基于有限元的樁錨支護(hù)優(yōu)化分析

曹 瑞，何 浩，楊林生

（1.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.合肥學(xué)院，安徽 合肥 230601）

0 引言

近年來，由于高樓大廈崛起和用地資源匱乏，城市地下空間逐漸被開發(fā)，基坑的開挖面積和深度不斷加劇，這些都給支撐系統(tǒng)加大了難度。樁錨支護(hù)技術(shù)適用于基坑較深，開挖條件受限，土層性能較好的深基坑工程。當(dāng)前樁錨支護(hù)研究取得可觀的成績。胡玉麗[1]通過數(shù)值分析對增量法理論進(jìn)一步完善，精確樁錨結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移值的計(jì)算。郭銳劍等[2]結(jié)合具體工程，得出樁錨支護(hù)中第一排錨索的位置對基坑變形影響大的結(jié)論。張志[3]等人運(yùn)用FLAC3 軟件，對比分析預(yù)應(yīng)力損失的因素，并提出降低預(yù)應(yīng)力損失的方法。周勇[4]等人基于蘭州特殊的地質(zhì)條件，提出將基礎(chǔ)樁與支護(hù)樁合二為一使用。徐煜航[5]采用Midas GTS 軟件模擬土釘支護(hù)和樁錨土釘兩種支護(hù)情況，證明了樁錨土釘支護(hù)更具有優(yōu)越性。本文依托工程案例，分析影響基坑支護(hù)穩(wěn)定的因素。

1 工程案列

本文以某泵房為例，基坑為長方形，基坑總長68m，寬66m，東面不遠(yuǎn)處為某水處理廠，西面為高20m 的高地，南側(cè)與北側(cè)為平地。本工程安全級(jí)別為一級(jí)，考慮工程的開挖量和施工方便捷，采用樁錨式支護(hù)結(jié)構(gòu)方案。

1.1 水文條件

工程中所在場地地下水為第四系孔隙潛水，主要補(bǔ)給源頭為大氣降雨。地下水位103m 左右，為承壓水。

1.2 地質(zhì)條件與土體參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)勘察資料，場地的地貌單元為山前傾斜地貌單元，場地地勢相對平坦。地層主要是黏性土和中風(fēng)化巖，黏性土平均厚度為22m，中風(fēng)化砂巖平均厚度為38m。

2 MIDAS 數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值計(jì)算模型建立

模型整體尺寸長、寬、高分別為152m、30m、60m。根據(jù)開挖深度的深淺選取基坑最不利開挖面剖面，基坑長度方向?yàn)?0m，寬度方向?yàn)?0m，深度方向?yàn)?9m。將在CAD 中畫好的圖形導(dǎo)入MIDAS 軟件二維平面上，按幾何處理、網(wǎng)格劃分，邊界、荷載設(shè)置，施工階段定義的步驟順序建立三維模型。

本模型采用修正摩爾本構(gòu)模型，選用混合網(wǎng)格生成器，模型共劃分節(jié)點(diǎn)數(shù)量為47992 個(gè)，單元數(shù)量為47066 個(gè)，預(yù)應(yīng)力錨索采用植入式桁架單元，每排同時(shí)施加300kN 的預(yù)應(yīng)力，共8 排。支護(hù)樁長為24.7m，直徑為1m，間距1.5m。根據(jù)等效剛度H=是單樁直徑，bk是相鄰樁的中心間距，可用厚度為0.6m 的板單元進(jìn)行等效模擬。

2.2 模型開挖階段主要步驟

初始階段：初始地應(yīng)力分析，位移清零。

工況一：施加基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)。

工況二到工況九：從上往下依次每開挖2m，插入一排錨索。

工況十：向下繼續(xù)開挖3m 直至坑底。

2.3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

2.3.1 支護(hù)樁的水平位移

基坑開挖施工中，第一層土被開挖，土體初始應(yīng)力平衡被打破，基坑外側(cè)土體有向坑內(nèi)移動(dòng)的趨勢，基坑側(cè)壁的位移變形呈現(xiàn)出鼓肚行，變形趨勢越來越明顯?；油瓿珊?，樁在樁頂位置時(shí)水平位移發(fā)生突變，因?yàn)闆]有安置錨桿，支護(hù)樁相當(dāng)于懸臂式支護(hù)。繼續(xù)開挖土體，位移變化隨深度增大，在基坑中下部分位置14m 處，水平位移值最大為22.8mm。《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（GB 50497—2019）》規(guī)范中規(guī)定一級(jí)基坑的水平位移必須小于30mm，基坑的水平位移并未超過警戒值，符合規(guī)范。

2.3.2 基坑地表沉降分析

最大沉降發(fā)生在距離圍護(hù)結(jié)構(gòu)16m 處，基坑的最大沉降值為17.51mm?；映两档那€圖非常相似，基坑開挖會(huì)產(chǎn)生“空間效應(yīng)”，呈現(xiàn)兩端小中間大。隨著開挖深度的增加，地表的下沉也越來越明顯。初次開挖，開挖面的荷載被卸去，周圍土體的主動(dòng)土壓力作用下引起較大的不均勻沉降；工況三到工況五，開挖深度較淺，預(yù)應(yīng)力錨索對樁施加錨固力，產(chǎn)生內(nèi)力重分布，沉降緩和；工況五到工況九，進(jìn)一步的開挖使變形加快；開挖完成后，形成最大沉降。參考《建筑基坑支護(hù)規(guī)程》，一級(jí)基坑的最大沉降量0.15%H，本工程沉降處于安全允許范圍。

3 基坑變形因素分析

在深基坑中樁錨支護(hù)的支護(hù)原理即通過錨桿的錨固力和樁的阻滑力對基坑起到穩(wěn)定作用。本文通過有限元軟件，探討錨固角、預(yù)應(yīng)力、錨固長度對基坑變形的影響，對錨索進(jìn)行優(yōu)化分析。

3.1 錨固角對基坑變形的影響

樁錨支護(hù)中，一般建議錨桿的傾角允許值為15°～30°，最大不得超過45°。本文分別取15°、20°、25°、30°錨固角，分析基坑的變形影響。

由圖1 可以看出，傾角在15°～20°之間，最大水平位移和地表沉降變化增量相對大一些，分別保持在1.40mm 和1.31mm，傾角在20°～30°時(shí)，支護(hù)樁的變形和地表沉降增量為0.70mm 和0.68mm。因而，錨桿傾角在15°～30°之間對基坑的影響變化不大，繼續(xù)增大錨桿角度，錨桿的水平分力和垂直分力將會(huì)減少，降低錨固效果。因此為了施工的方便，一般將錨桿角度設(shè)置為15°即可。

圖1 錨索錨固角變化水平位移級(jí)地表沉降曲線

3.2 預(yù)應(yīng)力對基坑變形的影響

預(yù)應(yīng)力變化對支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，如圖2 所示，預(yù)應(yīng)力從200～250kN，水平位移減小比值為11.12%，預(yù)應(yīng)力從250～300kN，減小比值為10.24%，預(yù)應(yīng)力從300～350kN，減小比值為9.66%。隨著預(yù)應(yīng)力的增大，支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大水平位移得到改善，開始增加預(yù)應(yīng)力，水平位移減少得快，繼續(xù)增加會(huì)有放緩的趨勢。地表沉降方面，預(yù)應(yīng)力的增大對基坑沉降的降低并不明顯，始終保持0.5mm 左右差值。由此可見，適當(dāng)增加預(yù)應(yīng)力的大小對基坑的變形有很大的改善。預(yù)應(yīng)力過大會(huì)造成損失率增大，預(yù)應(yīng)力的損失監(jiān)測必須考慮在內(nèi)。在本工程中建議采用施加250～300kN 的預(yù)應(yīng)力。

3.3 錨固長度對基坑變形的影響

圖2 錨索預(yù)應(yīng)力改變水平位移和地表沉降曲線

在總長度不變的前提下，分別采用錨固長度12m、15m、17m，20m 進(jìn)行模擬分析。由圖3 可知，錨桿的錨固長度為12m 時(shí)，支護(hù)樁的最大水平位移14.90mm，錨固長度為15m 時(shí)，支護(hù)樁的最大水平位移18.23mm，錨固長度為17m 時(shí)，支護(hù)樁的最大水平位移22.78mm，錨固長度為20m 時(shí)，支護(hù)樁最大水平位移31.75mm，水平位移變化值分別為3.33mm、4.55mm、8.97mm。當(dāng)錨固段長20m 時(shí)，位移達(dá)到31mm，超過安全允許范圍。基坑的地表最大沉降分別為12.14mm、14.46mm、17.51mm、23.64mm。由此可以得出錨固長度與水平位移和地表沉降成反比關(guān)系的結(jié)論。當(dāng)總長度不變，對錨索體進(jìn)行張拉，錨固段和巖土體之間會(huì)產(chǎn)生摩擦阻力，達(dá)到最大值后，增加錨固段占比，單位長度上的摩阻力會(huì)逐漸降低直至為零。

圖3 錨索錨固長度變化水平位移和地表沉降曲線

所以，錨索的錨固長度控制在12mm 時(shí)，支護(hù)樁的水平位移和豎向沉降都較小，符合安全準(zhǔn)則，不僅能夠確保基坑更加穩(wěn)定，而且可以節(jié)省材料費(fèi)用。

4 結(jié)論

根據(jù)MIDAS 有限元模擬結(jié)果，對實(shí)際工程相關(guān)參數(shù)變形情況進(jìn)行研究，總結(jié)出如下結(jié)論：

（1）錨索的傾角在15°～30°之間時(shí)，最大水平位移變化不明顯。超過允許值，支護(hù)樁的水平位移和沉降將會(huì)增大，在本工程中將錨桿角度設(shè)置成15°，不僅能充分發(fā)揮錨索的價(jià)值，也便于施工。

（2）隨著對錨索施加的預(yù)應(yīng)力不斷增大，支護(hù)樁的最大水平位移和地表最大沉降會(huì)越來越小，為了使錨索被充分利用，同時(shí)考慮預(yù)應(yīng)力損失率，建議將錨索設(shè)置為250～300kN。

（3）錨固長度對支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響比較明顯，合理的錨固長度能使錨索與巖土之間有可靠的摩擦阻力。從綜合經(jīng)濟(jì)和有效兩方面因素考慮，錨固長度設(shè)置為12mm 時(shí)比較適宜。