高壓旋噴錨索與灌注樁支護結(jié)構(gòu)三維數(shù)值分析

彭 超，余建民

樁錨支護結(jié)構(gòu)體系是一種超靜定結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性好，安全性高，它把排樁施工技術(shù)與預(yù)應(yīng)力錨桿（索）施工技術(shù)結(jié)合起來，運用錨桿（索）和土體間的摩阻力以及排樁嵌固段約束力共同抵抗樁后土壓力，維護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，是現(xiàn)階段較為成熟、應(yīng)用廣泛的深基坑支護手段，屬于主動支護結(jié)構(gòu)［1－6］。樁錨支護的工作機理非常復(fù)雜，在基坑開挖過程中，支護結(jié)構(gòu)和土體相互作用，支護結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整自身的受力與變形。對于此方面的研究，許多學(xué)者已經(jīng)進行了分析［7－9］。而本文所要研究的高壓旋噴錨索—灌注樁是樁錨支護體系中經(jīng)常使用的一種先進的施工技術(shù)，但是工程中對此體系變形及受力性能的認識主要是依靠經(jīng)驗進行的，出現(xiàn)了理論落后于實踐的現(xiàn)象。所以我們有必要對此樁錨支護結(jié)構(gòu)體系的工作機理進行深入地研究。本文采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對樁錨支護結(jié)構(gòu)在開挖過程中高壓旋噴錨索的受力，灌注樁圍護體的變形和基坑周圍土體的變形規(guī)律進行模擬和分析。

1 工程概況

擬建工程為鄭州嘉辰麗景苑項目一期工程，位于鄭州市金水區(qū)經(jīng)三路與廣電南路交叉口東北角。地下水位埋深在自然地面下約4．0 m～4．8 m，2013年10月中旬，現(xiàn)場實測為7．0 m以下?；茁裆顬樽匀坏仄合?．80 m～11．80 m，基坑內(nèi)水位應(yīng)在基底下0．5 m，即自然地坪下12．30 m位置。因此，考慮施工降水。基坑最東側(cè)地下室外墻距6F已建建筑物最近約8．6 m；建筑物為半層地下室，筏板基礎(chǔ)，埋深3．0 m；基坑深度為 10．00 m；基坑側(cè)壁安全等級為一級，可采用采用高壓旋噴錨索與灌注樁支護結(jié)構(gòu)；其他剖面采用無砂混凝土小樁＋預(yù)應(yīng)力錨桿＋土釘墻復(fù)合支護結(jié)構(gòu)或者人工放坡素噴支護。

各土層力學(xué)參數(shù)的取值如表1所示。

表1 土層設(shè)計取值參數(shù)表

2 計算模型和參數(shù)確定

2．1 計算模型和邊界條件

計算模型為東側(cè)的樁錨支護部分，其他部分不作分析。模型的三維尺寸為82．20 m×36．00 m×77．24 m，網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為79 508，網(wǎng)格單元數(shù)為72 879，如圖2所示。模型外邊界采用側(cè)向約束，底面采用全約束?；幼畲箝_挖深度為10 m，分五步開挖，開挖步驟如表2所示。計算中不考慮土體的分層和基坑降水的影響，土體本構(gòu)模型采用摩爾－庫侖模型，不考慮地下水的影響，土體參數(shù)按正常固結(jié)考慮。

圖1 計算模型

表2 開挖步驟

2．2 支護結(jié)構(gòu)參數(shù)

鉆孔灌注樁圍護體按照等剛度原則折減為厚度為0．5 m的壁式地下連續(xù)墻，嵌固深度10 m，樁頂標(biāo)高－3 m，鋼筋等級為HRB400，其參數(shù)如表3所示，用嵌入式Liner單元來模擬。高壓旋噴錨索和土釘用Cable單元模擬，第一道錨索由四束直徑為15．2 mm的鋼絞線組成，第二道錨索由三束直徑為15．2 mm的鋼絞線組成，兩道錨索自由段直徑均為0．25 m，錨固段直徑均為 0．4 m，水平間距均為 1．5 m，預(yù)應(yīng)力均為200 kN，其參數(shù)如表4所示。第一級放坡用土釘墻支護，土釘水平間距均為1．5 m，鋼筋均為HRB400，其參數(shù)如表5所示。土釘墻面層厚度為80 mm，材料為C20細石混凝土，鋼筋網(wǎng)水平方向和豎直方向的間距均為300 mm，直徑為6．5 mm，斜拉鋼筋的直徑為10．0 mm，鋼筋等級為 HPB300，土釘墻和平臺都用厚度為0．08 m的單面Liner模擬。不同單元間采用共用節(jié)點實現(xiàn)內(nèi)力的傳遞，如圖2所示。

表3 灌注樁參數(shù)

表4 錨索參數(shù)

表5 土釘參數(shù)

圖2 結(jié)構(gòu)單元模型

3 模擬結(jié)果分析

3．1 坑外土體水平位移

研究表明灌注樁圍護體后土體水平位移大致可以分為兩個區(qū)域，分別為塊體滑動區(qū)和線性遞減區(qū)；塊體滑動區(qū)內(nèi)土體水平位移基本保持不變；線性遞減區(qū)內(nèi)土體水平位移逐漸減少至零［10－12］。本支護方案上部3 m為土釘墻放坡支護，下部7 m采用樁錨支護，在此只需從第3步開始研究。圖3為不同步驟下坑外土體的水平位移。

圖3 不同步驟的地表水平位移

由圖3可知，隨著基坑不斷向下開挖，地面土體的水平位移不斷增大。塊體滑動區(qū)大約在距離基坑邊緣20 m至25 m之間，線性遞減區(qū)大約在距離基坑邊緣25 m以外，而且在第3步和第4步中，靠近基坑邊緣的土體稍微向基坑外側(cè)移動了幾毫米，這主要可能是第1步和第2步放坡開挖進行土地墻施工的結(jié)果。由此可以看出，在樁錨支護結(jié)構(gòu)中，放坡土釘墻支護對結(jié)構(gòu)安全和穩(wěn)定的重要性。所以在施工場地允許的條件下應(yīng)盡量先放坡，然后再進行樁錨支護，既節(jié)省材料又能夠充分地保證結(jié)構(gòu)的安全。

3．2 高壓旋噴錨索內(nèi)力

高壓旋噴地錨工藝主要特點是其將鉆孔、注漿、攪拌和插筋工序一次完成，能夠提高原位土體強度，增大與周圍土體的摩阻力，有效地防止土體發(fā)生過大位移。而且高壓旋噴錨桿筋體可以回收，能夠降低錨桿施工對周圍環(huán)境的影響［13］。圖4～圖6為不同步驟下高壓旋噴錨索內(nèi)力的變化情況。

圖4 第3步支護錨索內(nèi)力云圖

圖5 第4步支護錨索內(nèi)力云圖

圖6 第5步開挖錨索內(nèi)力云圖

從圖4～圖6可以看出前面兩排土釘?shù)膬?nèi)力不隨樁錨支護以后基坑的開挖而改變，其內(nèi)力趨于穩(wěn)定。而高壓旋噴錨索的內(nèi)力則隨著基坑開挖深度的增加而不斷變化，自由段頂部的拉力不斷增大，由8．9935×104N增加到 2．0328×105N。錨固段底部的拉力不斷減小，由7．3982×102N減小到99．110 N。即高壓旋噴錨索受力過程中，自由段頂部承載能力得到充分發(fā)揮，而錨固段底部承載能力的發(fā)揮欠佳，從許多類似工程的實測資料中可得出相同的結(jié)論［14－16］。

3．3 灌注樁圍護體變形

樁錨支護結(jié)構(gòu)體系灌注樁圍護體變形形式有三種，分別是懸臂式，拋物線型和上述兩種形式的組合［17］。本模型中灌注樁圍護體用雙面Liner單元來模擬，Liner單元和實體單元的界面相對于周圍介質(zhì)是剛性的，但是能夠發(fā)生滑移，并可能在預(yù)期荷載作用下產(chǎn)生張開［18］。FLAC3D5．0中新增加的雙面 Liner比FLAC3D3．0中的單面Liner多一個接觸面，更符合工程實際情況。各步驟下灌注樁圍護體的變形如圖7所示。

圖7 灌注樁圍護體側(cè)移

由圖7可知，隨著基坑開挖的加深，灌注樁圍護體的水平位移逐漸增加，但是基本形式保持不變，大致接近于拋物線形，可以歸結(jié)為組合形式。在第3步，由于高壓旋噴錨索和平臺襯砌的抗拉作用使樁頂位移稍微向基坑外側(cè)移動，最大位移為1．6 mm，隨著基坑的繼續(xù)開挖到達第4步，樁頂位移明顯向坑內(nèi)移動，最大位移將近1 cm。最后一步（第5步）開挖完成之后，樁頂水平位移達到2．475 cm，沒有超過基坑支護結(jié)構(gòu)監(jiān)測警報值3 cm，滿足規(guī)范要求。圍護體深層土體水平位移最大值為3．022 cm，沒有超過監(jiān)測警報值5．5 cm，滿足規(guī)范要求。

3．4 基坑外土體沉降變形

依據(jù)工程實踐經(jīng)驗，基坑外土體沉降變形有三角形和凹槽形兩種典型形狀［19－20］。本例中采用的摩爾－庫侖本構(gòu)模型計算回彈結(jié)果是不準(zhǔn)確的，因為當(dāng)采用摩爾－庫侖模型時，體應(yīng)變?yōu)樨撝?，始終表現(xiàn)為體脹變形，計算的豎向變形始終為回彈變形［18］。土體回彈也會帶動灌注樁圍護體的上浮，造成計算結(jié)果偏差很大［21］。圖8為基坑開挖支護不同步驟中基坑周邊地表的沉降量。

由圖8可以看出，在基坑每一步開挖支護的過程中，土體的回彈均已經(jīng)帶動了基坑周邊土體的隆起，這顯然與實際情況不符。在坑外沉降變形方面，摩爾－庫侖模型的計算結(jié)果始終為較大的回彈變形，相對來說，修正劍橋模型計算的基坑變形形式比較合理，計算結(jié)果與實測結(jié)果也比較接近?？油馔馏w最大沉降量為1．905 cm，沒有超過監(jiān)測警報值3．5 cm，滿足規(guī)范要求。

圖8 不同步驟的沉降曲線

4 結(jié) 語

本文通過FLAC3D有限差分軟件對鄭州市嘉辰麗景苑項目深基坑工程項目進行數(shù)值模擬，探討了高壓旋噴錨索與灌注樁支護結(jié)構(gòu)的工作機理，得到了以下幾點結(jié)論：

（1）地面土體的水平位移隨著基坑向下開挖不斷增大，為了保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性在施工場地允許的條件下應(yīng)盡量先放坡開挖，既節(jié)省材料又能夠充分地保證結(jié)構(gòu)的安全。

（2）高壓旋噴錨索的內(nèi)力隨著基坑開挖深度的增加，其自由段頂部的最大拉力不斷增大，錨固段底部的最大拉力不斷減小。

（3）灌注樁圍護體的水平位移隨著基坑開挖的加深逐漸增大，且基本形式保持不變，其變形應(yīng)為組合型位移形式。

（4）在坑外沉降變形方面，摩爾－庫侖模型的計算結(jié)果始終為較大的回彈變形，這與實際不符。

［1］ 張欽喜，尹宜成．樁錨支護破壞形式及實例分析［J］．工業(yè)建筑，2002，32（6）：77-79．

［2］ 黃生根．地基處理與基坑支護工程［M］．武漢：中國地質(zhì)大學(xué)出版社，2004．

［3］ 舒計城．深基坑樁錨支護變形與內(nèi)力實測研究［D］．濟南：山東建筑大學(xué)，2013．

［4］ 劉國彬，王衛(wèi)東．基坑工程手冊［M］．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009．

［5］ 呂 洋．深基坑樁錨支護體系數(shù)值模擬及實例分析［D］．貴陽：貴州大學(xué)，2009．

［6］ 張 璐．土釘墻與樁錨聯(lián)合支護相互協(xié)同作用性能分析［D］．包頭：內(nèi)蒙古科技大學(xué)，2012．

［7］ 黃志全，張瑞旗，王安明．基于FLAC～（3D）的樁錨支護結(jié)構(gòu)變形分析［J］．水利與建筑工程學(xué)報，2015，13（2）：68-72．

［8］ 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(xué)報，2015，13（6）：25-29．

［9］ 李育樞，譚建忠．樁錨支護體系在成都深基坑工程中的應(yīng)用［J］．鐵道建筑，2011（5）：77-80．

［10］ 閆文鵬．深基坑開挖變形與控制技術(shù)研究［D］．青島：山東科技大學(xué)，2011．

［11］ 鄭榮躍，曹茜茜，劉干斌，等．深基坑變形控制研究進展及在寧波地區(qū)的買踐［J］．工程力學(xué)，2011，28（S2）：38-53．

［12］ 趙笑男．深基坑開挖對鄰近既有地鐵隧道影響規(guī)律研究［D］．西安：西安建筑科技大學(xué)，2015．

［13］ 徐龍帥，倪萬魁，劉 魁，等．高壓旋噴錨桿在黃土深基坑支護中的模擬研究［J］．水利與建筑工程學(xué)報，2017，15（5）：134-139．

［14］ 張程林，彭炎華．深基坑樁錨支護數(shù)值模擬及參數(shù)分析［J］．施工技術(shù)，2008，37（S2）：321-324．

［15］ 陳 娟．基坑樁錨支護體系現(xiàn)場試驗與數(shù)值模擬研究［D］．長沙：中南大學(xué)，2008．

［16］ 馮 勇，李 平，姜春艷．FLAC3D在深基坑工程開挖中的數(shù)值模擬分析［J］．水利與建筑工程學(xué)報，2013，11（4）：17-20．

［17］ 郝 兵．臨近地鐵隧道的基坑支護變形控制［D］．長春：吉林大學(xué)，2013．

［18］ 李佳宇．FLAC3D快速入門及簡單實例［M］．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2016．

［19］ 程 建．成灌快鐵深基坑變形規(guī)律監(jiān)測及其支護結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究［D］．成都：西南交通大學(xué)，2011．

［20］ 梁 韻．暗挖地鐵車站設(shè)置原則與施工工法選取研究［D］．北京：北京交通大學(xué)，2011．

［21］ 王 濤．FALC3D數(shù)值模擬方法及工程應(yīng)用—深入剖析 FALC3D5．0［M］．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2015．