深基坑樁錨支護(hù)位移及內(nèi)力數(shù)值模擬分析

徐孟龍

(河南理工大學(xué) 土木學(xué)院，河南 焦作 454000)

自20世紀(jì)80年代以來，樁錨支護(hù)體系在我國深基坑工程中得到廣泛應(yīng)用。城市進(jìn)程的快速發(fā)展、基坑深度的增加，以及周邊環(huán)境的復(fù)雜性對基坑變形的控制要求愈發(fā)嚴(yán)格等都對基坑工程的安全性提出了挑戰(zhàn)。鐘潛智[1]對FLAC3D模擬、理正計(jì)算和實(shí)測結(jié)果作對比分析，發(fā)現(xiàn)理正計(jì)算值偏大、實(shí)測值次之、模擬值最小，這與多數(shù)研究者得出的結(jié)論一致；李浩[2]利用現(xiàn)場試驗(yàn)研究了冠梁土壓力與內(nèi)力變化規(guī)律以及錨索軸力和樁側(cè)向位移分布特征，豐富了樁土作用的理論研究；夏晉華[3]利用有限元軟件模擬了鄭州某基坑，得出基坑外地表沉降呈拋物線形狀且最大值出現(xiàn)在距離支護(hù)結(jié)構(gòu)1.5倍的開挖深度的結(jié)論；于丹[4]通過FLAC3D模擬發(fā)現(xiàn)樁錨支護(hù)比樁錨土釘墻聯(lián)合支護(hù)效果更好，驗(yàn)證了樁錨支護(hù)的優(yōu)越性；吳才德[5]認(rèn)為在壓頂梁上設(shè)置土錨桿，可有效控制支護(hù)結(jié)構(gòu)變形；王一鳴[6]分析了在考慮基坑外附加荷載作用的情況下，樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)錨索布置的最佳分布形式和最合適位置，為類似工程提供了參考依據(jù)。巖土工程界數(shù)值模擬軟件比較多，F(xiàn)LAC3D數(shù)值模擬軟件是應(yīng)用最為廣泛的軟件之一[7]，可以模擬基坑實(shí)際開挖和支護(hù)的全過程，獲得土體位移場和應(yīng)力場[8-9]。本文運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬計(jì)算軟件對溫縣某深基坑工程的開挖支護(hù)進(jìn)行了全真模擬分析，分析了支護(hù)結(jié)構(gòu)和基坑的變形規(guī)律，并與實(shí)測值對比驗(yàn)證了該模擬的正確性。

1 工程概況

該深基坑工程位于溫縣古溫大街與黃河路交叉口東北角，呈近似矩形，東西向長約105 m，南北向?qū)捈s60 m，開挖深度約11.4 m?；?xùn)|側(cè)為待接續(xù)地下室，南側(cè)自北向南為人行道和黃河路主干道，西側(cè)自東向西有人行道、綠化帶和古溫大街主干道，基坑北側(cè)有3棟建筑，自西向東分別為5F磚混、3F磚混和1F+3F混磚3棟建筑，距離基坑邊緣分別為5.0 m、5.0 m和8.8 m。

1.1 場地工程地質(zhì)條件

擬建工程場地?zé)o發(fā)震斷裂分布。場地覆蓋層厚度大于50 m，屬穩(wěn)定場地。

1.1.1 地形地貌

場地所處地貌類型為黃河沖積平原,場區(qū)地形平坦開闊。地面標(biāo)高最大值107.79 m，最小值107.16 m，地表相對高差0.63 m。

1.1.2 地層

本場地勘察深度范圍內(nèi)除填土外，地基土為第4系全新統(tǒng)沖積層。各土層的工程地質(zhì)特征如表1所示。

表1土層巖土物理力學(xué)參數(shù)
Table1Soillayerphysicalandmechanicalparameters

土層名稱層厚/m重度γ/(kN·m-3)彈性模量E/MPa粘聚力c/kPa內(nèi)摩擦角φ/(°)泊松比 雜填土118.01424.4831.62 0.25 粉土5.2518.0630.0027.00 0.25 粉質(zhì)粘土9.0519.13845.6016.28 0.3 粉土20.0019.61930.0027.00 0.25 粉砂未穿透20.014024.4831.62 0.2

1.2 場區(qū)水文地質(zhì)條件

地下水屬?zèng)_積層潛水。地下水依大氣降水及地下徑流補(bǔ)給，依地下徑流及蒸發(fā)排泄。經(jīng)勘察，場地初見水位與穩(wěn)定水位基本一致。地下水穩(wěn)定水位埋深16.58～17.21 m。地下水水位季節(jié)性變化幅度約2.0 m左右?？辈炱陂g為枯水期，歷史最高地下水水位埋深為14.58 m(標(biāo)高：92.58 m)。含水層主要以濕的粉質(zhì)粘土、粉土、粉砂為主，粉質(zhì)粘土和粉土屬弱透水層，粉砂屬強(qiáng)透水層，故場地的環(huán)境類型屬Ⅱ類。地下水對混凝土結(jié)構(gòu)有微腐蝕性；干濕交替時(shí)對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋有微腐蝕性。根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)工程質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》[10]第7.1.7條，判斷該基坑屬于一級(jí)基坑。

1.3 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

基坑北側(cè)5層磚混結(jié)構(gòu)住宅樓處支護(hù)設(shè)計(jì)圖如圖1所示，采用樁錨聯(lián)合支護(hù)形式，鉆孔灌注樁樁頂為寬1.0 m、高0.6 m的C25鋼筋混凝土冠梁。鉆孔灌注樁樁徑0.8 m、樁間距1.4 m，樁身采用C25混凝土，樁長17.4 m。設(shè)置3排寬0.3 m、高0.5 m的C25鋼筋混凝土腰梁，設(shè)置3道錨索，錨索豎向間距第1排為3.5 m,第2排和第3排為2.5 m，水平間距1.4 m，錨索成孔口徑150 mm。第1排錨索長20.5 m，錨固段長13.5 m，鎖定預(yù)應(yīng)力200 kN；第2排錨索長19.5 m，錨固段長14 m，鎖定預(yù)應(yīng)力200 kN；第3排錨索長17 m，錨固段長12 m，鎖定預(yù)應(yīng)力200 kN。

圖1 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)圖Fig.1 Design of foundation pit support

2 FLAC3D數(shù)值模擬

2.1 建立模型

基坑北側(cè)西部為1棟5F磚混結(jié)構(gòu)住宅樓，距離基坑邊緣為5.0 m，此段為本基坑的最不利荷載部分，本文也只研究此段的基坑支護(hù)。該支護(hù)方案采用機(jī)械成孔混凝土灌注排樁+預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)。由于該基坑開挖面積較大，本次模擬選用基坑北側(cè)5層磚混結(jié)構(gòu)所在位置剖面進(jìn)行計(jì)算，但為了消除邊界條件對模擬結(jié)果的影響，模型在水平方向上取約3倍開挖深度，在豎直方向上取2倍開挖深度[11-12]。模型的尺寸為長×寬×高=35 m×3 m×23 m，共有19 320個(gè)實(shí)體單元，23 359個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，如圖2所示?；娱_挖深度為11.5 m，在水平方向x=0 m及x=35 m約束x軸方向位移，在y=0 m及y=3 m約束y軸方向位移，z軸方向只約束底面z=-23 m處的位移，基坑頂面自由。該計(jì)算模型采用實(shí)體單元和結(jié)構(gòu)單元結(jié)合建模，土體采用實(shí)體單元本構(gòu)模型——摩爾-庫倫(Mohr-Coulomb)模型[13]，開挖土體用空單元(Null)模型模擬，鉆孔灌注樁采用pile結(jié)構(gòu)單元來模擬，預(yù)應(yīng)力錨索采用cable結(jié)構(gòu)單元來模擬，冠梁及腰梁采用beam結(jié)構(gòu)單元來模擬[14]，距基坑邊緣5 m的5層磚混建筑物，按照每層取值20 kPa，基坑外無外加荷載計(jì)算時(shí)取20 kPa，確定該模型基坑頂荷載取值為120 kPa。

圖2 計(jì)算模型圖Fig.2 Calculation model diagram

2.2 參數(shù)選取

2.2.1 土體剪切模量和體積模量計(jì)算

土體的剪切模量G和體積模量K可用下述式(1)和式(2)計(jì)算。

(1)

(2)

其中：E為彈性模量，v為泊松比。

2.2.2 錨索參數(shù)選取

本段支護(hù)中錨索共3排，具體布置及參數(shù)如表2所示。

表2錨索參數(shù)表
Table2Anchorparametertable

支錨道號(hào)類型水平間距/m豎向間距/m總長/m錨固段/m預(yù)加力/kN1錨索4.53.520.513.52002錨索4.52.519.5142003錨索4.52.51712200

2.2.3 冠梁及腰梁參數(shù)選取

本次支護(hù)中冠梁和腰梁均采用混凝土材料，冠梁寬1 m、高0.6 m，腰梁寬0.3 m、高0.5 m。

2.2.4 樁參數(shù)選取及計(jì)算

數(shù)值模擬中需要用到支護(hù)樁剪切耦合彈簧剛度ks和法向耦合彈簧剛度kn，可按式(3)計(jì)算。

(3)

表3冠梁及腰梁參數(shù)表
Table3Crownbeamandwaistbeamparametertable

名稱混凝土等級(jí)截面高度/m截面寬度/m彈性模量/GPa泊松比冠梁C250.61.0280.2腰梁C250.50.3280.2

表4支護(hù)樁參數(shù)表
Table4Supportingpileparameterstable

名稱混凝土等級(jí)樁徑/m周長/m橫截面積/m2彈性模量/GPa泊松比支護(hù)樁C250.82.5120.5024280.2

其中K為樁身接觸土體體積模量，G為樁身接觸土體剪切模量，△zmin為接觸面法向方向連接區(qū)域上的最小尺寸，由劃分的網(wǎng)格決定[13]。

2.3 基坑開挖模擬計(jì)算

模擬過程最大程度地還原基坑實(shí)際開挖支護(hù)過程，具體模擬計(jì)算過程如下：

(1)先建立理想模型，選用本構(gòu)模型為各層土體賦參數(shù)，如體積模量、剪切模量、密度、粘聚力和內(nèi)摩擦角，然后進(jìn)行初始應(yīng)力平衡，得到平衡狀態(tài)。

(2)將初始位移、速度清零，打入beam和pile結(jié)構(gòu)單元，pile單元長度為1.8 m，間距1.5 m，直徑0.8 m，樁長18 m，beam結(jié)構(gòu)單元長度為1.5 m，混凝土灌注樁和混凝土冠梁的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25，然后對beam和pile單元進(jìn)行賦參，設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)等。

(3)工況1：基坑開挖至-4 m，為施作錨索超挖0.5 m。工況2：在-3.5m施作第1排錨索然后施作100 mm厚混凝土面層，進(jìn)行平衡計(jì)算。工況3：開挖至-6.5 m后，在-6.0 m高度及時(shí)施作第2排錨索,然后施作100 mm厚混凝土面層，進(jìn)行平衡計(jì)算。工況4：基坑開挖至-11.5 m后，在-8.5 m高度施作第3排錨索和100 mm厚混凝土面層，然后進(jìn)行平衡計(jì)算。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 基坑外地表沉降分析

基坑外地表沉降云圖及曲線如圖3所示，由圖3a～c可知，隨著基坑土方的開挖，基坑隆起也不斷增大，但基坑底部隆起總量較小，隆起曲線平緩，分析其原因可能是基坑開挖卸荷導(dǎo)致土體應(yīng)力發(fā)生改變引起基坑底部土體向上反彈；由圖3d可知，隨著基坑開挖深度的增大，沉降值逐漸增加，開挖至基坑底部時(shí)，沉降值明顯增大，最大沉降值為10.13 mm；3次開挖支護(hù)平衡之后的沉降曲線均成“勺狀”分布，在勺把的位置3者的沉降值差異較小且距離基坑邊緣都為20 m，說明此次基坑開挖對距離基坑20 m以外的建筑影響不大；基坑外土體的最大沉降值明顯小于規(guī)范要求值，且最大沉降位置并不是距離基坑越近沉降越大，可能是由于排樁、冠梁和錨索共同作用，增大了樁后土體與樁和冠梁之間摩擦力的緣故。

3.2 基坑水平位移分析

基坑水平位移云圖及曲線如圖4a～e所示，由圖4a、b和d可知，前兩次開挖基坑側(cè)壁水平位移量很小,不足2 mm且在基坑頂附近出現(xiàn)輕微的土體隆起現(xiàn)象，說明第1排、第2排錨索和支護(hù)樁聯(lián)合作用效果較好；由于第3次開挖至-11.5 m，開挖深度較大，對土體擾動(dòng)作用以及土對支護(hù)結(jié)構(gòu)的壓力增大，因此第3次開挖后基坑側(cè)壁的水平位移明顯較大；由圖4b、c和d可知，基坑側(cè)壁最大位移出現(xiàn)的位置，約為基坑開挖深度的0.6～0.75倍，最大位移約為11.94 mm，因此在該深度位置應(yīng)做重點(diǎn)支護(hù)和重點(diǎn)監(jiān)測；由圖4e可知，隨著基坑開挖深度的增大，基坑頂部水平位移逐漸增大，第3次開挖引起的位移明顯較大，說明基坑水平位移主要受基坑開挖深度的影響，但最終平衡值為8.6 mm，小于25 mm的規(guī)范要求值，說明該支護(hù)結(jié)構(gòu)可以保證該基坑工程的安全穩(wěn)定。

3.3 支護(hù)樁彎矩和錨索軸力分析

支護(hù)樁彎矩沿樁長的曲線分布如圖5所示，開挖至-4 m時(shí)最大彎矩出現(xiàn)在樁長-4 m的位置且為正彎矩，最大值為9.3 kN·m，開挖至-6.5 m時(shí)最大彎矩出現(xiàn)在樁長-6 m的位置且為負(fù)彎矩，最大值為-16.04 kN·m，開挖至基坑底部時(shí)最大彎矩出現(xiàn)在樁長-10 m的位置且為負(fù)彎矩，最大值為-76.7 kN·m；第3次開挖與前兩次開挖相比，樁身彎矩明顯增大，最大彎矩處基本跟隨基坑當(dāng)前開挖深度位置，出現(xiàn)在該位置與預(yù)應(yīng)力錨索的作用有關(guān)。工況4平衡后的錨索軸力如圖6所示。由圖6可知，第2排和第3排的錨索軸力明顯大于第1排錨索軸力，第1排錨索軸力約為140 kN，第2、3排分別為160 kN和173.7 kN，說明該支護(hù)結(jié)構(gòu)中第2、3排錨索起主要作用；錨索軸力最大位置出現(xiàn)在錨索的端頭處，且從端頭位置向端尾位置逐漸減小。

圖3 基坑外地表沉降云圖及曲線圖Fig.3 Settlement cloud map and curve of foundation pit

圖4 基坑水平位移云圖及曲線Fig.4 Horizontal displacement cloud chart and curve of foundation pit

圖5 支護(hù)樁彎矩分布曲線Fig.5 Moment distribution curve of retaining piles

圖6 錨索軸力分布圖Fig.6 Axial force distribution of anchor cable

圖7 基坑側(cè)壁水平位移模擬與實(shí)測曲線圖Fig.7 Horizontal displacement simulation and measured curve of foundation pit sidewall

3.4 模擬值與實(shí)測值對比分析

基坑側(cè)壁水平位移模擬值與實(shí)測值曲線如圖7所示，由圖7可知基坑側(cè)壁水平位移的模擬值與實(shí)測值的變形規(guī)律基本一致，說明該模擬與實(shí)際工況有很好的一致性，但實(shí)測值整體比模擬值偏大，分析原因可能是模擬計(jì)算時(shí)僅考慮了主要因素而實(shí)際施工過程中的可變因素較多，如天氣的變化以及道路行車的偶然荷載，都會(huì)影響基坑的變形；實(shí)測值的最大值為14.2 mm,比模擬值大2.3 mm,但均出現(xiàn)在基坑深-7 m的位置，實(shí)測值雖然較模擬值偏大，但僅是規(guī)范要求值的56.8%，仍然滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)論

(1)隨基坑開挖，基坑底部隆起逐漸增大但隆起總量較小，基坑外土體沉降曲線分布呈“勺狀”，“勺底”為最大沉降值且最大值出現(xiàn)在距基坑約8 m的位置；3次開挖平衡后，沉降值均在距基坑邊緣20 m的位置達(dá)到穩(wěn)定，說明本次基坑開挖對20 m以外的建筑基本沒有影響。

(2)無論是基坑側(cè)壁水平位移還是基坑頂水平位移，在前兩次基坑開挖過程中變形值均較小，都在第3次開挖時(shí)明顯增大，最大位移出現(xiàn)在0.6～0.75倍的基坑開挖深度的位置，說明基坑開挖深度對基坑水平位移的影響最大。

(3)樁身彎矩最大值出現(xiàn)在當(dāng)前基坑開挖深度附近,且開挖至-11.5 m時(shí)樁身負(fù)彎矩最大，在樁長約10 m的位置；第3排錨索軸力最大，第2排次之，第1排最小,且各排錨索最大軸力的位置均出現(xiàn)在錨索端部,然后向端尾處逐漸減小。

(4)本次模擬中，該基坑的水平位移值、基坑外土體沉降值均在規(guī)范要求的安全值以內(nèi)，且實(shí)際監(jiān)測位移值只達(dá)到規(guī)范要求變形值的56.8%，說明該樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)可以保證該基坑工程的安全與穩(wěn)定性要求。