雙排樁—錨復合支護結構支護效果數值分析

冀彥卓 郭 強 李慶文

(1.遼寧有色勘察研究院，遼寧 沈陽 110013;2.錦州石化公司，遼寧 錦州 121001;3.遼寧工程技術大學土木與交通學院，遼寧 阜新 123000)

伴隨著我國土木建設行業的蓬勃發展，迫切需要解決充分利用有效場地進行基坑開挖等施工問題。由于支護結構的變形機制與受力狀態最為復雜［1，2］，主要體現在支護結構與巖土體間空間受力狀態、巖土體與支護結構間的相互響應、工序與巖土體及支護結構相互影響等復雜的非線性力學問題［3，4］。支護結構發展形勢趨向多樣化，不斷產生新的結構樣式，其中雙排樁錨支護結構樣式的產生受到工程人員不同程度上的重視［5-7］。本文以錦州石化公司新建柴油罐基坑支護擋土墻作為研究對象，利用有限差分FLAC3D數值分析軟件對雙排樁—錨復合支護結構支護效果進行數值仿真研究，進而獲得了整體水平方向的變形情況、復合樁錨支護結構水平方向的變形發展趨勢、前后排樁水平位移對比分析。雙排樁—錨復合支護結構在基坑開挖過程中支護效果顯著，為其他類似工程提供一定的參考作用。

1 工程概況

該工程建筑場地位于錦州石化公司廠內西側，場地因山體走勢總體呈現東側高，西側低，高程介于29.53 m～46.24 m，高差約為16.71 m。地貌單元為丘陵地貌，成因以殘坡積為主。錦州市位于中緯度地帶，屬于溫帶季風型氣候，常年溫差較大，全年平均氣溫8℃ ～9℃，年降水量平均為540 mm～640 mm，無霜期達180 d。地下水主要賦存于回填層中，地下水按埋藏條件屬上層滯水，隔水底板為粉質粘土;下部中砂亦含少量地下水，地下水主要受大氣降水補給。氣候主要特征是:四季分明，各有特色，季風氣候顯著，大陸性較強。通過野外鉆探揭露，地層主要由填土、粉土、粉質粘土，中砂、礫巖等組成。①素填土:主要分布在山坡消防路和舊罐區部位，表面為混凝土路面，下部由砂土、粘性土、碎石等組成，層底標高26.55 m～44.42 m。②粉質粘土(Q4el+dl):受油浸呈灰褐色，軟塑狀態，局部可塑狀態，無搖震反應，韌性中、干強度中，層底標高22.93 m ～29.36 m，層底埋深5.00 m ～6.60 m，主要分布在場地的中部及西部擋土墻位置，只有8個鉆孔揭露該層。②1粉土(Q4el+dl):棕褐色，稍密狀態，韌性低，干強度低，搖震反應迅速，無光澤，含少量礫石，稍濕。層底標高29.08 m～42.63 m，層底埋深0.40 m～2.20 m，主要分布在場地中部。③粉質粘土(Q4el+dl):褐色，軟塑狀態，無搖震反應，韌性中、干強度中，層底標高20.13 m ～27.86 m，層底埋深 6.50 m ～9.40 m，主要分布在場地的中部及西部擋土墻位置，只有8個鉆孔揭露該層。③1中砂(Q4el+dl):黃褐色，長石、石英質顆粒組成，粒徑均勻，稍密，濕，層底標高19.94 m ～21.04 m，層底埋深8.90 m ～10.00 m，只在擋土墻部位揭露兩個鉆孔。④強風化礫巖:灰褐色，礦物成分為碎屑物等，礫狀結構，層狀構造。層底標高19.53 m～42.81 m，層底埋深1.20 m～10.00 m，節理裂隙發育，巖芯呈碎塊狀，該層厚度變化較大。⑤中風化礫巖:灰褐色，礦物成分為碎屑物等，礫狀結構，層狀構造。控制層底標高17.06 m～38.91 m，控制層底埋深5.00 m～12.50 m，節理裂隙較發育，巖芯呈塊狀及柱狀。

2 數值試驗分析

基于FLAC3D平臺建立計算模型及模型參數如下:此次數值計算模型考慮到基坑近似于對稱結構，計算范圍取為整體工程1/4模型，模型為均勻土體，不考慮地下水及止水帷幕對基坑支護結構的影響。按照類似基坑計算得知，基坑開挖的影響范圍一般為開挖深度的2倍～3倍，則深度方向考慮50 m，故三維模型尺寸大小為200 m×200 m×50 m(長×寬×高)。仿真材料本構關系取為彈塑性模型，采用Mohr-Coulomb屈服破壞準則。三維模型四周取對稱約束，即分別限制模型6個邊界面中的5個固定面，即位移為零，頂部設置為自由面。土體外部不施加任何力，依靠土體自身重力，不考慮地下水的影響。根據地質勘察報告，土體物理力學參數如表1所示。基坑開挖按照三個步驟進行，用Null結構單元來模擬。同時進行基坑支護，用Pile結構單元來模擬樁，用Cable結構單元來模擬錨桿和錨索。三維計算模型如圖1～圖6所示。

表1 土體物理力學參數

圖1 未開挖時模型

圖2 第一步放坡開挖模型

圖3 第二步開挖模型

圖4 第三步最終開挖模型

圖5 樁以及冠梁拉梁施工完成后模型

圖6 錨索施工完成后模型

3 數值模擬結果與分析

3.1 整體水平變形分析

利用數值仿真軟件FLAC3D對三步驟開挖的基坑整體水平方向變形進行分析，支護樁的最大水平位移發生在基坑坑壁的中下部，基坑內部土體的水平變形量值沿遠離基坑支護結構的方向逐漸減小。基坑在水平方向發生的整體側移是向坑內的位移，整體水平側移運動趨勢呈圓弧滑動，這主要與軟土基坑土體性質有關，并符合軟土地區基坑開挖工程中基坑變形規律。雙排樁—錨復合支護結構體系基坑水平方向的側移和支護結構的剛度、土體的性質、地下水位、開挖工程等環境條件有著密切的聯系。在基坑開挖之前，土體保持原有的平衡狀態，隨著基坑土體的開挖，支護結構的施工，土體原有的應力平衡狀態遭到了破壞，基坑開挖的施工工程實際上就是坑內土介質不斷被挖除，坑內土體原有荷載不斷卸載過程。在荷載卸載過程中，雙排樁、錨索及土介質不斷發生相互作用，整個過程是一個動態平衡的過程。

3.2 支護結構水平位移分析

由圖7和圖8對比分析可知:隨著施工過程的進行，基坑深度的不斷增大，前、后排樁均呈現出向基坑內產生較大水平位移的趨勢。土方開挖到基坑底部時，由于錨索提供了很大的抗拔力，前排樁呈現典型的“中間大，兩頭小”的復合錨索柔性支護結構的變形曲線，最大位移值出現在基坑底部開挖面附近的位置。后排樁是頂部水平位移最大，隨著樁長的增加，水平位移變形越來越小。

圖7 前排樁分部開挖水平位移

3.3 前后排樁水平位移對比分析

由于采用的是雙排樁—錨復合支護結構體系，雙排樁樁頂用拉梁以及冠梁相連接，并有一定的側移剛度，前排樁多增加一道錨索提供足夠大的抗拔力，為研究整個支護體系各單元結構間變形協調，通過提取前后排樁的具體側移值進行進一步分析在開挖工程中前后排樁樁身的變形，不同開挖過程前后排樁樁身位移變形對比情況如圖9～圖11所示。

圖8 后排樁分部開挖水平位移

圖9 第一步開挖前后排樁水平位移

圖10 第二步開挖前后排樁水平位移

圖11 第三步開挖前后排樁水平位移

由分析結果可知，各開挖工程完成后，前后排樁樁頂的位移值是相同的，這說明前后排樁之間的拉梁發揮了良好的剛性連接，提供很大的側移剛度，使前后排樁的樁頂連成一個整體，前排樁位移時帶動后排樁發生共同變形。前排樁產生的最大側移值并不是發生在支護結構的最頂部，而是隨著開挖深度的不斷增大，最大位移位置逐漸向下移動，最大側移值大約位于開挖面附近。后排樁頂產生最大側移值，隨著開挖深度的不斷增大而逐漸增大，直到最后趨于穩定。其變化規律和單純的雙排樁和單純的單排樁支護結構體系的側移變形規律相同，這說明錨索單元只作用于前排樁，對后排樁基本上沒有任何影響。前排樁的側移變化曲線比較快速，并且超前于后排樁，說明前排樁優于后排樁發揮支護作用。在基坑開挖到底時前后排樁樁底附近都發生了一定的水平位移量，變化量并不是很大，并趨于穩定。雙排樁—錨索復合支護結構體系在基坑開挖完成后，支護結構的最大側移值有100 mm，相對于其他地區土質較好的基坑來對比，側移值有些大，但對于復合地基深基坑變形量的對比屬于正常范圍內，和單純只有雙排樁的支護結構或者單排樁—錨索支護結構相比，復合支護結構在控制基坑變形方面效果更加顯著。

4 結語

本文基于大型有限差分軟件FLAC3D對雙排樁—錨復合支護結構支護效果三維仿真研究，得到整體水平方向的變形情況和復合樁錨支護結構水平方向的變形發展趨勢，得到主要結論:1)各開挖工程完成后，前后排樁樁頂的位移值是相同的，這說明前后排樁之間的拉梁發揮了良好的剛性連接，提供很大的側移剛度，使前后排樁的樁頂連成一個整體，前排樁位移時帶動后排樁共同變形。2)后排樁的樁頂發生最大側移值，隨著開挖深度的不斷增大而逐漸增大，直到最后趨于穩定。其變化規律和單純的雙排樁和單純的單排樁支護結構體系的側移變形規律相同，這說明錨索單元只作用于前排樁，對后排樁基本上沒有任何影響。3)前排樁的側移變化曲線比較快速，并且超前后排樁，說明前排樁比后排樁先發揮支護作用。4)雙排樁—錨索復合支護結構體系在基坑開挖完成后，支護結構的最大側移值有100 mm，相對于其他地區土質較好的基坑來對比，側移值有些大，但對于復合地基深基坑變形量的對比屬于正常范圍內，和單純只有雙排樁的支護結構或者單排樁—錨索支護結構相比，復合支護結構在控制基坑變形方面效果更加顯著。

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