深基坑工程中內(nèi)撐式樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用研究

王龍祥

（河北中色華冠巖土工程有限公司，河北 廊坊 065201）

內(nèi)撐式樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)是將錨桿與內(nèi)支撐等支護(hù)構(gòu)件組合在一起，形成穩(wěn)定的支護(hù)結(jié)構(gòu)，保證支護(hù)樁均勻受力，提高基坑支護(hù)工程的安全性。利用FLAC 3D數(shù)值分析軟件，模擬基坑支護(hù)現(xiàn)場施工的實(shí)際情況，建立基坑支護(hù)的數(shù)值模型，選擇相應(yīng)參數(shù)，計算出現(xiàn)場基坑支護(hù)工程的數(shù)值，為內(nèi)撐式樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用提供了參考。

1 內(nèi)撐式樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)

內(nèi)撐式樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)是一種內(nèi)撐式與錨桿式相結(jié)合的樁錨撐組合支護(hù)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)能嚴(yán)格控制支護(hù)樁的水平位置，在減少工程投資的基礎(chǔ)上，提高工程施工進(jìn)度。由于內(nèi)撐式樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)具有樁錨組合和樁撐組合的特性，因此，其變形強(qiáng)度較大，受力更科學(xué)，在施工中能最大程度地發(fā)揮材料的潛力，解決基坑工程施工中存在的相關(guān)問題，在基坑工程施工中被廣泛采用。內(nèi)撐式樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)綜合利用聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)中各支護(hù)構(gòu)件的優(yōu)點(diǎn)，提高了內(nèi)撐式樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的適用范圍和安全性，同時也解決了基坑支護(hù)中存在的一些問題。該支護(hù)結(jié)構(gòu)在復(fù)雜的深基坑工程施工中，采用錨桿與內(nèi)支撐相結(jié)合的支護(hù)體系，可以將支護(hù)樁的受力傳遞到周圍土層，使支護(hù)樁的受力均勻，在允許的范圍內(nèi)發(fā)生變形。在基坑工程中，根據(jù)實(shí)際情況，采用內(nèi)撐樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)，充分利用支護(hù)構(gòu)件的特性，提高了基坑穩(wěn)定性。

2 支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力和變形

2.1 影響樁頂位移的因素

（1）支撐水平間距。當(dāng)支撐間距較小時，樁頂最大位移減小，施工時可用少量支護(hù)樁；當(dāng)支撐間距大時，則減少支撐樁的數(shù)量，樁頂最大位移增加，因此，合理設(shè)置支撐間距很重要。樁頂位移與支撐水平間距呈正比曲線關(guān)系，且隨支撐間距的增大而增大。為此，對支護(hù)樁的水平距離應(yīng)進(jìn)行科學(xué)設(shè)計、合理布局，在有效控制支護(hù)樁頂最大位移的基礎(chǔ)上減少工程投資。

（2）基坑地面過載。在基坑施工中基坑周圍存在地面荷載，允許有一定的荷載值存在，但實(shí)際施工中，由于荷載超過基坑承載值，基坑工程施工缺乏安全保障，應(yīng)合理控制基坑周邊荷載。隨著基坑地面荷載的增大，樁頂最大位移也也隨之增大，荷載對基坑支護(hù)有一定的影響。因此，在基坑施工中，應(yīng)將基坑周邊的荷載控制在設(shè)計荷載范圍之內(nèi)。

（3）豎向間距系數(shù)。樁頂最大位移受影響很大，其變化隨間距的增大而增大，一般是先減小后增大。在豎向間距系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)值時，樁頂位移變化最小，在實(shí)際施工中，采用豎向間距系統(tǒng)的最優(yōu)解選擇支護(hù)結(jié)構(gòu)的深度，但在實(shí)際施工中，最優(yōu)解與實(shí)際值會有一定誤差，這主要受施工地質(zhì)條件和施工現(xiàn)場因素的影響。

（4）相對間距系數(shù)。相對間距系數(shù)對樁頂位移改變很小，一般受影響的樁頂位移變化范圍在3mm以內(nèi)。在支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計中同時對豎向間距系數(shù)和相對間距系數(shù)采用最優(yōu)解，樁頂位移才能達(dá)到最小值。

（5）開挖深度系數(shù)。對樁頂位移有一定的影響，開挖深度系數(shù)與樁頂最大位移呈線性關(guān)系，開挖深度系數(shù)增大后，樁頂位移也隨之增大，但當(dāng)開挖深度系統(tǒng)增大到相應(yīng)值時，對樁頂位移的影響逐漸減小?；娱_挖工程中要避免基坑超挖，超挖將導(dǎo)致樁頂位移增大。

2.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力及變形

2.2.1 冠梁受力變形

2.2.2 支護(hù)樁受力變形基坑開挖深度與樁身水平位移成正比關(guān)系，基坑開挖深度增大，支護(hù)樁的位移也相應(yīng)增大，內(nèi)支撐支護(hù)樁結(jié)構(gòu)中樁身在中部位置發(fā)生位移。假設(shè)支護(hù)樁端嵌固過程中未發(fā)生位移，則支護(hù)樁位移呈拋物線變化。

3 參數(shù)對支護(hù)結(jié)構(gòu)中樁體內(nèi)力的影響

3.1 FLAC 3D數(shù)值分析軟件

FLAC 3D通過數(shù)值分析對支護(hù)結(jié)構(gòu)受力情況和變形特性進(jìn)行模擬，并用混合離散法有效解決塑性問題，F(xiàn)LAC 3D作為數(shù)值分析軟件更科學(xué)、可靠。計算中采用的FLAC 3D方法是一種動態(tài)求解方法，該方法誤差小、計算結(jié)果準(zhǔn)確。FLAC 3D內(nèi)部包含眾多結(jié)構(gòu)單元，可對實(shí)際構(gòu)件進(jìn)行模擬，而且建模簡單、計算快、結(jié)果準(zhǔn)確。利用FLAC 3D軟件構(gòu)建模型并模擬分析了支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力和變形特性，將模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，確定模型參數(shù)。在基坑支護(hù)工程中利用FLAC 3D數(shù)值分析軟件，可實(shí)現(xiàn)對內(nèi)撐式樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)受力情況和變形特性進(jìn)行準(zhǔn)確的數(shù)值模擬以及數(shù)據(jù)分析，為內(nèi)撐式樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用提供了數(shù)值依據(jù)。

3.2 構(gòu)建數(shù)值模型

3.2.1 基本假定

在深基坑工程施工中，諸多外界因素都會影響支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力情況，利用FLAC 3D軟件構(gòu)建數(shù)值模型，對支護(hù)條件和地質(zhì)條件等因素進(jìn)行模擬，以達(dá)到或接近實(shí)際施工工況的要求，并對支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形特性和受力情況進(jìn)行模擬，為內(nèi)撐式樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)參考。

基本假定：基坑開挖施工前期應(yīng)采取防水措施，控制施工現(xiàn)場的地下水深度，將地下水控制在開挖面的1m以下。由于施工現(xiàn)場的土層分布不均勻，且土層土質(zhì)比較復(fù)雜，因此，在數(shù)據(jù)模型中按照土層均勻分布進(jìn)行建模，數(shù)值選取平均厚度和均勻分布的土層進(jìn)行設(shè)定。由于數(shù)值模型計算中存在局限性，對錨索預(yù)應(yīng)力損失值不能充分考慮，且錨索也是一次性施工完成，因此，數(shù)值模擬忽略了錨索預(yù)應(yīng)力損失。土體受到外界擠壓會發(fā)生變形，但在數(shù)值模擬中無法計算施工中造成的土體變形，所以，開挖前的支護(hù)樁對土體造成的影響可以忽略不計。工程施工中的支護(hù)結(jié)構(gòu)均設(shè)為彈性體。

3.2.2 土體本構(gòu)模型及參數(shù)

土體本構(gòu)模型可以模擬支護(hù)樁受力與變形之間的關(guān)系，并體現(xiàn)出土體的力學(xué)性能，數(shù)值計算中的關(guān)鍵步驟是選取本構(gòu)模型。本構(gòu)模型模擬根據(jù)實(shí)際勘察數(shù)據(jù)，選用M-C模型，其計算速度快，應(yīng)用于多種土體，其中L為體積參數(shù)模量，N為切變參數(shù)模量，F(xiàn)為彈性參數(shù)模量，為泊松比，參數(shù)之間的關(guān)系如下：

已知泊松比和壓縮模量，可在模型中計算出所需的體積模量和切變模量。其中，彈性模量與壓縮模量之間的關(guān)系如公式（3）。施工前期勘察中，選取土體的壓縮模量，通過試驗(yàn)可得壓縮模量小于彈性模量，將壓縮模量擴(kuò)大3～6倍可計算出彈性模量，模型計算結(jié)果與實(shí)際情況比較符合，或在公式（5）中計算彈性模量，參數(shù)取值應(yīng)以實(shí)際測量的數(shù)據(jù)為依據(jù)，經(jīng)多次調(diào)試計算出土體的彈性模量。

3.2.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)及參數(shù)

支護(hù)結(jié)構(gòu)建模及參數(shù)見表1。

表1 支護(hù)結(jié)構(gòu)建模參數(shù)

基坑工程土體形成過程會受外力作用，一般情況下土體為固態(tài)，感受自然應(yīng)力，為提高模擬數(shù)值的準(zhǔn)確性，土體消除自重對模型進(jìn)行初始平衡。利用FLAC 3D可采用多種方法對土體自重引起的沉降進(jìn)行消除。支護(hù)結(jié)構(gòu)模型模擬方法：支護(hù)材料的抗拉強(qiáng)度取較大值，以保證支護(hù)結(jié)構(gòu)模型在自重應(yīng)力下平衡。模型中心位置對稱，受到豎直向下的重力影響，水平方向不發(fā)生位移。結(jié)合施工土體實(shí)際情況，賦值土體參數(shù)，從模型中分析支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生的變化。在模型中模擬基坑開挖工序，并進(jìn)行分布模擬運(yùn)算，在保證基坑支護(hù)施工安全的前提下，控制支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，在基坑開挖地面距離0.6m以下的基礎(chǔ)上安裝支護(hù)構(gòu)件，施工開挖工況模擬見表2。

表2 施工開挖工況模擬

3.3 數(shù)值結(jié)果分析

利用FLAC 3D軟件對基坑開挖工況進(jìn)行模擬，計算并記錄整個支護(hù)構(gòu)件受力和位移變化。利用FLAC 3D數(shù)值分析軟件構(gòu)建數(shù)值模型，模擬基坑施工現(xiàn)場工況，對土體本構(gòu)模型參數(shù)和支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行計算，并用數(shù)值分析法研究了支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移、樁身彎矩、內(nèi)支撐軸力和錨索受力。

（1）支護(hù)樁身變形分析。在開挖過程中，樁身水平位移與開挖深度之間成非線性增加關(guān)系，隨開挖深度增大，支護(hù)樁位移也隨之增大。由于受周邊巖土土體的約束，支護(hù)樁底部位移變化幾乎為零，模擬數(shù)據(jù)與實(shí)際測量數(shù)據(jù)一致。隨著支撐構(gòu)件暗盒錨索構(gòu)件的安裝，對支護(hù)樁位移進(jìn)行了有效限制，并分擔(dān)了支護(hù)樁承受的外力。開挖深度在15m處安裝了鋼支撐，有效限制了支護(hù)樁位移。

（2）樁身彎矩分析?；娱_挖深度增大，樁身最大彎矩也隨之增大，原因是錨索和內(nèi)支撐的安裝，促使支護(hù)樁彎矩發(fā)生拐點(diǎn)，樁身受力合理改變了樁身的彎矩分配。鋼支撐預(yù)加應(yīng)力，樁身發(fā)生變化，與懸臂支護(hù)結(jié)構(gòu)明顯不同，支護(hù)樁彎矩呈弓字形狀分布。隨著基坑施工的進(jìn)行，樁身彎矩逐漸減小，開挖結(jié)束后最大負(fù)彎矩在開挖面以上，最大正彎矩在開挖面下。

（3）內(nèi)支撐軸力分析。通過內(nèi)支撐軸力可以準(zhǔn)確地確定支撐選型和尺寸，開挖深度在20m處內(nèi)支撐軸力最大，且位于基坑中間位置，在靠近基坑側(cè)面的冠梁分擔(dān)了支撐軸力，所以，基坑側(cè)面支撐軸力小。內(nèi)撐式樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)兼具樁錨、樁撐相結(jié)合的特性，支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形強(qiáng)度較大，受力更科學(xué)，在應(yīng)用過程中可最大程度地發(fā)揮施工材料的潛能，并解決基坑工程施工中存在的相關(guān)問題。在基坑開挖結(jié)束后進(jìn)行底板施工時，基坑底板降低了基坑支撐內(nèi)力，在保證安全的前提下，應(yīng)盡快進(jìn)行基坑開挖工程中的支護(hù)結(jié)構(gòu)施工和土方開挖施工，最大程度減少基坑支護(hù)工程的危險性。

（4）錨索受力分析。錨索軸力在施工過程中增長較慢，支護(hù)構(gòu)件安裝的每一步都能減小錨索的外力影響，錨索與樁之間也逐漸達(dá)到受力平衡。在底板后續(xù)施工中緩解了錨索軸力，因而錨索軸力的增加逐漸減小，錨索錨固段承受支護(hù)樁的外力，錨固段逐漸減小，軸力也逐漸減小，直至受力為零，錨固構(gòu)件安裝完成。施工中要保證錨固開始段在危險滑動面之外，這樣才能保證基坑施工安全。

4 結(jié)語

內(nèi)撐式樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)綜合利用聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)中各支護(hù)構(gòu)件的優(yōu)點(diǎn)，提高了內(nèi)撐式樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的適用范圍和安全性，同時也解決了基坑支護(hù)工程中存在的一些問題。利用FLAC 3D軟件構(gòu)建模型模擬分析了支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力及變形特性，并將模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)對比，確定模型參數(shù)，最終得出內(nèi)撐式樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用的數(shù)據(jù)，為內(nèi)撐式樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用提供了理論依據(jù)。