基坑邊坡支護(hù)的應(yīng)用及有限元分析

劉華東

(中國(guó)水利水電第十一工程局有限公司，鄭州 450001)

基坑開(kāi)挖是基礎(chǔ)工程施工過(guò)程中的難題，也是工程界研究的重點(diǎn)課題之一。在不同的工程地質(zhì)條件和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下選擇適合的施工方案和邊坡支護(hù)手段成為基礎(chǔ)工程施工的決定性因素，如何更為有效、更為經(jīng)濟(jì)合理的選取邊坡支護(hù)方案成為開(kāi)發(fā)商、設(shè)計(jì)單位以及施工單位聚焦的熱點(diǎn)問(wèn)題。

基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定受到工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、場(chǎng)區(qū)建筑物分布情況、降雨條件下雨水入滲等因素影響，使得設(shè)計(jì)考慮的因素較多而使有限元分析較為復(fù)雜.李青青[1]從研究臨近建筑物對(duì)基坑變形、支護(hù)結(jié)構(gòu)位移出發(fā)，確定了建筑荷載作用下應(yīng)力有效影響范圍，對(duì)于實(shí)際工程具有一定的參考價(jià)值，劉天水[2]通過(guò)建立合理的三維邊坡降雨入滲模型，綜合考慮地表徑流與地下流，并進(jìn)行了流固耦合計(jì)算，對(duì)不同降雨強(qiáng)度下三維邊坡的變形進(jìn)行分析。

錨拉支護(hù)是當(dāng)下基坑支護(hù)常用的一種支護(hù)方式，針對(duì)錨拉支護(hù)的應(yīng)用，王鄧峮[3]通過(guò)數(shù)值模擬研究了預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)方式，由此說(shuō)明了錨拉支護(hù)能夠更好的控制基坑的水平位移與坡頂沉降，同時(shí)，錨桿的安放位置對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也有一定的影響。

本文通過(guò)ABAQUS有限元模擬，直觀的從邊坡塑形應(yīng)變分布圖中觀察了邊坡滑動(dòng)面的位置和形狀；同時(shí)通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算知，采用了錨拉支護(hù)方式能夠更好的維持邊坡的穩(wěn)定，且計(jì)算精度更高。

1 工程概況

1.1 工程現(xiàn)場(chǎng)狀況

中?？党蔷幼?、商業(yè)四期項(xiàng)目位于遼寧省沈陽(yáng)市渾南區(qū)沈中大街，總建筑面積74478.9平方米，其中，61#樓、62#樓、67#樓為高層框架結(jié)構(gòu)，56#樓、57#樓為多層建筑，以上項(xiàng)目正處于結(jié)構(gòu)封頂，78#為小學(xué)教學(xué)樓，正處于基礎(chǔ)工程施工階段，基礎(chǔ)形式采用柱下獨(dú)立基礎(chǔ)，基坑為深基坑形式，為防止邊坡失穩(wěn)，因此采用放坡開(kāi)挖，開(kāi)挖深度為5m，坡角為60°。其中61#、62#在基坑附近，距離基坑邊緣4.5米處為施工道路。

1.2 工程地質(zhì)條件

勘測(cè)過(guò)程中共布置鉆孔66個(gè)，補(bǔ)充鉆孔4個(gè)(查明場(chǎng)地雜填土分布情況)，間距約20～25m，孔深10～15m。報(bào)告顯示，場(chǎng)地除1層雜填土外，其余主要地層均可做天然地基，并且在勘探區(qū)內(nèi)，工程地質(zhì)條件較好，地層分布較均勻，局部地基具有不均勻性。

2 既有邊坡支護(hù)存在的問(wèn)題

2.1 程地質(zhì)條件分析

針對(duì)既有邊坡支護(hù)方案，從工程地質(zhì)條件進(jìn)行分析，主要體現(xiàn)在基坑西側(cè)場(chǎng)地地質(zhì)條件較差并且土質(zhì)不均勻，根據(jù)地勘報(bào)告相關(guān)資料顯示，西側(cè)邊坡主要由層狀松散土構(gòu)成。

2.2 荷載作用下的邊坡穩(wěn)定分析

從邊坡所受荷載進(jìn)行分析，主要包括周邊建筑物建筑荷載作用下對(duì)側(cè)向土體的擠壓作用和因施工道路車輛通行造成的振動(dòng)荷載。針對(duì)建筑荷載下邊坡穩(wěn)定性的問(wèn)題，通過(guò)研究臨近建筑物對(duì)基坑邊坡的影響，得到了建筑荷載和土體雙重作用水平應(yīng)力分布、豎向應(yīng)力分布、剪應(yīng)力分布圖，分析結(jié)果見(jiàn)圖1。

由圖1對(duì)比可知：(1)在建筑荷載的作用下，地層中的水平應(yīng)力、豎向應(yīng)力、剪應(yīng)力主要集中分布在建筑基礎(chǔ)的正下方，并且向四周擴(kuò)散，行成了一定的影響范圍，與此同時(shí)，三組應(yīng)力在分布形式上來(lái)看，都呈現(xiàn)出了一定規(guī)則的形狀；(2)建筑物影響下的水平應(yīng)力值與豎向應(yīng)力值變化范圍是一定的。

根據(jù)現(xiàn)階段研究發(fā)現(xiàn)，建筑荷載P值越大，基礎(chǔ)寬度B越大，在土體介質(zhì)中應(yīng)力影響深度范圍也就越廣，并且對(duì)于影響范圍內(nèi)的任意一點(diǎn)，土壓力值與建筑荷載值成正比。

圖1 建筑荷載及應(yīng)力圖

3 錨拉支護(hù)在基坑邊坡支護(hù)中的應(yīng)用

本文介紹的錨拉支護(hù)是將水平擋土板支在柱樁內(nèi)側(cè)，柱樁一端打入土體當(dāng)中，另一端用拉桿與錨樁拉緊，在擋土板內(nèi)側(cè)回填土。其支護(hù)形式見(jiàn)圖2，其主要也適用于開(kāi)挖深度不大的基坑。針對(duì)該種形式的錨拉支護(hù)，主要借助拉桿和錨樁之間的相互作用以及拉桿和土體之間的摩阻力來(lái)傳遞作用力。

圖2 錨拉支護(hù)簡(jiǎn)圖

由圖2可知，拉桿根據(jù)主動(dòng)滑動(dòng)面，分為自由段(非錨固段)和錨固段。自由段處于不穩(wěn)定土層當(dāng)中，拉桿與土層脫離，一旦土層滑動(dòng)，可以自由伸縮，其作用是將錨頭承受的荷載傳遞到錨固段，錨固段處在穩(wěn)定土層當(dāng)中，其與周圍土層牢固結(jié)合，將拉桿所承受的荷載分布到周圍土層中去；錨拉支護(hù)的承載力取決于拉桿強(qiáng)度、拉桿與錨固體之間的握裹力、錨固體與土壁之間的摩阻力等諸多因素。如若要增加錨桿的承載力，不僅需要增大錨固體的直徑，而且應(yīng)增加錨固體的長(zhǎng)度[4]，根據(jù)相關(guān)理論研究，錨固體的錨固深度要超過(guò)滑動(dòng)面的位置，只有這樣才能保證邊坡的穩(wěn)定性。

3.1 錨拉支護(hù)下拉桿自由段長(zhǎng)度的確定

錨桿自由段長(zhǎng)度應(yīng)該根據(jù)滑動(dòng)面的實(shí)際距離與錨桿在土體中的錨固角度來(lái)確定。

(1)

式中：lt為拉桿端部至面壁底端之間的距離；ψ為土體內(nèi)摩擦角；θ為拉桿與水平方向之間的夾角。根據(jù)相關(guān)規(guī)范和相關(guān)學(xué)者的研究，拉桿自由段的長(zhǎng)度一般不宜小于5m。

3.2 錨拉支護(hù)下拉桿錨固段長(zhǎng)度的確定

從地勘報(bào)告顯示，基坑土質(zhì)為粉質(zhì)粘土，根據(jù)GB50007-2002規(guī)范得知，粉質(zhì)粘土其塑形指數(shù)介于10～17之間，屬于粘性土。因此，在對(duì)錨固段進(jìn)行確定時(shí)，應(yīng)該用式(2)進(jìn)行計(jì)算。

(2)

式中：D為錨固體的直徑；K為安全系數(shù)，可取1.6；qs為土體與錨固體的粘結(jié)強(qiáng)度；π為常數(shù)；N為相應(yīng)于作用的標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)，錨桿所承受的拉力值。

4 基于強(qiáng)度折減法的有限元邊坡分析

4.1 模型基本假設(shè)與土體本構(gòu)關(guān)系選取及基本參數(shù)的確定

為深入研究邊坡支護(hù)方案的相關(guān)力學(xué)性能，用應(yīng)用ABAQUS有限元進(jìn)行數(shù)值分析。在進(jìn)行有限單元法的分析時(shí)，簡(jiǎn)化計(jì)算的同時(shí)要符合工程的實(shí)際狀況，本文對(duì)模型進(jìn)行如下簡(jiǎn)化：(1)忽略支護(hù)結(jié)構(gòu)施工和排降水對(duì)土體原有性質(zhì)的影響；(2)剪脹角等于零；(3)利用對(duì)稱性，采用三維有限元模擬對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析；(4)針對(duì)錨拉支護(hù)，錨桿和柱樁之間采用約束。

與此同時(shí)，應(yīng)該考慮模型與周圍土體有一定的相互約束作用，以此對(duì)模型左右、前后以及基底各方向進(jìn)行約束，邊坡模型的底部，Ux=0、Rx=0、Uy=0、Ry=0；邊坡模型的兩側(cè)，在水平方向上進(jìn)行固定，豎直方向上Ux=0、Rx=0。

針對(duì)既有邊坡支護(hù)方案，從工程地質(zhì)條件進(jìn)行分析，主要體現(xiàn)在基坑西側(cè)場(chǎng)地地質(zhì)條件較差并且土質(zhì)不均勻，根據(jù)地勘報(bào)告相關(guān)資料顯示，西側(cè)邊坡主要由層狀松散土構(gòu)成，其主要特點(diǎn)是物質(zhì)結(jié)構(gòu)疏松、空隙較大、土體顆粒之間黏聚力較差、透水性較強(qiáng)，并且容易在邊坡后壁出現(xiàn)張裂縫。

4.2 自然放坡下的有限元分析

在邊坡穩(wěn)定分析中，我們需要確定滑動(dòng)面的位置，圖3與圖4為計(jì)算終止時(shí)的位移等值云紋圖。

圖3 強(qiáng)度折減系數(shù)Fs=1.4等效塑形應(yīng)變分布區(qū)

圖4 強(qiáng)度折減系數(shù)Fs=1.65等效塑形應(yīng)變分布區(qū)

由圖3與圖4可以清楚的判斷出滑動(dòng)面的位置，與極限平衡分析法中的一樣，呈大致的圓弧狀[5]，并且通過(guò)坡角點(diǎn)。基于ABAQUS軟件，在某些情況下，根據(jù)總位移等值線無(wú)法判斷滑動(dòng)面位置，在這種情況下縮減積分單元得到位移等值線，由于位移中包含了第一步中由重力荷載引起的位移，無(wú)法得到滑動(dòng)面位置，因此，此處需要考慮一個(gè)事實(shí)，土坡有失穩(wěn)的趨勢(shì)需要在增量位移中得到反映，因而通過(guò)計(jì)算終止的最后一個(gè)增量步的增量位移來(lái)判斷[6]。

4.3 錨拉支護(hù)條件下的邊坡有限元分析

經(jīng)過(guò)ABAQUS后處理，錨拉支護(hù)下的邊坡應(yīng)力云紋圖如圖5所示。

圖5 錨拉支護(hù)塑形應(yīng)變示意圖

錨拉支護(hù)的作用機(jī)理與當(dāng)下被應(yīng)用到工程領(lǐng)域的斜撐支護(hù)相似，其主要采取相應(yīng)的加固方式對(duì)柱樁進(jìn)行加固，通過(guò)對(duì)錨拉支護(hù)進(jìn)行有限元分析及拉桿軸力驗(yàn)算，證明了錨拉支護(hù)有足夠承載能力來(lái)保證邊坡的穩(wěn)定性，但是，錨桿設(shè)置的位置不同，其支護(hù)效果也不同，根據(jù)王鄧峮[4]關(guān)于錨桿預(yù)應(yīng)力作用的錨固邊坡穩(wěn)定性研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)施加預(yù)應(yīng)力的錨桿(實(shí)際工程中，通常施加的預(yù)應(yīng)力取80～150kN)置于邊坡上部(距離坡頂1.5m處)時(shí)，邊坡安全系數(shù)較無(wú)支護(hù)情況下有明顯的提高。

由于錨拉支護(hù)下支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力較為復(fù)雜，因此，采用彈性地基梁法對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，其計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖6所示。

圖6 平面彈性地基梁法計(jì)算簡(jiǎn)圖

根據(jù)彈性地基梁法的相關(guān)理論，土體由于產(chǎn)生橫向抗力而導(dǎo)致柱樁產(chǎn)生一定的位移，二者成正比例關(guān)系，其關(guān)系式可表示為

p=kxyb0

(3)

式中：p為土體產(chǎn)生的橫向抗力；kx為土的水平反力系數(shù)；y為柱樁在土體作用下的橫向位移；b0為柱樁的計(jì)算寬度。

本文在對(duì)錨拉支護(hù)的研究中，主要采用彈性地基梁m法[7]，橫向荷載集中在豎向彈性處，以水平力H0和彎矩M0為主，當(dāng)樁身有水平荷載q(z)時(shí)，可以得到如下關(guān)系

(4)

(5)

任意深度處的彎矩為

(6)

任意深度處的剪力為

H=a2EI(ay0A3+φ0B3)+aM0C3+H0D3

(7)

式中：H0和D0為柱樁上承受的荷載；y0和φ0為接近地面處的位移與轉(zhuǎn)角；A1、A2、A3、B1、B2、B3、C1、C2、C3、D1、D2、D3、D4為常數(shù)，在計(jì)算過(guò)程中，以上常數(shù)可以通過(guò)查表獲得；EI為維護(hù)結(jié)構(gòu)的抗彎剛度。

本文根據(jù)實(shí)際工程狀況，在距離坡頂1.5m處設(shè)置拉桿，進(jìn)一步維持邊坡的穩(wěn)定性，通過(guò)樁身位移分布發(fā)現(xiàn)，錨拉支護(hù)下樁身位移為12.5mm，符合我國(guó)基坑支護(hù)規(guī)范[8]中對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移的限定值(樁長(zhǎng)的范圍為11.25～13.5mm)，錨桿支護(hù)下樁身位移分布圖如圖7所示。

圖7 錨拉支護(hù)下樁身位移分布圖

5 結(jié)論

(1)強(qiáng)度折減的有限元分析比傳統(tǒng)的極限平衡法更加方便簡(jiǎn)潔，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際狀態(tài)符合的更好。采用了錨拉支護(hù)方式，通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)錨拉支護(hù)能有效抑制滑動(dòng)面的出現(xiàn)，其分析過(guò)程具有可行性，計(jì)算結(jié)果可靠度較高。

(2)運(yùn)用彈性地基梁法對(duì)錨拉支護(hù)下邊坡進(jìn)行分析，研究結(jié)果表明，錨拉支護(hù)對(duì)于維持邊坡穩(wěn)定性具有良好的效果。