曹妃甸某基坑預應力錨桿支護效果數(shù)值分析

潘春雷

(西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

基坑支護是巖土工程領(lǐng)域中的熱點和難點，安全又經(jīng)濟地有效控制基坑的變形是人們一直在探索的課題。預應力錨桿支護體系能夠很好地與土體相結(jié)合并利用土體的自穩(wěn)性，因其噴射的混凝土面層具有較好的密封性，所以能夠有效地防止地下水滲流以及地表水對邊坡的破壞，具有施工方便，占用空間小，能夠縮短工期等多種優(yōu)點。

近年來對于基坑支護已經(jīng)取得了許多研究成果。陳勇[1]通過運用理正以及Plaxis軟件對比了多種基坑支護方案，驗證了土釘墻的優(yōu)越性。王偉[2]等使用修正Cam-clay模型得出了土釘長度和超挖都對基坑變形有較大的影響。李澤深[3]等總結(jié)了在考慮多種影響因素時，如何選擇基坑支護形式。郭紅仙[4]等提出了不同土質(zhì)的最佳土釘長度。李卓[5]對比分析了樁錨支護和土釘墻支護以及參數(shù)變化對兩種支護效果的影響。劉霽[6]和江建紅[7]對比了不同的本構(gòu)模型，發(fā)現(xiàn)硬化土模型能夠更好地模擬基坑開挖。

本文使用Plaxis有限元軟件，選擇考慮卸荷的硬化土模型[8-9]來模擬實際的基坑開挖，并對比分析了模擬值與監(jiān)測值，驗證了模型的可行性；通過調(diào)整錨桿的傾角和長度，研究了傾角和長度對支護效果的影響；通過調(diào)整錨桿的位置，模擬了錨桿在不同位置時對上部土體的錨固效果。

1 工程概況

擬建場地位于河北省唐山市曹妃甸區(qū)生態(tài)城，北側(cè)緊鄰新港大道，西側(cè)、南側(cè)靠近濱海大道，東側(cè)臨近橙霞河。除表層填土外，地層屬海相沉積、陸相沖積及海陸交互相沉積地層。場地地下水為孔隙潛水，主要富水層為粉土、粉砂層，含水層厚度大、透水性強、富水性良好。整個基坑采用樁錨支護體系和預應力錨桿等多種支護方式，本文選取預應力錨桿支護進行研究，研究段的基坑開挖深度為5.5 m，基坑支護剖面圖如圖1所示。

圖1 基坑支護剖面(單位：mm)

該段的放坡比為1∶0.41，第一根為預應力錨桿距地表1.5 m，長度為12 m，第二根預應力錨桿距地表3 m，長度為9 m，第三根錨桿距地表4.5 m，長度為8 m，三根錨桿與水平線的夾角全都為15 °。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 假定條件

為了方便計算，在建立計算模型之前，對Plaxis模擬錨桿支護體系做出以下假定：

(1)模型簡化為二維平面應變問題。

(2)假定各層土體為土質(zhì)均勻且各向同性的彈塑性體。

(3)不考慮地下水對基坑的影響。

(4)假定支護結(jié)構(gòu)為理想的彈性體。

(5)不考慮水泥土攪拌樁施工過程的影響。

2.2 計算參數(shù)

根據(jù)勘察報告可知該斷面的土體從上到下依次為素填土、沖填土、粉質(zhì)黏土、粉土和粉質(zhì)黏土，各土層的力學參數(shù)如表1所示。

錨桿的自由段用點對點錨桿模擬，錨固段用土工格柵模擬，EA=2.96×105kN/m，混凝土面層用板模擬，EA=1.6×106kN/m，EI=850kN·m2/m。

2.3 模型的建立及邊界條件

根據(jù)實際工程情況以及精度要求，采用Plaxis有限元軟件，建立一個簡化的二維平面應變模型。根據(jù)工程的對稱性，模型的計算寬度取40 m，計算高度取20 m，基坑的開挖深度為5.5 m。地基土網(wǎng)格采用15節(jié)點的三角形單元劃分，對厚度較大的兩層粉質(zhì)黏土以及錨桿周圍土體的網(wǎng)格進行加密。模型的左右兩側(cè)約束水平位移，底部約束水平以及豎直位移，土體表面為自由面?；舆呌幸粋€20 kPa的超載，計算不考慮地下水的影響。計算模型的網(wǎng)格劃分如圖2所示。

表1 土體力學參數(shù)

圖2 計算模型的網(wǎng)格劃分

2.4 施工工序

因在水泥土攪拌樁施工完成后布置的監(jiān)測點，所以在模型計算時不考慮水泥土攪拌樁的施工影響。根據(jù)實際工程的施工情況，將模型劃分為5道工序。工序1：激活超載以及水泥土攪拌樁；工序2：開挖2 m土體，激活第一排錨桿并施加50 kN的預應力，同時激活坡頂以及開挖處的噴射混凝土面層；工序3：開挖1.5 m土體，激活第二排錨桿并施加50 kN的預應力，同時激活開挖處的噴射混凝土面層；工序4：開挖1.5 m土體，激活第三排錨桿以及開挖處的噴射混凝土面層；工序5：開挖至坑底標高，激活開挖處的噴射混凝土面層。

3 計算結(jié)果分析

3.1 模擬數(shù)據(jù)及現(xiàn)場數(shù)據(jù)對比

圖3為模擬的基坑坡頂水平位移圖，其水平位移最大值在基坑開挖面處，且在遠離開挖面方向的土體水平位移逐漸減小。錨桿周圍土體的水平位移比同一垂直線處其它土體的水平位移大。這些現(xiàn)象都與理論結(jié)果相符合。

圖3 模擬水平位移

圖4為坡頂土體實測和模擬的水平位移對比圖，從圖中可以看出隨著開挖深度的增加，其水平位移也在逐漸的增加，且因為前兩步開挖時對錨桿施加了預應力，對基坑的水平位移有較好的約束作用，所以其水平位移增速較小。實測值與模擬值的變化趨勢基本一致，所以此模型能夠較好的模擬基坑開挖過程。

圖4 實測與模擬的水平位移對比

3.2 錨桿傾角對支護效果的影響

在模擬實際工況的基礎(chǔ)上，將錨桿實際的15 °傾角依次調(diào)整為5 °、10 °、20 °和25 °，并保持其余的計算參數(shù)不變。

錨桿傾角由5 °變化到25 °的過程中，基坑坡頂?shù)乃轿灰埔来螢?2 mm，59.1 mm，60 mm，62.2 mm，65 mm，其水平位移在一定范圍內(nèi)隨著傾角的增大逐漸增大。由10 °變化到15 °時，坡頂?shù)乃轿灰圃黾恿?.9 mm，由15 °變化到20 °時，坡頂?shù)乃轿灰圃黾恿?.2 mm，由20 °變化到25 °時，坡頂?shù)乃轿灰圃黾恿?.8 mm，說明錨桿的傾角過大時不利于基坑的穩(wěn)定。而在傾角由5 °變化到10 °時，坡頂?shù)乃轿灰茰p小了2.9 mm，表明了錨桿傾角過小也不利于基坑的穩(wěn)定。其主要原因是基坑開挖后的邊坡土體的主拉應變與水平方向基本一致，而隨著錨桿傾角的逐漸增加，錨桿逐漸偏離錨桿的主拉應變方向從而受到彎曲作用；又因為錨桿的彎曲剛度值較小，所以對水平方向變形的約束逐漸減小。而傾角過小時，雖然錨桿和錨桿的主拉應變方向基本一致，但是會導致錨桿整體的埋深較淺，土體不能對其提供足夠的錨固力，所以水平位移也隨之增大。因此在實際的施工過程中，要根據(jù)施工方便以及支護的效果選擇合適的傾角。

3.3 錨桿長度對支護效果的影響

以實際的工況為基礎(chǔ)，將錨桿的長度調(diào)整為全部縮短2 m、全部縮短1 m、全部增加1 m和全部增加2 m，其余的計算參數(shù)保持不變。

錨桿由全部縮短2 m到全部增加2 m的過程中，坡頂?shù)乃轿灰埔来螢?1 mm、64.5 mm、60 mm、56.3 mm和51.4 mm，說明隨著錨桿長度的增加，基坑坡頂?shù)乃轿灰浦饾u減少，基坑的安全程度越來越高。但是因為基坑支護是一個臨時的支護結(jié)構(gòu)，只需要滿足基坑穩(wěn)定的最低要求即可，盲目的增加錨桿的長度，反而會造成材料的浪費以及經(jīng)濟的損失。

3.4 錨桿位置對支護效果的影響

從圖3中可以看出水平位移最大值處于邊坡的中上部，沒有發(fā)生在基坑的中部深度位置上，其坑壁水平位移隨深度展現(xiàn)的“鼓肚子”現(xiàn)象不明顯。說明了上層的預應力錨桿對土體的支護效果并不理想。因此在實際工況的基礎(chǔ)上將錨桿的位置做出以下兩種調(diào)整：①錨桿全部上移0.5 m；②考慮到對坑底的支護，在①全部上移0.5 m的基礎(chǔ)上，再只將第一根錨桿上移0.5 m，而其余的計算參數(shù)保持不變。

對于錨桿位置調(diào)整為①時，坡頂?shù)乃轿灰朴?0 mm減小至57.2 mm，且最大水平位移也隨之下移。對于錨桿位置調(diào)整為②時，如圖5所示的水平位移圖，坡頂?shù)乃轿灰朴?0 mm減小至53.8 mm，且坑壁的水平位移隨著深度的分布展現(xiàn)出“鼓肚子”的現(xiàn)象，說明上層的預應力錨桿對于邊坡的支護起到了理想的效果。因此，對于實際工程中的錨桿位置需要布置合理，才能起到更好的支護效果。

圖5 錨桿位置為②時的水平位移

4 結(jié)論

本文通過對曹妃甸地區(qū)某基坑錨桿支護的有限元數(shù)值模擬，將實際工程的監(jiān)測值與模擬值進行了對比，并分析了錨桿的傾角、錨桿的長度和錨桿的位置對支護效果的影響，得出了以下的結(jié)論：

(1)Plaxis有限元軟件中自帶的硬化土模型所得到的模擬值能夠和實際的監(jiān)測值較好的擬合，驗證了模型的可行性。

(2)在一定范圍內(nèi)隨著錨桿傾角的減小越有利于基坑的穩(wěn)定，但是傾角過小會使得錨桿因埋深淺，導致土體不能提供足夠的錨固力，不利于基坑的穩(wěn)定。

(3)錨桿的長度越長，基坑越穩(wěn)定，但是盲目地增加錨桿長度會造成材料的浪費及經(jīng)濟的損失。

(4)錨桿的整體位置偏低時，不利于上部錨桿發(fā)揮對基坑的支護效果，將錨桿適當上移后坑壁的水平位移隨著深度的分布展現(xiàn)出“鼓肚子”的現(xiàn)象。