墻錨式支護結構在基坑工程中的應用

焦清杰 劉可兵 李 旺

墻錨式圍護結構由擋土結構與外拉系統組成,受拉桿件的一端(錨頭)通過壓頂梁或腰梁與圍護結構連接,另一端為錨固體,錨固體設在基坑外的穩定地層中,圍護結構所受荷載的一部分或大部分通過受拉桿件傳遞到處于穩定區域中的錨固體上,而錨固體將傳來的荷載分散到周圍穩定的巖土層中,從而充分發揮了地層的自穩能力。在同等條件下墻錨式圍護結構尺寸小、整體剛度大,在使用中位移變形小,且其可改善施工條件,加快施工進度,因此墻錨式圍護結構的應用范圍不斷擴大,尤其適用于對深度比較大以及對變形控制要求嚴格的基坑工程[1]。

1 工程概況

擬建地鐵車站主體結構為兩層兩跨框架結構,采用明挖法施工,基坑開挖深度為18 m,圍護結構采用由連續墻和預應力錨索支護。場區地形平坦,根據鉆探揭示及對地層成因、年代的分析,地層主要由第四紀全新統人工及陸相堆積層(Qml4,Qal4)組成,巖性為黏土、粉質黏土夾粉土、粉質黏土粉土粉砂互層、砂類土等,下伏白堊系下統砂礫巖。場地內的地下水類型主要為上層滯水,孔隙承壓水兩種類型,水位埋深為1.0 m～3.6 m。

2 模型建立

本次數值模擬模型共劃分8 250個單元,11 424個節點,其中土體及連續墻采用實體單元進行模擬,錨索采用cable結構單元進行模擬;根據現場實際施工條件,基坑開挖共分為8步,邊開挖邊錨撐支護,第一步開挖 2.0 m,第二步～第七步開挖 2.5 m,最后一步開挖1 m到坑底。故在模擬基坑開挖時也分為8步,前七次開挖每次開挖之后加cable結構單元[2]。因此,在整個數值模擬的過程中圍護結構總共施工了7道預應力錨索(見圖1)。連續墻參數、錨索參數分別見表1,表2。

表1 連續墻(鋼筋混凝土)參數

表2 錨索參數

3 分析計算

3.1 錨索受力結果分析

通過設置在錨索結構單元上的監測點對錨索的軸力進行監測,結果如圖2,圖3所示。

由圖2,圖3可知,7道錨索軸力的最小值出現在錨索的末端,接近零值,軸力基本上為由錨索末端向外遞增的趨勢。錨索的軸力隨著基坑開挖是逐漸增加的,開挖至坑底時錨索軸力達到最大值,最大值為第五道錨索,其值為402.6 kN。表3為FLAC3D程序計算錨索軸力與傳統等值梁法[3]計算錨索軸力對比結果,通過對比可以看出,利用等值梁計算的錨索軸力與有限差分計算的軸力基本上趨于一致,各層錨索軸力的發展趨勢也相吻合,但FLAC3D計算錨索軸力值要小于等值梁法計算值,這也表明利用等值梁法計算偏于保守,對工程留有一定的安全余地。

表3 錨索軸力計算結果對比

3.2 基坑變形結果分析

在數值計算過程中,在YZ平面沿基坑開挖深度設置了標號為1～9的9個監測點,它們分別位于基坑深度的0 m,2 m,4.5 m,7 m,9.5 m,12 m,14.5 m,17 m,18 m;在進行地表沉降變形的模擬過程中,在XY平面的地表處即沿坐標軸Y方向共設置了標號為11～19的9個監測點,它們位于基坑斷面中軸線上的位置,離基坑壁的距離分別為0 m,2 m,4 m,6 m,8 m,10 m,12 m,14 m,16 m[4]。將監測點1～9的數值模擬結果經過整理,如圖4所示的位移值為基坑開挖至18 m時,位于各開挖深度監測點的最終水平位移值。從圖4中可以看出,基坑土體的水平位移值在墻頂時最大,坑底時最小,最小值為11.5 mm,其中在14.5 m約處(H為墻高)出現明顯的拐點,位于其上部的土體位移量較大,下部的土體位移減小明顯;地表沉降主要發生在距離坑壁8 m以內的地方,其中靠近坑壁處沉降值最大,達到14.1 mm。

4 結語

用FLAC3D程序模擬仿真分析結果表明,各層錨索軸力的發展趨勢與傳統等值梁法計算結果大體一致,要略小于等值梁法計算值,此外,很好地再現了基坑開挖過程中位移場的變化過程,水平位移主要發生在圍護墻(H為墻高)以上的部位,最大的水平位移在墻頂;最大地表沉降發生在緊鄰坑壁土體處,計算的結果表明該支護方案滿足基坑變形控制的要求。

[1] 龔曉南,高有潮.深基坑工程設計施工手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,1998.

[2] 劉 波,韓彥輝.FLAC原理實例與應用指南[M].北京:人民交通出版社,2005.

[3] 黃 強.深基坑支護結構實用內力計算手冊[M].北京:中國建材工業出版社,1995.

[4] 譚菊香.某地鐵車站深基坑支護工程監測與分析[D].長沙:中南大學碩士學位論文,2006.

[5] 李自明.復合支護形式在深基坑支護中的應用[J].山西建筑,2008,34(2):120-121.