深基坑開挖中雙排樁＋錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)值分析

通過(guò)Midas/GTS軟件對(duì)長(zhǎng)沙某高層建筑深基坑雙排樁+錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值分析，驗(yàn)證深基坑開挖中雙排樁+錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性，研究分析了支護(hù)體系的變形特性，前、后排樁水平位移、整體位移及內(nèi)力隨深基坑開挖工況變化的規(guī)律，錨索結(jié)構(gòu)在雙排樁+錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)的變形、受力分析，說(shuō)明在深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)中應(yīng)差異化設(shè)計(jì)前、后排樁，可減少工程材料浪費(fèi)，同時(shí)應(yīng)充分發(fā)揮錨索對(duì)前排樁的限制作用，有效限制前排樁的水平位移。

深基坑； 雙排樁； 錨索； 有限元分析

TU94+2A

［定稿日期］2023-08-10

［作者簡(jiǎn)介］楊孝博（1994—），男，碩士，工程師，從事施工技術(shù)工作。

0 引言

在基坑支護(hù)形式中，樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)是將錨索的一端固定在開挖基坑外的穩(wěn)定地層中，另一端與支護(hù)樁相聯(lián)的基坑支護(hù)體系，結(jié)構(gòu)形式成熟且安全經(jīng)濟(jì)，被廣泛應(yīng)用于深基坑支護(hù)工程中［1］。雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)是由兩平行排樁及樁頂冠梁和連梁組成，結(jié)構(gòu)形式如同門式框架，受力性能好、施工方便［2］。近年來(lái)，結(jié)合雙排樁支護(hù)和樁錨支護(hù)的結(jié)構(gòu)特性及優(yōu)點(diǎn)，雙排樁+錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)作為一種新型支護(hù)結(jié)構(gòu)得到推廣使用，可有效控制基坑變形，又保證地下室施工的作業(yè)面，特別在深基坑中應(yīng)用價(jià)值高。

近年來(lái)一些學(xué)者對(duì)雙排樁+錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)開始研究，趙貴生等［3］通過(guò)實(shí)際項(xiàng)目結(jié)合數(shù)值分析驗(yàn)證在市區(qū)復(fù)雜環(huán)境下支護(hù)體系可行性。蓋文等［4］在緊鄰建構(gòu)筑物基坑中雙排樁與錨索聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)體系與傳統(tǒng)樁錨支護(hù)體系對(duì)比分析。阿比爾的、范剛、王鴻運(yùn)等［5-7］作者針對(duì)雙排樁+錨索支護(hù)體系結(jié)合實(shí)際工程，采用試驗(yàn)儀器、監(jiān)測(cè)儀器采集數(shù)據(jù)分析基坑變形規(guī)律特性以及對(duì)周邊建筑物變形的影響，獲得了大量成果。

本文結(jié)合湖南長(zhǎng)沙某深基坑支護(hù)工程設(shè)計(jì)方案，采用Midas/GTS軟件對(duì)雙排樁+錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值分析計(jì)算，模擬基坑開挖詳細(xì)步驟，分析雙排樁+錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)的工作機(jī)理。

1 工程概況和計(jì)算模型

1.1 工程概況

長(zhǎng)沙某高層建筑深基坑地上31層，地下4層，基坑頂標(biāo)高42.0 m，基坑底標(biāo)高22.0 m，因深基坑北側(cè)緊鄰道路且變形控制要求極高，支護(hù)結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)，故采用雙排支護(hù)樁+錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)，后排樁止水帷幕施工至圓礫層、細(xì)沙層與其他巖土層的交界位置。前排樁采用1 000 mm@2 000 mm鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)23.9 m，前排樁冠梁頂標(biāo)高39.5 m；后排樁采用1 200 mm@2 000 mm鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)24.7 m，后排樁冠梁頂標(biāo)高42.0 m，前、后排樁樁長(zhǎng)及樁底標(biāo)高均不相同。預(yù)應(yīng)力錨索由前排樁樁間打入，孔徑間距為D150 mm@2 000 mm，鉆孔傾角25°，設(shè)置8道錨索，標(biāo)高分別為39.8 m、37.5 m、35.5 m、33.5 m、31.5 m、29.0 m、26.5 m、24.0 m，其中第一道錨索設(shè)置在后排樁。支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面如圖1所示。

根據(jù)鉆探揭露，場(chǎng)地內(nèi)埋藏的地層主要有人工填土層、第四系沖積層、第四系殘積層，下伏基巖為白堊系泥質(zhì)粉砂巖，場(chǎng)地原始地貌單元為湘江沖積階地。工程地質(zhì)條件如表1所示。

根據(jù)設(shè)計(jì)資料，將基坑開挖分為以下8種工況，如表2所示。

1.2 計(jì)算假設(shè)

由于現(xiàn)場(chǎng)周邊環(huán)境復(fù)雜，管網(wǎng)密集，為了保證有限元計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，同時(shí)提高運(yùn)算效率，建模時(shí)對(duì)雙排樁+錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行簡(jiǎn)化，并作幾點(diǎn)假定：

（1）由于本基坑支護(hù)屬臨時(shí)性工程，不考慮地下水作用。

（2）只考慮土體開挖對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，假定土體為均質(zhì)且各向同性，材料屈服采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型。

（3）假設(shè)雙排樁冠梁與連梁、連梁與腰梁的連接是剛性的，混凝土材料使用彈性本構(gòu)進(jìn)行模擬，因支護(hù)樁間距較小且樁間止水帷幕嵌入，采用地連墻模擬前、后排樁。

（4）錨索結(jié)構(gòu)采用空間桿單元進(jìn)行模擬，并根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙?jiān)O(shè)置自由段與錨固段，據(jù)實(shí)添加預(yù)應(yīng)力。

1.3 模型的建立

因本工程支護(hù)范圍較長(zhǎng)，選擇截取一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)段進(jìn)行建模分析。基坑開挖深度20 m，前排樁冠梁尺寸為1.1 m×0.6 m，后排樁冠梁尺寸為1.3 m×0.8 m，采用0.8 m×0.4 m連梁連接前排樁冠梁與后排樁腰梁。通?；娱_挖引起的周圍地層沉降范圍為3～4倍開挖深度，故建模時(shí)為消除邊界效應(yīng)影響，模型X方向（平行支護(hù)結(jié)構(gòu)方向）共選取3根支護(hù)樁，寬度為5.2 m，模型Y方向（垂直支護(hù)結(jié)構(gòu)方向）取4倍開挖深度即88 m，模型Z方向（垂直開挖方向）取3倍樁長(zhǎng)即77 m，最終土體模型尺寸為5.2 m×88 m×77 m（長(zhǎng)×寬×高）。雙排樁+錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)有限元模型如圖2所示。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 水平位移變化分析

圖3為前、后排樁隨基坑施工推進(jìn)不同工況下的水平位移云圖。基坑施工初期，前、后排樁樁頂冠梁處水平位移最大，樁端因土體嵌固作用使水平位移較?。浑S著基坑施工的推進(jìn)，支護(hù)樁水平位移產(chǎn)生范圍逐漸向下方延伸，基坑內(nèi)土體約束減弱，坑外土體作用增大，前排樁整體變形值大于后排樁，現(xiàn)行對(duì)于雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中對(duì)該效應(yīng)差異化設(shè)計(jì)前、后排樁，可減少工程材料浪費(fèi)。

圖4、圖5為前、后排樁隨基坑施工的推進(jìn)在不同工況、不同深度的水平位移變化曲線。

隨著開挖過(guò)程推進(jìn)，雙排樁結(jié)構(gòu)的水平位移逐漸增大，前排樁最大水平位移值由1 mm增至7.23 mm，后排樁最大水平位移值由0.96 mm增至6.89 mm，限制水平位移效果良好；從工況三開始，前排樁位移大于后排樁，隨著開挖深度增大，前、后排樁水平位移差值逐漸增大，但前、后排樁變形保持較好協(xié)調(diào)，表明連梁在受力過(guò)程中發(fā)揮重要連接作用，后排樁通過(guò)連梁限制前排樁的側(cè)移，前排樁相對(duì)后排樁分擔(dān)了更多基坑變形。

各工況下，前排樁在基坑底以上水平位移變化曲線呈“S”型，與傳統(tǒng)的單樁錨索受力規(guī)律不同，傳統(tǒng)單樁錨索側(cè)移分布大多為線性；雙排樁+錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)中前排樁設(shè)置的錨索，在前排樁樁身中部調(diào)整了前、后排樁樁間土壓力，在-10 m以上部分水平位移值為正值，以下部分水平位移值為負(fù)值，錨索對(duì)前排樁水平位移限制明顯，但后排樁作用十分有限。

挖至坑底時(shí)，前、后排樁樁底發(fā)生了一定程度的側(cè)移，側(cè)移值基本相同，保持在2" mm范圍內(nèi)，整體變化量較小，這說(shuō)明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，前排樁樁身靠近基坑底部時(shí)水平位移存在轉(zhuǎn)點(diǎn)，支護(hù)結(jié)構(gòu)的嵌固效果明顯。

2.2 基坑變形分析

基坑開挖及支護(hù)結(jié)構(gòu)施工將引起周圍地表及支護(hù)結(jié)構(gòu)變形，對(duì)基坑開挖完成后的周圍環(huán)境及支護(hù)結(jié)構(gòu)變形結(jié)果進(jìn)行提取分析，如圖6～圖8所示為基坑施工整體、Y方向、Z方向位移云圖。

由圖6～圖8可以看出總體變形范圍主要集中分布在基坑開挖區(qū)域中部，呈現(xiàn)由基坑開挖區(qū)域中部向外側(cè)逐漸減小的趨勢(shì)；基坑開挖過(guò)程中，雙排樁結(jié)構(gòu)在主動(dòng)土壓力作用下向基坑內(nèi)部移動(dòng)，移動(dòng)過(guò)程中擠壓基坑內(nèi)土體，從而導(dǎo)致基坑底部隆起；隨著開挖深度的增加及錨索分層施作，較近處地表由于錨索結(jié)構(gòu)施加對(duì)土體所產(chǎn)生的擠壓作用，其地表處的豎向隆起值逐漸增加，隨著最后一道錨索的施作，其豎向隆起值達(dá)到9.88 mm，同時(shí)距離支護(hù)結(jié)構(gòu)41 m處（兩倍開挖深度）豎向變形由隆起轉(zhuǎn)變?yōu)槌两?；基坑外土體距離樁體越遠(yuǎn)水平位移越小，逐漸穩(wěn)定，土體以圓弧形滑動(dòng)向坑內(nèi)側(cè)移，雙排樁+錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部土體的水平位移相對(duì)于其他位置明顯偏大。

2.3 樁身內(nèi)力分析

將基坑開挖及錨索結(jié)構(gòu)施工引起的前、后排樁受力結(jié)果進(jìn)行提取分析，如圖9、圖10所示為前、后排樁的彎矩、軸力分布云圖。

由圖9可知，前排樁彎矩分布主要集中在中部和底部，后排樁彎矩分布主要集中在樁體中部，且后排樁彎矩受力范圍較大，集中在錨索結(jié)構(gòu)施作范圍之內(nèi)，前排樁彎矩最大值為199.03 kN·m，說(shuō)明在前排樁上錨索的拉錨作用使前、后排樁受力特征產(chǎn)生區(qū)別，后排樁承擔(dān)更多土壓力，在雙排樁+錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)適當(dāng)增大后排樁剛度，為前排樁分擔(dān)內(nèi)力以提高整體穩(wěn)定性。

雙排樁+錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)軸力分布情況如圖10，由圖10可以看出前、后排樁均主要集中在中部和底部，軸力最大值為1 758.30 kN，隨著基坑開挖及逐道錨索施工，錨索鎖定荷載在豎向方向的分力使受力范圍有明顯分層現(xiàn)象，分層范圍根據(jù)錨索施工位置變化；后排樁軸力分布具有較明顯的中心對(duì)稱現(xiàn)象，存在軸力近乎為零的中性點(diǎn)，因后排樁上部通過(guò)連梁與前排樁相連，結(jié)構(gòu)側(cè)移使后排樁中性點(diǎn)以上產(chǎn)生向上的軸力，中性點(diǎn)以下摩阻力、自重產(chǎn)生向下的軸力。

2.4 錨索結(jié)構(gòu)變形分析

在基坑開挖及支護(hù)結(jié)構(gòu)施工完成后，將錨索結(jié)構(gòu)變形最終結(jié)果進(jìn)行提取分析。圖11為錨索結(jié)構(gòu)Y方向（垂直支護(hù)結(jié)構(gòu)方向）水平位移分布情況，可以看出變形范圍主要集中在上部錨索，其中第一道及第二道錨索水平位移在基坑施工完成后數(shù)值較大，與前排樁水平位移分布規(guī)律一致；在周圍土體初始應(yīng)力場(chǎng)變化的情況下，錨索端部水平位移達(dá)到最大值6.44 mm，隨著基坑開挖深度增加，錨索結(jié)構(gòu)水平變形逐漸減小，同時(shí)變形分布也較為均勻。

2.5 錨索結(jié)構(gòu)受力分析

跟隨基坑分層開挖，將基坑開挖及支護(hù)結(jié)構(gòu)施工引起的錨索軸力變化情況結(jié)果進(jìn)行提取分析，圖12所示為分工況錨索結(jié)構(gòu)軸力云圖。

通過(guò)圖12可以看出錨索的鎖定荷載在錨固段傳遞，在錨固段內(nèi)軸力逐漸降低，在自由端內(nèi)軸力為定值；隨著基坑施工不斷推進(jìn)，開挖深度增加導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移，其軸力值逐漸增大；同時(shí)，下層錨索的施工導(dǎo)致上層錨索軸力值增加，各工況下軸力最大值分別為480.22 kN、491.69 kN、502.96 kN、510.73 kN、521.72 kN、535.83 kN、547.89 kN、547.19 kN，軸力最大值小于設(shè)計(jì)圖紙中的鎖定荷載，表明設(shè)計(jì)圖數(shù)據(jù)可靠，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，可充分發(fā)揮錨索對(duì)前排樁的限制作用，有效限制前排樁的水平位移。

3 結(jié)論與建議

通過(guò)應(yīng)用Midas/GTS軟件對(duì)長(zhǎng)沙某深基坑開挖過(guò)程不同工況進(jìn)行分析，主要得到幾點(diǎn)結(jié)論與建議：

（1）隨開挖過(guò)程推進(jìn)，前、后排的水平位移逐漸增大，前排樁最大值為7.23 mm，后排樁最大值為6.89 mm，限制水平位移效果良好；前、后排樁變形保持較好協(xié)調(diào)，連梁在受力過(guò)程中前、后排間發(fā)揮重要連接作用，后排樁通過(guò)連梁限制前排樁的側(cè)移。錨索在前排樁樁身中部調(diào)整前、后排樁樁間土壓力，對(duì)前排樁水平位移限制明顯，但后排樁作用十分有限。

（2）分析基坑開挖整體變形云圖，呈現(xiàn)由基坑開挖區(qū)域中部向外側(cè)逐漸減小的趨勢(shì)；基坑開挖過(guò)程中，基坑內(nèi)土體為隆起狀態(tài)，基坑外土體水平位移距離樁體越遠(yuǎn)逐漸穩(wěn)定，豎向變形距離兩倍開挖深度以外由隆起轉(zhuǎn)變?yōu)槌两怠?/p>

（3）分析前、后排樁彎矩、軸力分布情況，錨索的拉錨作用使前、后排樁受力特征產(chǎn)生區(qū)別，后排樁承擔(dān)更多土壓力；前排樁軸力分布范圍有明顯分層現(xiàn)象，后排樁軸力分布具有較明顯的中心對(duì)稱現(xiàn)象，存在軸力近乎為零的中性點(diǎn)。

（4）分析錨索結(jié)構(gòu)軸力變化情況，在錨固段內(nèi)軸力逐漸降低，在自由端內(nèi)軸力為定值，隨著基坑施工不斷推進(jìn)，開挖深度增加導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移，其軸力值逐漸增大，同時(shí)，下層錨索的施工導(dǎo)致上層錨索軸力值增加，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，可充分發(fā)揮錨索對(duì)前排樁的限制作用。

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