預(yù)應(yīng)力錨索對樁錨支護(hù)變形影響數(shù)值分析

張凱 范孟華 王瑋

（河南大學(xué)土木建筑學(xué)院 河南開封 475004）

樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)因其材料用量少、低成本、環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)，在深基坑工程中得到了廣泛的應(yīng)用。目前關(guān)于樁錨支護(hù)的研究很多，申海平[1]等對樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的空間分布進(jìn)行了分析，得出樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)變形坑角效應(yīng)的影響范圍和影響系數(shù)；鮑生才[2]通過有限元軟件與實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，得出開挖深度對基坑側(cè)壁穩(wěn)定性的影響規(guī)律；時偉[3]通過現(xiàn)場試驗(yàn)，得出了支護(hù)樁與樁側(cè)土體隨開挖工況而變化的水平位移分布規(guī)律。本文利用ABAQUS有限元軟件，以樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)為研究對象，結(jié)合工程實(shí)例，針對預(yù)應(yīng)力錨索對基坑變形的影響進(jìn)行三維有限元分析。

1 工程概況

該基坑工程位于蘭州某地，擬建建筑25F-27F，地下三層。基坑長度約為205m，寬約為71m，開挖深度為20m。場地底面絕對標(biāo)高為1511.7m。

根據(jù)巖土工程勘察報告，地貌單元屬黃河南岸Ⅰ級階地，場地地層在勘探深度范圍內(nèi)，自上而下主要為①填土層：層厚為4.0m，容重為17.0kg/m3，內(nèi)摩擦角為12°，粘聚力為0.01kPa；②卵石層：層厚為6.0m，容重為23.0kg/m3，內(nèi)摩擦角為30°，粘聚力為0kPa；③第三系砂巖層：厚為50.0m，容重為 24.0kg/m3，內(nèi)摩擦角為 25°，粘聚力為 0.02kPa。

由于考慮到周圍建筑物地下室外墻的影響，故錨索打入位置并不一樣，以基坑?xùn)|側(cè)陽角處為界，將其南側(cè)三排錨索編號1、2、3北側(cè)錨索標(biāo)號4、5、6，各排錨索材料參數(shù)分別為：1號錨索豎向間距3.5m，總長11.0m，預(yù)應(yīng)力150kN；2號錨索豎向間距4.0m，總長13.0m，預(yù)應(yīng)力290kN；3號錨索豎向間距4.5m，總長20.0m，預(yù)應(yīng)力400kN；4號錨索豎向間距4.5m，總長15.0m，預(yù)應(yīng)力180kN；5號錨索豎向間距4.5m，總長17.0m，預(yù)應(yīng)力340kN；6號錨索豎向間距5.0m，總長21.5m，預(yù)應(yīng)力450kN；支護(hù)樁參數(shù)為樁徑1.0m，樁長28m，樁間距1.8m。

2 有限元分析模型的建立

ABAQUS計算模型：長×寬×高為170m×70m×60m，模型底面固定，側(cè)面限制水平位移，上表面為自由邊界。假定土體材料破壞符合Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則。錨索、支護(hù)樁采用線彈性模型。定義M-C本構(gòu)模型的彈性模量由勘測報告中的壓縮模量根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式確定[4]，根據(jù)等剛度原則，將支護(hù)樁等效為地下連續(xù)墻[5]，錨索自由段通過降低溫度的方法對其施加預(yù)應(yīng)力[6～7]。

2.1 不同工況下樁身位移對比

將陽角北側(cè)段中部變形最大的樁體在每個工況下樁身的水平位移數(shù)據(jù)提取，從其結(jié)果看出：樁身最大位移發(fā)生在樁頂位置，并沿樁身長度不斷減小，這與加內(nèi)支撐的變形不同[8]；隨著基坑開挖的進(jìn)行，樁身整體位移不斷增大，說明基坑開挖深度對支護(hù)的變形影響很大；在有錨桿打入的位置，相鄰兩工況樁身變形較小。

2.2 有錨索和無錨索狀況下支護(hù)樁水平位移對比

做出無錨索狀況下的對比模型。將兩個模型中基坑陽角西側(cè)段陽角處樁身位移、陰角處樁身位移、中部樁身位移和西側(cè)段整體樁頂位移分別提取，結(jié)果表明：兩種狀況下，樁身最大位移均發(fā)生在中部，陽角處次之，陰角處最??；樁身整體變形均為上部最大，并沿樁身向下不斷減小；樁身變形差別很大，除陰角處外，其余部位均大于有錨索狀況下樁身位移，預(yù)應(yīng)力錨索對抑制基坑變形效果明顯；陰角處均為基坑變形最小且最穩(wěn)定處，故在實(shí)際工程中可降低該處支護(hù)等級；陽角處變形較大，應(yīng)在工程中重點(diǎn)注意。有錨索和無錨索狀況下，樁頂水平位移差別很大，預(yù)應(yīng)力錨索對抑制基坑變形效果明顯。

2.3 模擬值與實(shí)測值對比分析

通過模擬值與實(shí)測值的對比可以發(fā)現(xiàn)：在基坑的整個開挖過程中，檢測點(diǎn)水平位移檢測值與模擬值具有相似的趨勢且數(shù)值相差不大，說明本模型采取的本構(gòu)關(guān)系是合理的。

圖1

3 結(jié)論

①基坑開挖深度對基坑支護(hù)的變形影響很大；②深基坑樁錨支護(hù)中，預(yù)應(yīng)力錨索對控制基坑變形具有顯著作用；③預(yù)應(yīng)力錨索對基坑陽角效應(yīng)具有明顯抑制作用。

[1]申海平，彭文祥，郝玉，等.深基坑樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的坑角效應(yīng)分析[J].土工基礎(chǔ)，2016，30（01）：73～76+82.

[2]鮑生才.深基坑樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬研究[J].地下空間與工程學(xué)報，2014，10（S2）：1941～1945.

[3]時偉，劉繼明，章偉.深基坑樁錨支護(hù)體系水平位移試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2003（S1）：2355～2358.

[4]賈堤，石峰，鄭剛，徐舜華，安璐.深基坑工程數(shù)值模擬土體彈性模量取值的探討[J].巖土工程學(xué)報，2008，30（S1）：155～158.

[5]李芬祥.深基坑樁錨支護(hù)的數(shù)值模擬分析[D].馬鞍山：安徽工業(yè)大學(xué)，2013.

[6]陳宜言，林松，堯國皇.有限元分析中鋼筋混凝土梁的預(yù)應(yīng)力模擬[J].深圳土木與建筑，2009，6（3）：22～24.

[7]徐前衛(wèi)，尤春安，朱合華.預(yù)應(yīng)力錨索的三維數(shù)值模擬及其應(yīng)用研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2004（S2）：4941～4945.

[8]范東嶺.基于坑角效應(yīng)的深基坑開挖對圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響研究[D].南充：西南石油大學(xué)，2016.