黃土地區(qū)深基坑樁錨支護(hù)的數(shù)值分析

梁存君 普永剛 冀 誠 魏 敏 崔仲卉 賈鑫鑫

中國建筑一局（集團(tuán)）有限公司西北分公司 陜西 西安 710075

隨著我國城鎮(zhèn)建設(shè)的發(fā)展，建設(shè)用地日趨緊張，基坑支護(hù)工程越來越受到周圍環(huán)境的制約，對基坑變形量的控制要求越來越嚴(yán)格。樁錨支護(hù)以其適應(yīng)性強(qiáng)、對施工空間要求小及控制基坑變形能力強(qiáng)等優(yōu)點，在基坑開挖與支護(hù)中得到了廣泛應(yīng)用。

在樁錨支護(hù)設(shè)計中，常將對錨桿施加預(yù)應(yīng)力作為一種優(yōu)化設(shè)計手段。但是不適當(dāng)?shù)念A(yù)應(yīng)力施加可能會對支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。比如，過大的預(yù)應(yīng)力可能導(dǎo)致錨桿超載或者讓支護(hù)樁樁體斷裂[1-2]。因此需要研究錨桿預(yù)應(yīng)力對基坑穩(wěn)定性的影響。

本文以西安市幸福林帶深基坑為研究載體，采用大型有限元軟件Midas GTS，對基坑的開挖與支護(hù)進(jìn)行數(shù)值模擬，將施加不同的錨索預(yù)應(yīng)力下的地表沉降、支護(hù)樁的側(cè)向位移進(jìn)行對比分析。研究成果可為類似基坑工程中樁錨支護(hù)的設(shè)計和施工提供科學(xué)依據(jù)和參考。

1 工程概況

1.1 工程簡介

西安幸福林帶第三工區(qū)北起華清路，南至黃河廠前無名路（長樂路以北約400 m），南北長約1 600 m，東西寬約200 m。

項目總用地面積320 000 m2。幸福林帶項目的建設(shè)內(nèi)容主要為大型地下綜合空間、地下綜合管廊、城市道路下穿區(qū)間、地面市政園林建筑等，是一個大型綜合性的地下工程。該工程基礎(chǔ)和路基埋深各不相同，基礎(chǔ)形式也不相同；同時與地鐵7號線區(qū)間、地鐵8號線區(qū)間和車站相鄰或相交。工程建設(shè)與地鐵施工相互依托與影響。

1.2 地質(zhì)概況

工程地質(zhì)調(diào)查及現(xiàn)場鉆探揭露，擬建場地地表分布有厚薄不均的全新統(tǒng)人工填土，其下為上更新統(tǒng)風(fēng)積新黃土及殘積古土壤，再下為中更新統(tǒng)風(fēng)積黃土，再下為中更新統(tǒng)沖積粉質(zhì)黏土及其中的砂夾層和透鏡體。

2 有限元模型分析

2.1 模型建立

該基坑的支護(hù)面積較大。由于地下建筑要求不同以及場地的不平，基坑的開挖深度是不相同的， 因此在基坑支護(hù)中，不同路段的支護(hù)方法也不相同，部分路段采用了2層支護(hù)樁、2排錨索。選取基坑深度比較有代表性的長纓路施工區(qū)段為載體，進(jìn)行數(shù)值分析。圖1為數(shù)值分析模型，圖2為樁錨支護(hù)剖面示意。

圖1 數(shù)值分析模型

圖2 樁錨支護(hù)剖面

在進(jìn)行基坑開挖的數(shù)值模擬時，模型的選取范圍與基坑的開挖深度、土層的性質(zhì)及基坑的形狀有關(guān)[3-4]。一般情況下，模型豎向的取值范圍為1～2倍的基坑開挖深度[5]。這里基坑的開挖深度為13 m，可以選取模型的深度為25 m，寬度取10 m，基坑內(nèi)取40 m，基坑外取20 m。模型尺寸為10 m×60 m×25 m，一共劃分為46 967個單元，50 353個節(jié)點。

2.2 參數(shù)選取

支護(hù)樁樁體上部有冠梁，基坑開挖的深度為13 m，分3次開挖；第1次開挖6 m；設(shè)置支護(hù)樁以及錨索；第2次開挖4 m；第三次開挖3 m，采用放坡的方式。在對支護(hù)樁進(jìn)行模擬時，為了便于計算，根據(jù)抗彎剛度相等的原則，采用式（1）將支護(hù)樁簡化成等剛度的地下連續(xù)墻。

式中：t ——支護(hù)樁凈距離；

D——支護(hù)樁的直徑。

因此將支護(hù)樁簡化為厚度為 0.271 m的地下連續(xù)墻。本文對支護(hù)樁和錨索的應(yīng)力狀態(tài)以及基坑的變形進(jìn)行模擬分析，根據(jù)已有研究經(jīng)驗可得，冠梁對約束樁體變形起到一定的作用，但是作用不大[6]。而腰梁主要起到分擔(dān)和傳遞錨索拉力的作用，因此在這里并未對腰梁進(jìn)行模擬[7]。本文假設(shè)土體為理想彈塑性體，選擇各向同性摩爾-庫倫本構(gòu)模型。計算過程中初始應(yīng)力場即為自重應(yīng)力場，邊界為位移邊界。

2.3 工況設(shè)置

分以下3種方案進(jìn)行數(shù)值分析計算。1） 方案1：基坑開挖過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)錨索預(yù)應(yīng)力為 200 kN。2） 方案2：基坑開挖過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)錨索預(yù)應(yīng)力為 100 kN。

3） 方案3：基坑開挖過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)錨索沒有施加預(yù)應(yīng)力。

基坑開挖過程中，先打入支護(hù)樁，第1次開挖后，再設(shè)置錨索和預(yù)應(yīng)力，然后繼續(xù)開挖，第3次開挖之前要放坡，直到整個基坑開挖完成。利用單元激活-鈍化技術(shù)來控制開挖過程，分析步驟為：初始地應(yīng)力平衡→第1次開挖→第2次開挖→第3次開挖。

3 結(jié)果分析

3.1 地表沉降

圖3為錨索預(yù)應(yīng)力設(shè)置為200 kN，第1次開挖完成后的土體沉降云圖。圖4顯示的是3種方案下基坑后土體沉降值與基坑邊緣距離之間的關(guān)系。

圖3 土體沉降云圖

圖4 地表沉降

由圖3、圖4可知，施加預(yù)應(yīng)力可使得土體地表沉降量明顯減小。在第1步開挖完成后，沉降最大值并不位于基坑邊緣，而是在距離基坑4～6 m之間。沉降值的曲線呈現(xiàn)先增大后減小的形態(tài)，在錨索未加預(yù)應(yīng)力時，基坑后的土體在距離基坑邊緣4 m處的沉降值達(dá)到最大，最大值為26.3 mm。而錨索預(yù)應(yīng)力為200 kN時，會將沉降最大值點推移到6m處，最大值減小為16.4 mm?；雍笸馏w沉降量隨著遠(yuǎn)離基坑邊緣而逐漸減小，在20 m處，沉降值小于10 mm。當(dāng)把錨索預(yù)應(yīng)力從200 kN降到100 kN時，沉降值的最大值增加1.2 mm。

3.2 支護(hù)樁水平位移

圖5為基坑開挖過程中方案1支護(hù)樁水平位移云圖。圖6是3種方案下支護(hù)樁水平位移曲線。由圖5、圖6可知，對錨索施加預(yù)應(yīng)力對支護(hù)樁水平位移具有明顯改善。在不加預(yù)應(yīng)力情況下，樁頂處最大位移為69.8 mm，樁底處為15.6 mm。在施加的錨索預(yù)應(yīng)力為200 kN時，樁頂處水平位移減少為39 mm。而當(dāng)預(yù)應(yīng)力值變?yōu)?00 kN時，支護(hù)樁位移最大值增加2 mm。

圖5 支護(hù)樁水平位移云圖

圖6 支護(hù)樁水平位移曲線

4 結(jié)語

1）支護(hù)樁的水平位移在樁頂處最大、樁底處最小。對錨索施加預(yù)應(yīng)力可以顯著減少支護(hù)樁的水平位移，降幅可以達(dá)到40%以上。當(dāng)錨索預(yù)應(yīng)力值減小為設(shè)置值的50%時，對支護(hù)樁水平位移的影響不大，樁頂處最大水平位移增幅約為6%。

2）基坑支護(hù)中，通過對錨索施加預(yù)應(yīng)力會顯著減小基坑后土體沉降的最大值，減小幅度在40%以上。使用預(yù)應(yīng)力錨索會改變沉降最大值點的位置。樁錨支護(hù)體系中，對錨索提前施加一定的預(yù)應(yīng)力可有效保證基坑支護(hù)的穩(wěn)定性與安全性。