān)數(shù)值

圖 2 錨桿傾角與基坑安全系數(shù)的關(guān)系圖

2.2錨桿傾角和基坑穩(wěn)定性的關(guān)系

圖2為當錨桿長度取不同數(shù)值時，基坑安全系數(shù)與錨桿傾角間的相關(guān)性。不難發(fā)現(xiàn)，當錨桿長度處于較低水平時，基坑安全系數(shù)與錨桿傾角的關(guān)聯(lián)度不高；而在錨桿長度為16 m、18 m時，基坑安全系數(shù)隨著錨桿傾角的不斷增加而表現(xiàn)出先上升后下降的變化趨勢；而在傾角=20°時，基坑的安全系數(shù)處于最高水平，提示錨桿傾角為20°時即為最佳角度值；在此條件下，隨著錨桿長度的不斷增加，基坑安全性將隨之提升。但在錨桿長度為6 m、傾角10°時，發(fā)現(xiàn)該變化曲線存在突變現(xiàn)象，這主要是由于基坑的破壞模式在此條件下發(fā)生變化，由原本的淺層滑動變?yōu)樯顚踊瑒?，錨桿對其產(chǎn)生的固定作用明顯下降[3]。

3 樁錨支護結(jié)構(gòu)受力分析

3.1錨桿受力分析

考慮到20°為基坑的最佳錨固角度，在實際施工中應用意義最大，故以這一傾角水平為例，分析在錨桿長度發(fā)生變化時，樁錨軸力所發(fā)生的變化。圖3即為錨桿長度變化時，長度方向與錨桿錨固力的曲線關(guān)系。對圖3進行分析可知，當錨桿長度處于較低水平時，錨固力的大小變化沿錨桿方向呈下降趨勢，故而基坑壁表面的錨頭處即為錨固力最大部位，表3為不同錨桿長度下的錨桿軸力最大部位。而當錨桿長度進一步增大時，錨固力最大部位則向錨桿內(nèi)部移動，錨固力在錨桿上的分布情況為先增后減的變化趨勢。

圖 3 錨桿錨固力與錨桿長度方向的曲線關(guān)系圖

m

以長度16 m、傾角20°的錨桿為例，將錨固力隨著桿體的分布情況繪制如圖4。圖4中可清楚看出，第一層的錨桿錨固力隨著桿體表現(xiàn)出先增后減的變化趨勢，其軸力最大值處于錨桿中后部，而其他錨固力則隨桿體表現(xiàn)為下降趨勢，均在錨頭部位得到最大軸力值。

圖 4 L=16 m、傾角為20°錨桿的錨固力分布情況圖

3.2支護樁受力分析

對支護樁的受力分析將從兩個方面進行闡述。第一，當錨桿傾角固定時，樁的軸向壓力變化與錨桿長度的變化情況見圖5。由圖5中不難看出，支護樁所受力以壓力為主，且壓力值的分布情況隨樁身表現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢，均在距坑頂12 m左右達到最大壓力值。與此同時，樁深度的增加將直接引起支護樁所受壓力的大小變化，主要表現(xiàn)為下降趨勢。這一問題的出現(xiàn)是樁深度的變化而引起錨固力的上升，使基坑所產(chǎn)生的下滑力以及支護樁的壓力值明顯下降(圖6)。

圖 5 錨桿傾角為15°時的樁軸向壓力與樁深度的曲線關(guān)系

圖 6 錨桿長度L=10 m時，支護樁剪力值與樁深度的曲線關(guān)系

4 基坑樁錨支護的開挖響應分析

4.1不平衡力

將錨桿長度14 m、傾角20°、樁長14 m的基坑作為案例，對其具體開挖過程中的支護情況進行分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在首次施加應力或開挖等加載施工發(fā)生后，整個系統(tǒng)的不平衡力將下降至一個較低水平并在一段時間內(nèi)維持不變，這一變化特征表明：系統(tǒng)在開挖或施加初始應力時并不會出現(xiàn)整體失穩(wěn)這一不利現(xiàn)象。在上文中亦指出，這一基坑的開挖施工分為5個部分。由此可知，在開挖過程中的不平衡力存在5個峰值，隨后逐漸由峰值下降至零(圖7)。這一變化特征所對應的實現(xiàn)機制為：每次開挖都將對基坑土體產(chǎn)生擾動及較大影響，進而使其原有的平衡狀態(tài)遭到破壞，進入到不平衡狀態(tài)；而隨著開挖后時間的不斷推進，不平衡力將逐漸向土體內(nèi)擴散，其對土體產(chǎn)生的擾動作用也逐漸下降，最終重新形成平衡狀態(tài)。由本次模型研究還可知，后兩次開挖過程的不平衡力相對更大，表明后期開挖會顯著影響到深基坑邊坡的穩(wěn)定性。故而在具體基坑開挖過程中，需在這兩步開挖過程中采取特殊的處理措施，最大限度避免出現(xiàn)基坑邊坡的局部結(jié)構(gòu)失衡而導致整體失穩(wěn)。但考慮到該模型最終的不平衡力水平趨于零值，提示這一模型并未發(fā)生整體失穩(wěn)[4]。

圖 7 不同開挖階段水平位移隨基坑深度的變化曲線

4.2側(cè)壁水平位移分析

圖7為樁錨支護結(jié)構(gòu)下，基坑的深度與水平位移間的關(guān)系。由圖7可知，基坑頂部發(fā)生的水平位移值最大，且這一水平位移值與基坑深度間存在負相關(guān)關(guān)系，每一開挖階段中基坑的水平位移隨基坑深度的變化規(guī)律無明顯差異。開挖面以下的位移相對較小，每步開挖均會使基坑坑壁出現(xiàn)一定程度的水平位移增量，且開挖深度的不斷上升，將引起水平位移增量的上升[5]。在開挖結(jié)束后可發(fā)現(xiàn)，每步開挖所引起的水平位移增量基本保持一致。

4.3基坑頂部沉降與回彈分析

在深基坑樁錨支護結(jié)構(gòu)中，基坑頂部的沉降量將隨著基坑深度的增加而變大，二者具有正相關(guān)關(guān)系。需注意的是，頂部沉降最大值為距基坑壁4 m處，而不是基坑頂部；且在第三步開挖過程中取得最大沉降變量，表明第三步開挖對基坑的穩(wěn)定性影響較其它步驟更大。與上文中的結(jié)論相一致。

從基坑底部的回彈變量而言，回彈位移隨著基坑深度的變化而表現(xiàn)出正相關(guān)變化特點，且在基坑底部的中部位置取得最大位移量；不同開挖階段的底部回彈變量基本一致。此外，考慮到基坑底部均存在一定數(shù)量回彈，實際施工中需對此引起重視，避免深基坑施工對地下結(jié)構(gòu)或基坑造成破壞。

4.4開挖過程中支錨桿軸力和護樁受力情況分析

在深基坑樁錨支護結(jié)構(gòu)的開挖過程中，錨桿軸力均沿桿體表現(xiàn)出下降變化特點，且錨頭部位均為其軸力最大處；而錨桿的軸力也將隨開挖過程的不斷推進而增大，這主要是由于錨桿的錨固力發(fā)揮其固定作用，且相同層次錨桿的錨固力擴散范圍并不會出現(xiàn)較大差距。需注意的是，錨桿的拉應力隨開挖進程的變化增量并不具有一致性，故此在構(gòu)造永久性、具負荷作用的錨桿支護基坑，如需必要可在原有錨桿基礎(chǔ)上進一步加長[6]。在開挖過程中由于錨桿與土體界面的摩擦阻力會表現(xiàn)出將錨桿拔出土體的作用趨勢，這一摩擦阻力還會隨著開挖進程的推進而增大，當錨桿軸力隨之增加至最大值后，摩擦阻力的方向發(fā)生改變，又將引起錨桿軸力隨之下降。

對支護樁軸力在開挖過程中的變化情況進行研究發(fā)現(xiàn)，支護樁軸力沿樁深方向的分布并不具有規(guī)律性。其具體軸力變化如下：在開挖初期，考慮到基坑土體的下滑力較錨桿所產(chǎn)生的軸向拉力而言明顯更小，故而支護樁的初期受力以軸向拉力為主；隨著開挖工作的推進，由于基坑土體的下滑力隨著深度加大而上升，最終超過固定的軸向拉力值，使支護樁的受力情況由軸向拉力轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫Γ⒃谀骋晃恢锰幇l(fā)生軸力突變，一般的軸力突變處大多位于基坑底部。

在實際開挖過程中，通過對不同開挖階段內(nèi)不同時段進行位移檢測與對應數(shù)據(jù)計算，并將計算數(shù)值與實際監(jiān)測的位移數(shù)據(jù)進行對比，即得圖8。進行圖形分析可知，在時間間隔相同的前提條件下，相較于其他時段，開挖初期的位移變量相對更大，這一位移變量在后期趨于穩(wěn)定，且最終的計算量與實際監(jiān)測位移量并未表現(xiàn)出明顯差異，二者的變化規(guī)律也具有一致性。比對結(jié)果充分表明了這一模型構(gòu)建與數(shù)據(jù)計算的可行性及準確性。

圖 8 實際監(jiān)測數(shù)據(jù)與計算數(shù)據(jù)的比較分析

5 結(jié)語

綜上所述，在深基坑樁錨支護中，對支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與受力變形以及在基坑開挖過程中對上述特性產(chǎn)生影響的因素進行分析，對于實際深基坑樁錨支護結(jié)構(gòu)的安全處理有積極指導意義。研究結(jié)果顯示：支護樁在開挖過程中的受力以壓力為主，且所承受壓力值沿樁身呈現(xiàn)為先升后降的變化趨勢；而錨桿長度的增加將使支護樁所受壓力下降，在開挖過程中的支護樁受力以拉力為主，并隨著開挖施工的不斷推進而轉(zhuǎn)變?yōu)槭軌籂顟B(tài)。因此在深基坑樁錨支護的具體實踐過程中，應加強對第4、5步開挖的重視并及時采取特殊的處理措施，以便進一步確保基坑支護的穩(wěn)定性，使深基坑施工的安全性得到良好保障。

[1] 劉自由.基坑應變軟化的樁錨支護數(shù)值計算[J].中南大學學報(自然科學版),2012(7)： 1672-7207.

[2] 吳文,徐松林.深基坑樁錨支護結(jié)構(gòu)受力和變形特性研究[J].巖石力學與工程學報,2001(3):1000-6915.

[3] 張迪.深基坑樁錨支護體系受力特性及變形研究[D].武漢：中國地質(zhì)大學，2010.

[4] 白云哲.樁-錨支護結(jié)構(gòu)在岳家嘴地鐵站深基坑工程中的應用研究[D].武漢：中國地質(zhì)大學，2012.

[5] 朱桂春,劉興鑫,韓武娟.深基坑樁錨支護體系的受力變形研究及優(yōu)化設(shè)計[J].安全與環(huán)境工程,2012,19(1):1671-1556.

[6] 郭曉軍.深基坑樁錨支護技術(shù)及施工工藝[J].城市建設(shè)理論研究,2012,(20):2095-2104.

[責任編校：張巖芳]

StabilityandDeformationCharacteristicsofPile-AnchorRetainingStructureinDeepFoundationPit

YAN Minghui, YAN Yuan

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

The pile-anchor support system is a new type of supporting structure developed in recent years with the development of foundation pit engineering. It is widely used in geotechnical engineering because of its strong engineering applicability, but at present the calculation model based on many suppositions can not reflect the relationship between the pile anchor support structure and the soil layer, and the stress and deformation characteristics of the pile anchor support system. This paper, using data analysis technology, analyzes the influencing factors of the stability of the pile-anchor supporting structure stability, then studied the structure of the force, and the depth of the excavation stress response, so as to provide a theoretical reference for the construction process.

deep foundation pit; pile anchor supporting structure; force deformation; stability

2016-11-27

閆明慧(1989-)，女，湖北黃岡人，湖北工業(yè)大學碩士研究生，研究方向為力學

1003-4684(2017)05-0026-04

U238

A