深基坑樁錨支護(hù)受力特征分析
——以海南某基坑支護(hù)為例

田野*，羅飛，李小剛，范然，王建筱，邵勇，陳志浩

（湖北省城市地質(zhì)工程院，湖北武漢，430074）

深基坑樁錨支護(hù)受力特征分析
——以海南某基坑支護(hù)為例

田野*，羅飛，李小剛，范然，王建筱，邵勇，陳志浩

（湖北省城市地質(zhì)工程院，湖北武漢，430074）

運(yùn)用MIDAS GTS NX有限元軟件輔助理正深基坑進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，對(duì)海南某地塊項(xiàng)目建立二維深基坑模型，分析基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力-應(yīng)變、位移、支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力及周邊土體沉降等。根據(jù)模型的計(jì)算結(jié)果可知，坑頂沉降在坑邊較小，隨距坑邊距離增加，沉降逐漸增大，達(dá)到一定程度后逐漸減小至零；支護(hù)結(jié)構(gòu)水平方向位移主要發(fā)生在支護(hù)樁周界區(qū)域，從變化規(guī)律上看，樁頂位移較小，隨開挖深度的增加，位移逐漸增加，臨基底位移達(dá)到最大值，基底以下位移逐漸減小并趨于穩(wěn)定；受力錨索軸力在自由段均勻分布且在整個(gè)錨索長(zhǎng)度范圍內(nèi)為最大值，進(jìn)入錨固段后錨索軸力向錨端逐漸減小。

深基坑；樁錨；數(shù)值模擬；MIDAS GTS NX-2D

引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，我國(guó)城市建設(shè)不斷邁向高層、超高層建筑，深基坑工程也就越來(lái)越多。在當(dāng)前的基坑工程中，由于各場(chǎng)地形條件、工程地質(zhì)條件、施工技術(shù)等各類因素的影響，支護(hù)結(jié)構(gòu)型式多種多樣，既有典型的單一支護(hù)結(jié)構(gòu)，也有較復(fù)雜的多種支護(hù)結(jié)構(gòu)的組合[1]。樁錨支護(hù)可用于不同深度的基坑，但錨桿容易產(chǎn)生超越紅線、地下施工遇障礙物或毗鄰建筑物基礎(chǔ)等限制[2]。與其它支護(hù)方法相比，樁錨支護(hù)安全系數(shù)高，施工文明，便于土方開挖和地下室基礎(chǔ)施工，這一支護(hù)方法在海南地區(qū)應(yīng)用非常廣泛，也取得良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益[3]。本文運(yùn)用 MIDAS-NX 有限元軟件輔助理正基坑支護(hù)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，對(duì)海南某地塊項(xiàng)目建立二維深基坑模型，利用莫爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型，分析基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力-應(yīng)變、位移、支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力及周邊土體沉降等，探討樁錨支護(hù)受力特點(diǎn)，為基坑設(shè)計(jì)、施工及變形監(jiān)測(cè)提供依據(jù)。

1 軟件簡(jiǎn)介

MIDAS GTS NX(New experience of Geo-Technical analysis System)巖土和隧道有限元分析軟件是基于計(jì)算機(jī)圖形處理和分析技術(shù)集合而成的通用巖土分析軟件。GTS NX可考慮巖土分析中最重要的材料非線性以及巖土的初始應(yīng)力狀態(tài)，最大化反映實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)情況。在不同的荷載和邊界條件下，可進(jìn)行的分析包括靜力分析、滲流分析、應(yīng)力-滲流耦合分析、固結(jié)分析、施工階段分析、動(dòng)力分析等分析領(lǐng)域。通過(guò)定義多個(gè)施工階段，進(jìn)行不同施工階段內(nèi)力及位移分析，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的安全性及對(duì)周邊環(huán)境的影響，從而指導(dǎo)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)。GTS NX 提供多種土體本構(gòu)模型，本工程采用修正莫爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用線彈性模型。

2 工程概況

該地塊位于海南某市一地區(qū)，擬建 5棟高層住宅，設(shè)三層整體地下室，地下室開挖深度13.78m，開挖面積24000m2，開挖周長(zhǎng) 710m?；又ёo(hù)型式采用鉆孔灌注樁加三排預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)，支護(hù)樁樁徑1.0m，樁間距1.3m，錨索水平間距1.3-2.6m，樁后設(shè)計(jì)三軸攪拌樁止水圍幕。

3 場(chǎng)地地質(zhì)條件

在場(chǎng)地范圍內(nèi)，場(chǎng)地地層為人工填土層（Qml）、第四系中更新統(tǒng)海陸相沉積層（Q2mc）、第四系下更新統(tǒng)海相沉積層（Q1m）以及上第三系海相沉積層（N2m）,基坑支護(hù)設(shè)計(jì)所需的各土層的物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)如表1所示：

表1 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameters of foundation pit support

4 有限元模型建立

表2 基坑支護(hù)模型材料參數(shù)表Table 2 Foundation pit support model material parameters

采用有限元軟件對(duì)本工程進(jìn)行模擬分析,設(shè)置三排預(yù)應(yīng)力錨索，傾角20°。由于土體是典型的彈塑性材料，卸載模量遠(yuǎn)大于加載模量，修正莫爾-庫(kù)侖模型能更清楚的表明壓縮和卸載的關(guān)系。因此本工程土體采用修正莫爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型，能清楚模擬土體卸載時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。為研究施工過(guò)程中各構(gòu)件的荷載效應(yīng)和變形分析，二維有限元模型中土體模型、灌注樁采用平面應(yīng)變模擬。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，模型計(jì)算范圍取基底以下2倍的基坑開挖深度，影響寬度取開挖深度的2～3倍。土體按照不同材料分為7層，材料參數(shù)按基坑支護(hù)模型材料參數(shù)表和基坑支設(shè)計(jì)參數(shù)表（表2）選取。

圖1 二維有限元模型Fig.1 Two-dimensional

圖2 支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖modelFig.2 Profile of Support structure

5 模擬結(jié)果與分析

本工程設(shè)計(jì)3層錨桿，按照實(shí)際施工工序，分5步模擬基坑的施工過(guò)程。Midas通過(guò)刪減土體單元和增加結(jié)構(gòu)支護(hù)單元（樁、錨桿單元）來(lái)模擬開挖和支護(hù)[4]。

5.1 基坑豎向位移

圖3 開挖至基底時(shí)豎向位移圖Fig.3 The vertical displacement diagram based on model

圖4 理正計(jì)算坑頂沉降Fig.4 Foundation pit settlement based on Lizheng software

支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)土體的位移起到了一定的控制作用，同時(shí)土體與樁之間的摩擦（樁與土體之間的接觸單元）限制了土體的變形，所以地表最大沉降發(fā)生位于距開挖面一定距離處[5]。根據(jù)模擬結(jié)果(圖3)，坑頂沉降在坑邊較小，隨距坑邊距離增加，沉降逐漸增大，其沉降變化規(guī)律與理正計(jì)算軟件拋物線法計(jì)算結(jié)果較一致，隨距坑邊距離增加，沉降達(dá)到一定程度后逐漸減小至零。在進(jìn)行基坑設(shè)計(jì)時(shí)，當(dāng)抗隆起驗(yàn)算滿足規(guī)范要求后，往往忽視隆起位移，但從模擬結(jié)果可知，本項(xiàng)目最大位移發(fā)生在基底，其最大隆起位移值達(dá)到24.5mm，并在支護(hù)結(jié)果以外的土體仍有微小的變化，說(shuō)明基坑開挖會(huì)對(duì)更大范圍內(nèi)的土體產(chǎn)生擾動(dòng)。

5.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移

根據(jù)模擬結(jié)果(圖5)，支護(hù)結(jié)構(gòu)水平方向位移主要發(fā)生在支護(hù)樁周界區(qū)域，包括樁端以下受基坑開挖影響產(chǎn)生的微小擾動(dòng)位移。從變化規(guī)律上看，樁頂位移較小，隨開挖深度的增加，位移逐漸增加，臨基底位移達(dá)到最大值，基底以下位移逐漸減小并趨于穩(wěn)定，其變化規(guī)律與理正深基坑計(jì)算軟件較一致，理正計(jì)算最大位移為17.82mm，模擬計(jì)算最大位移為11.7mm，略小于設(shè)計(jì)軟件結(jié)果。

圖5 開挖至基底時(shí)水平位移圖Fig.5 The horizontal displacement diagram based on model

圖6 理正計(jì)算支護(hù)樁水平位移Fig.6 The horizontal displacement based on Lizheng software

5.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特征

圖7 開挖至基底時(shí)支護(hù)樁彎矩圖Fig.7 Bending moment diagram of supporting pile based on model

圖8 開挖至基底時(shí)第一層錨索軸力圖Fig.8The axial force diagram of the first line anchor

圖9 開挖至基底時(shí)第二層錨索軸力圖Fig.9The axial force diagram of the second line anchor

圖10 開挖至基底時(shí)第三層錨索軸力圖Fig.10 The axial force diagram of the third line anchor

圖示（圖7-圖10）為開挖至基底后支護(hù)樁彎矩圖和錨索軸力圖，由模擬結(jié)果知，第一排錨索軸力在自由段均勻分布且在整個(gè)錨索長(zhǎng)度范圍內(nèi)為最大值，進(jìn)入錨固段后錨索軸力向錨端逐漸減小。錨桿自由段相當(dāng)于一端固定，另一端自由的桿件，受軸向力后整段桿件中軸力均勻分布，而進(jìn)入錨固段后由于砂漿的傳力作用，逐漸將錨桿軸力分擔(dān)給錨孔周圍土體承擔(dān)，因此，錨桿軸力逐漸減小[5]。但同時(shí)第二排和第三排錨索的受力特點(diǎn)與第一排錨索完全不同，第二排和第三排錨索未出現(xiàn)自由端軸力均勻分布且達(dá)到最大值的情況，結(jié)合支護(hù)樁彎矩圖中樁彎矩的變化情況，可知第二排和第三排錨索未產(chǎn)生有效的錨固作用。但在理正深基坑設(shè)計(jì)軟件中取消第二排和第三排錨索后，會(huì)發(fā)現(xiàn)整體位移基本在規(guī)范允許范圍內(nèi)，但抗傾覆等穩(wěn)定系數(shù)不滿足規(guī)范要求。模擬結(jié)果也進(jìn)一步提示第一排錨索的錨固作用更大，在施工中更應(yīng)加強(qiáng)施工質(zhì)量的控制。

圖11 開挖至基底效果圖Fig. 11 The foundation pit after excavation

圖12 開挖至基底效果圖Fig.12 The foundation pit after excavation

6 結(jié)束語(yǔ)

本次基坑順利開挖至基底，位移得到有效控制，根據(jù)施工期間及后期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，最大水平位移在 2cm以內(nèi)，未出現(xiàn)明顯地面變形或結(jié)構(gòu)破壞現(xiàn)象。本文運(yùn)用MIDAS GTS NX 有限元軟件輔助理正深基坑進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，對(duì)海南某地塊項(xiàng)目建立二維深基坑模型，將土體劃分有限網(wǎng)格單元，建立周邊荷載條件、邊界條件，利用莫爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型，分析基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力-應(yīng)變、位移、支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力及周邊土體沉降等。根據(jù)模型的計(jì)算結(jié)果得出如下結(jié)論：

（1）坑頂沉降在坑邊較小，隨距坑邊距離增加，沉降逐漸增大，達(dá)到一定程度后逐漸減小至零。在進(jìn)行基坑設(shè)計(jì)時(shí)，隆起位移值不應(yīng)被忽略，并應(yīng)注意在支護(hù)結(jié)果以外的土體仍有微小的變化，說(shuō)明基坑開挖會(huì)對(duì)更大范圍內(nèi)的土體產(chǎn)生擾動(dòng)。

（2）支護(hù)結(jié)構(gòu)水平方向位移主要發(fā)生在支護(hù)樁周界區(qū)域，包括樁端以下受基坑開挖影響產(chǎn)生的微小擾動(dòng)位移。從變化規(guī)律上看，樁頂位移較小，隨開挖深度的增加，位移逐漸增加，臨基底位移達(dá)到最大值，基底以下位移逐漸減小并趨于穩(wěn)定。

（3）受力錨索軸力在自由段均勻分布且在整個(gè)錨索長(zhǎng)度范圍內(nèi)為最大值，進(jìn)入錨固段后錨索軸力向錨端逐漸減小。第一排錨索的錨固作用更大，在施工中更應(yīng)加強(qiáng)施工質(zhì)量的控制。

[1]陳忠漢. 深基坑工程[M]. 2版. 北京(機(jī)械工業(yè)出版社),2002.

[2]王波. 排樁錨桿聯(lián)合支護(hù)在深基坑中的應(yīng)用[J]. 低溫建筑技術(shù),2008,(03).

[3]雷貴華. 海南某地塊深基坑工程設(shè)計(jì)實(shí)例[J]. 資源環(huán)境與工程,2016,30(1)： 100-104.

[4]張勇,賴惠成. 基于Midas技術(shù)的多層分布式應(yīng)用程序開發(fā)[J]. 新疆大學(xué)學(xué)報(bào),2003,20(2)： 139-141.

[5]李明英,曾明. 基于MIDAS深基坑樁錨支護(hù)數(shù)值模擬分析[J]. 水土保持研究,2012,19(1)： 250-253.

Analysis of Stress Characteristics of Pile - anchor Supporting in Deep Excavation——Taking the Support of a Foundation Pit in HaiNan As an Example

TIAN Ye*,LUO Fei,LI Xiaogang,FAN Ran,WANG Jianxiao,SHAO Yong,CHEN Zhihao
(Hubei Institute of Urban Geological Engineering,Hubei Wuhan,430074,China)

A two-dimensional deep foundation pit model is established by using large finite element soft ware (i.e MIDAS GTS NX),based on a Foundation Pit in HaiNan .The stress-strain,displacement,internal force of support structure and settlement of surrounding soil in foundation pit support structure are analyzed.The model shows that the pit roof settlement is small in the pit edge,and the distance from the pit is increased,and the settlement gradually increases to a certain degree and then gradually decreases to zero.The lateral displacement of the support structure is mainly occurred in the perimeter area of the support pile,from the point of view of change rule,pile top displacement is small,with the increase of excavation depth,displacement increase gradually,in the base displacement peak,basement under the displacement decreases and tends to be stable.The force of the force is evenly distributed in the free segment and the maximum in the whole length of the cable,and the anchor cable is gradually reduced to the anchor when it enters the anchorage section.

Deep foundation；Pile-anchor retaining；Numerical simulation ；MIDAS GTS NX-2D

TU473

B

1672-9129(2017)06-0133-04

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.06.047

田野,羅飛,李小剛,等. 深基坑樁錨支護(hù)受力特征分析——以海南某基坑支護(hù)為例[J]. 數(shù)碼設(shè)計(jì),2017,6(6)： 133-136.

Cite：TIAN Ye,LUO Fei,LI Xiaogang,et al. Analysis of Stress Characteristics of Pile - anchor Supporting in Deep Excavation——Taking the Support of a Foundation Pit in HaiNan As an Example[J]. Peak Data Science,2017,6(6)： 133-136.

2017-02-05；

2017-03-13。

田野（1984-），男，工程師，碩士，研究方向：地下水科學(xué)與工程，主要從事基坑、地災(zāi)等方面工作。

Email：23997194@qq.com