注漿微型樁復合土釘在深基坑支護中的應用與數(shù)值模擬

唐咸遠 黃朗 王詩海

摘? ? 要：為研究鋼管樁、樹根樁兩種注漿微型樁復合土釘在深基坑中的支護效果以及開挖過程中基坑的變形情況，以應用兩種注漿微型樁復合土釘?shù)纳罨又ёo工程為例，借助ABAQUS有限元建立數(shù)值分析模型，對微型樁復合土釘施工開挖過程進行模擬，將模擬值與實測數(shù)據(jù)進行對比分析.? 研究表明：基坑的變形參數(shù)均在預警值范圍內(nèi)，微型樁復合土釘支護效果良好;隨著開挖深度的增加，頂部水平位移出現(xiàn)先增大再減小，豎向位移不斷增加，二者開挖完成后趨于穩(wěn)定;開挖中基坑邊不同深度的水平位移出現(xiàn)先增大后減小，再增大再減小的趨勢，最大水平位移出現(xiàn)在深約6 m處微型鋼管樁的頂部，在基坑施工中應重點關(guān)注;基坑不同深度部位的豎向位移會逐漸增大，并在坑底土體出現(xiàn)約19 mm的隆起.

關(guān)鍵詞：注漿微型樁;深基坑支護;復合土釘;數(shù)值分析

中圖分類號：TU473? ? ? ? ? DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2019.04.006

0? ? 引言

注漿微型樁復合土釘墻是將復合土釘墻（注漿微型樁+土釘+掛網(wǎng)噴射混凝土+錨桿+錨索）支護技術(shù)結(jié)合成的復合支護體系，可以發(fā)揮各種支護形式的優(yōu)點，能較好適應建筑深基坑的支護要求，應用日趨廣泛.? 王媛媛等[1]通過數(shù)值模擬分析，認為微型樁+預應力錨桿+土釘結(jié)構(gòu)是深基坑支護中最可靠的.? 孫劍平等[2]提出在復合土釘墻結(jié)構(gòu)中加入微型樁和預應力錨索等變形控制構(gòu)件，能夠解決土釘墻位移過大、安全性低的問題，并有效控制基坑變形和穩(wěn)定;張強勇等[3]采用有限元分析，通過模擬釘-錨-土聯(lián)合作用支護的工作性能，得出土釘、錨桿的存在可有效提高基坑邊坡的變形剛度和土體的抗剪強度;李亮輝等[4]得出在復合土釘墻中增設預應力錨索可有效地限制墻體位移、提高整體抗滑性能;閤超等[5]提出支護樁施工過程中對土體的破壞及樁頂及樁間土的水土流失會導致基坑周邊建筑物沉降變形過大.? 劉文峰等[6]為研究微型鋼管樁+預應力錨桿復合土釘墻的支護效果，通過對基坑進行施工監(jiān)測，得出微型鋼管樁的超前支護可減少放坡空間，且預應力錨桿的加入可有效控制基坑變形.

雖然微型樁復合土釘在實際工程有一定的應用[7-8]，但對其支護機制的數(shù)值分析與實際應用效果方面的研究開展較少，認識不夠深入，且不同的工程所面臨的工程地質(zhì)條件都不一樣.? 為了研究注漿微型樁復合土釘墻的作用機理及檢驗實際應用效果，本文以柳州市某大廈深基坑支護為研究對象，使用ABAQUS軟件對微型樁復合土釘墻支護基坑進行開挖模擬，驗證ABAQUS在模擬基坑開挖時的準確性，并通過數(shù)值計算值和實際監(jiān)測值進行對比分析，總結(jié)基坑開挖過程中的變形規(guī)律，為類似的深基坑工程施工提供實際的參考價值.

1? ? 工程概況

1.1? ?基坑概況

柳州市某大廈規(guī)劃總用地面積為? ? 5 337.0 m2，基坑開挖深度約為10.0 m，基坑頂部的周長約為 311.0 m（底邊約為274.5 m）. 本基坑工程的周邊環(huán)境較為復雜，東面有5棟3層磚混建筑，距離建筑紅線最近處為3.0 m;西面為東堤路，距離建筑紅線最近處為13.0 m;南面為4棟3層磚混建筑到紅線距離為4.4 m;北面為1棟14層框架建筑，距離建筑紅線最近處為? ? ? 10.0 m.? 地下水位為-8.0 m，由于該基坑西面距離柳江約130.0 m，基坑底高程為82.5 m，與柳江警戒水位相同，考慮到基坑施工時會受到柳江漲水影響，故基坑采用管井井點降水. 針對不同的地質(zhì)條件，基坑支護設計采用5種支護形式，如圖1所示.

1.2? ?土體物理力學參數(shù)

根據(jù)工程地質(zhì)勘察資料，得出土體的物理力學參數(shù)如表1所示. 土體的彈性模量取壓縮模量的10倍[9].

1.3? ?基坑支護結(jié)構(gòu)

基坑側(cè)壁安全等級均定為二級，使用期限為12個月. 西面場地條件較為復雜，坑壁土質(zhì)主要由6.00 m厚的雜填土組成，但坑頂無重要建筑物，因此可采用復合土釘墻支護結(jié)構(gòu)，同時設置2種微型樁來提高整體性，以有效限制基坑變形. 結(jié)合工程實際情況，基坑西面設二級邊坡，第一級按1∶0.3放坡開挖，第二級按1∶0.25放坡，二級邊坡交界處設置1.00 m寬平臺;支護采用錨桿土釘+注漿微型樹根樁+預應力錨索+掛網(wǎng)噴混凝土+注漿微型鋼管樁復合土釘進行設計. 微型樹根樁設置在基坑頂部，先鉆孔放置鋼筋籠，后灌入碎石后注漿形成;微型鋼管樁設置在平臺處，鉆孔下放無縫鋼管后注漿形成;為保證樁的整體性，均在樁頂設置鋼筋混凝土冠梁，具體設計詳見圖2.

2? ? 有限元計算模型

2.1? ?模型建立

使用ABAQUS軟件建立二維支護模型，模擬兩種微型樁式復合土釘墻支護在基坑開挖不同階段的變形情況.? 經(jīng)查閱資料[10-11]可知，模型深度計算范圍可取基坑開挖深度的2～4倍，水平方向計算長度范圍可取基坑開挖深度的3～5倍. 因此，取模型計算長度為6倍的基坑開挖深度10.00 m×6=60.00 m，計算高度為4倍的基坑開挖深度10.00 m×4=40.00 m.? 預應力錨索和錨桿則采用桁架單元，土體單元類型為平面應變?nèi)切螁卧?，樁采用平面應力四邊形單元，均為二維平面實體拉伸單元，土體采用摩爾庫倫模型，總網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為9 856個，所建模型如圖3所示.

2.2? ? 模擬計算工況

為了與監(jiān)測數(shù)據(jù)對比，模擬開挖的基本工況如表2所示.

支護結(jié)構(gòu)施工時委托第三方進行基坑變形監(jiān)測 [12]，監(jiān)測滿足下述條件之一應報警：邊坡頂水平及豎向位移絕對值均為55.00 mm，相對基坑深度控制值均為0.6%;坡頂水平位移變化速率10.00 mm/d，豎向位移變化速率控制在5.00 mm/d.

3? ? ?數(shù)值模擬計算與監(jiān)測結(jié)果對比

3.1? ? 頂部位移

通過計算并與監(jiān)測值對比，得出支護結(jié)構(gòu)頂部水平位移監(jiān)測值與數(shù)值計算值如圖4所示，支護結(jié)構(gòu)頂部的豎向位移與計算值如圖5所示.

由圖4可知：支護結(jié)構(gòu)頂部水平位移計算值和監(jiān)測值的最大值分別為5.96 mm和4.00 mm，均滿足規(guī)范的要求;同時，實測值和計算值結(jié)果相近，變化趨勢也一致. 由圖5可知：支護結(jié)構(gòu)頂部的豎向位移計算值和監(jiān)測值的最大值分別為7.57 mm和3.39 mm，監(jiān)測值比計算值大，豎向位移的的累計變化量、位移速率均未達到監(jiān)測報警值要求，表明支護結(jié)構(gòu)的實際防護效果較好.? 數(shù)值計算得出的水平、豎向位移均與實際變形監(jiān)測結(jié)果相符，說明本次通過ABAQUS軟件來模擬微型樁復合土釘墻支護基坑的開挖，其計算結(jié)果是比較準確的. 但支護結(jié)構(gòu)頂部水平位移計算值始終大于實測值，究其原因在于模擬時的混凝土面層剛度未考慮到基坑開挖中以及鋼筋混凝土的彈性模量取值與實際存在一定的偏差，導致基坑頂部的總體剛度比實際小，且面層沒有承擔相應的水平土壓力，沒有起到約束作用，使得模擬計算值大于實測值.? 而頂部豎向位移的模型計算值在早期小于監(jiān)測值原因在于軟件模擬的基坑開挖在每個工況的支護完成時就已經(jīng)開始完全發(fā)揮它們的支護效果，但在實際工程中的支護結(jié)構(gòu)并未完全發(fā)揮其支護效果，隨著基坑開挖的不斷進行，其支護結(jié)構(gòu)才完全發(fā)揮其支護效果.

3.2? ?不同深度的表面位移

基坑逐步開挖的時，不同工況下條件下，通過數(shù)值模擬得出的在基坑頂面以下不同開挖深度的土體水平位移、豎向位移分布分別如圖6、圖7所示.

由圖6可知：隨著基坑開挖深度的增加，水平位移趨勢線出現(xiàn)了先增大后減小再增大最后減小的趨勢;水平位移最大值出現(xiàn)在中下部距離基坑頂部6.00 m處的位置，基本處于微型鋼管樁自由端的頂部，最大值為13.23 mm，表明該部位的變形較大，在施工中應重點關(guān)注并監(jiān)控，必要時可對其支護結(jié)構(gòu)進行加強，以防意外.? 基坑開挖深度在3.00 m左右時，水平位移出現(xiàn)了降低再增加的趨勢是由于預應力錨索的存在限制了該部分土體的水平位移，而遠離預應力錨索的土體受到其約束慢慢減小，其位移也逐漸增大，從而出現(xiàn)先降低后增加的趨勢線.

由圖7可知：隨著開挖深度的增加，土體的豎向位移不斷增大，越靠近坑底的土體，豎向位移就越大;基坑土體的開挖都會對基坑底部以下的豎向位移產(chǎn)生影響，并導致坑底土體出現(xiàn)約19.23 mm的隆起，主要原因在于土體被挖后，坑外土體會向坑內(nèi)產(chǎn)生水平方向的擠壓，微型鋼管樁和樹根樁的存在又限制了土體的水平位移，使得土體產(chǎn)生豎直方向的位移.? 開挖深度在6.00 m左右時，豎向位移也出現(xiàn)降低再增加的趨勢是由于開挖平臺（1.00 m）上的存在使得邊坡土體遠離樹根樁，樹根樁對土體的約束減弱，雖然有微型樁的存在，但樹根樁的約束作用強于微型樁，使得豎向位移在6.00 m處出現(xiàn)了降低再增加的趨勢.

4? ? 結(jié)論

通過ABAQUS模擬兩種微型樁式復合土釘支護在基坑開挖不同階段的變形情況，并結(jié)合基坑工程的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析，得出的結(jié)論有：

1）基坑的變形參數(shù)均在預警值范圍內(nèi)，說明兩種微型樁式復合土釘支護能夠有效地防止基坑產(chǎn)生變形，使其滿足穩(wěn)定性的要求.

2）通過有限元模擬復合土釘墻支護的基坑開挖，得出的模擬計算值和實測值總體趨勢線還是比較相符的，表明了使用ABAQUS 有限元模擬復合土釘墻基坑開挖是可行且準確的.

3）隨著開挖的進行，頂部水平位移出現(xiàn)先增大再減小后增大的現(xiàn)象，其豎向位移不斷增加，二者開挖完成后趨于穩(wěn)定.

4）隨著開挖深度的增加，基坑邊不同深度的水平位移總體趨勢為先增大后減小再增大再減小，最大水平位移出現(xiàn)在深約6.00 m處近微型鋼管樁的頂部位置，表明該部位較易出現(xiàn)問題，在基坑施工中應重點關(guān)注;基坑不同深度部位的豎向位移會逐漸增大，并會在坑底土體出現(xiàn)約19.00 mm的隆起.

參考文獻

[1]? ? ?王媛媛，秦四清.土釘與土釘支護結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬對比分析[J].工程地質(zhì)學報，2006，14（2）：271-275.

[2]? ? ?孫劍平，魏煥衛(wèi)，劉緒峰.復合土釘墻變形規(guī)律的實測分析[J].巖土工程學報，2008，30（S1）：479-483.

[3]? ? ?張強勇，向文.復合土釘墻支護模型及在深大基坑工程中的應用[J].巖土力學，2007（10）：2087-2090.

[4]? ? ?李亮輝，曹笑顰.復合土釘墻在復雜地層條件下的應用[J].巖土工程學報，2008，30（S1）：608-611.

[5]? ? ?閤超，劉秀珍.某深基坑安全開挖引起臨近建筑物較大沉降的實例分析[J].巖土工程學報，2014，36（S2）：479-482.

[6]? ? ?劉文峰，陳之偉，蘇白濟.復合土釘墻在市區(qū)深基坑支護工程中的應用[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2017，44（3）：73-76.

[7]? ? ?黃志全，李小慧，孫怡，等.復合支護下深基坑的變形破壞和支護結(jié)構(gòu)受力演化過程分析[J].建筑科學與工程學報，2015，32（3）：74-80.

[8]? ? ?林書成，周振榮，唐咸遠. 復雜環(huán)境中深基坑綜合支護設計與施工技術(shù)[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2017，44（1）：70-74.

[9]? ? ?張樹龍，董希祥，李連祥.復合土釘墻現(xiàn)場測試及數(shù)值模擬分析研究[J].土工基礎，2014，28（6）：79-82.

[10]? ?張偉園.深基坑樁錨支護體系的空間效應研究[D].邯鄲：河北工程大學，2013.

[11]? ?劉展.ABAQUS有限元分析從入門到精通[M].北京：人民郵電出版社，2015.

[12]? ?中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范：GB50497-2009[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

Application and numerical simulation of grouting micro-pile

composite soil nail in deep foundation pit support

TANG Xianyuan， HUANG Lang， WANG Shihai

（School of Civil Engineering and Architecture， Guangxi University of Science and Technology，

Liuzhou 545006， China）

Abstract： In order to study the support effect of two kinds of grouted micro-pile composite soil nails in deep foundation pit and the deformation of foundation pit during excavation， taking the deep foundation pit support project as an example， the ABAQUS finite element is used to establish a numerical analysis model to simulate the excavation process of the micro-pile composite soil nail construction， and the? simulated value and the measured data are compared and analyzed. The research shows that the? ? ? ? ? deformation parameters of the foundation pit are within the range of warning value， which indicates that the micro-pile composite soil nailing support effect is good; with the increase of excavation depth， the horizontal displacement of the top increases first and then decreases， and its vertical displacement Increasingly， the two tend to be stable after excavation; the horizontal displacement at different depths of the excavation in the excavation first increases， then decreases， then increases and then decreases. The maximum horizontal displacement occurs at a depth of about 6 m. The top of the steel pipe pile should be paid attention to in the foundation pit construction; the vertical displacement of the? ? ? ? ? foundation pit at different depths will gradually increase， and a 19 mm bulge will appear in the soil at the bottom of the pit.

Key words： grouting micro pile; deep foundation pit support; composite soil nail; numerical analysis

（責任編輯：黎? ?婭）