深基坑樁錨支護(hù)土拱效應(yīng)及穩(wěn)定性分析

張主華 王大柱

(株洲市規(guī)劃設(shè)計(jì)院，湖南 株洲 412007)

深基坑樁錨支護(hù)土拱效應(yīng)及穩(wěn)定性分析

張主華 王大柱

(株洲市規(guī)劃設(shè)計(jì)院，湖南 株洲 412007)

以株洲市中央商業(yè)廣場深基坑為研究對(duì)象，采用人工挖孔灌注樁加兩道預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)方案，利用FLAC3D對(duì)深基坑開挖過程進(jìn)行三維數(shù)值模擬，分析了樁間土拱效應(yīng)形成機(jī)理，并對(duì)該基坑開挖過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和樁間土拱效應(yīng)隨開挖深度的變化規(guī)律進(jìn)行了研究，為類似基坑工程的支護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。

深基坑，土拱效應(yīng)，穩(wěn)定性，樁間距

在巖土工程中，土拱效應(yīng)是廣泛存在的，它是由介質(zhì)的不均勻變形所產(chǎn)生的一種應(yīng)力轉(zhuǎn)移與重分布現(xiàn)象。近年來有關(guān)抗滑樁樁后土拱效應(yīng)研究逐漸增多，但對(duì)深基坑開挖過程所引起樁間土體的土拱效應(yīng)及其穩(wěn)定性方面的研究相對(duì)較少，因此，本文以株洲市中央商業(yè)廣場深基坑為研究對(duì)象，選用人工挖孔灌注樁加兩道預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)方案，利用FLAC3D對(duì)深基坑開挖過程進(jìn)行三維數(shù)值模擬，分析了樁間土拱效應(yīng)形成機(jī)理，并對(duì)該基坑開挖過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和樁間土拱效應(yīng)隨開挖深度的變化規(guī)律進(jìn)行了研究，為類似基坑工程的支護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

株洲市中央商業(yè)廣場位于鐘鼓嶺步行街與新華西路交叉口東南角。由A，B，C三棟連體高層建筑組成，地上29層，地下3層，框架—剪力墻結(jié)構(gòu)。地下室基坑約為87.5 m×76.5 m，基坑深度6.6 m～12 m，基礎(chǔ)形式為樁筏基礎(chǔ)。施工場地東向和南向緊鄰高層建筑物，西向緊鄰鐘鼓嶺步行街、北向緊鄰新華西路。采用人工挖孔灌注樁加兩道預(yù)應(yīng)力錨桿進(jìn)行支護(hù)。

2 數(shù)值計(jì)算模型

2.1 基坑開挖工況模擬

基坑挖深10 m，分三個(gè)工況：工況一：開挖至-4 m，安裝第一道錨桿；工況二：開挖至-7.5 m，安裝第二道錨桿；工況三：開挖至-10 m。

2.2 三維計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

本文對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，根據(jù)對(duì)稱性取9根樁共8跨部分，沿x方向總長為40 m，樁前為20 m、樁后為20 m，沿y方向?qū)挒?6 m，沿z方向高為20 m，模型樁直徑為1 m，樁間距為2 m，樁總長13 m，其中嵌固深度長3 m。支護(hù)樁和巖土體采用實(shí)體單元，錨桿采用錨索結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行計(jì)算，樁土接觸面采用無厚度接觸面單元“Interface單元”進(jìn)行模擬。模型底部施加x，y，z方向的約束，模型兩側(cè)施加y方向約束，模型前、后方施加x方向約束。

2.3 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告提供的參數(shù)和通過對(duì)該地區(qū)同類工程的類比，巖土體和支護(hù)樁主要物理力學(xué)參數(shù)的取值見表1，錨桿參數(shù)為:彈性模量200 GPa，泊松比0.25，截面積982 mm2，水泥漿外圈周長408 mm，內(nèi)摩擦角25°，粘結(jié)剛度2×109N/m2，水泥砂漿粘結(jié)力2×105N/m；樁土接觸面的切向剛度ks和法向剛度kn分別為:ks=1×108N/m2和kn=1×108N/m2。

表1 巖土體和支護(hù)樁計(jì)算參數(shù)表

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 開挖前地層初始應(yīng)力狀態(tài)模擬

基坑開挖前，地層土體在自重應(yīng)力和地面超載作用下已處于穩(wěn)定狀態(tài)，因此在進(jìn)行基坑開挖模擬前，需要對(duì)模型進(jìn)行初始應(yīng)力狀態(tài)模擬，形成初始應(yīng)力場后將位移重置為零。

3.2 水平位移分析

圖1為基坑開挖工況水平位移等值云圖，由圖1可以看出樁后土體位移比樁間土體位移小，向樁后方向土體的位移逐漸減小，最后兩者位移達(dá)到均勻。這說明支護(hù)樁的支擋作用很明顯，后側(cè)土體傳來的水平推力傳遞到樁上，由樁來支承。

圖2為樁間土體水平位移—深度關(guān)系曲線，圖3為樁體水平位移—深度關(guān)系曲線，圖4為樁—土相對(duì)水平位移—深度關(guān)系曲線(說明:樁—土相對(duì)水平位移是土體位移減去樁身位移)。

由圖2可以看出，樁間土體水平位移隨深度的增加逐漸減小，最大水平位移發(fā)生在基坑頂部，最小位移在基坑底部，在基坑淺部開挖過程中，沿深度方向基本上呈線性變化，但隨著基坑中、深部土方開挖，相應(yīng)深度處樁間土體水平位移有較大增加，當(dāng)開挖到基坑底部時(shí)，基坑頂部水平位移值達(dá)到最大。每步開挖引起的最大水平位移分別為5.29 mm，9.17 mm，13.43 mm。

由圖3可以看出，樁體水平位移沿深度變化規(guī)律為：水平位移樁頂大，樁底小，基本上沿深度呈線性變化。在基坑開挖過程中，水平位移值隨著基坑開挖深度增加而增加，當(dāng)開挖到基坑底部時(shí)，樁頂水平位移值達(dá)到最大，為13 mm，并且每開挖一步引起的水平位移增量基本相同。

國內(nèi)不少學(xué)者采用二維數(shù)值方法對(duì)土拱效應(yīng)問題進(jìn)行研究，一般假設(shè)樁身是完全約束的，不發(fā)生任何位移，這是不合實(shí)際的，因?yàn)榭够瑯痘蛑ёo(hù)樁樁間土拱效應(yīng)是具有三維應(yīng)力轉(zhuǎn)移機(jī)制，土拱的形成與樁—土間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)及土體自身的應(yīng)力狀態(tài)緊密聯(lián)系的。無論樁頂或樁端是何種約束條件，樁身在側(cè)向土壓力作用下都會(huì)發(fā)生一定的位移，所以考慮采用樁—土相對(duì)水平位移的大小來衡量土拱效應(yīng)的明顯程度。從圖4可以看到，樁—土相對(duì)水平

位移在淺部較小，土拱效應(yīng)不太明顯，隨著深度的增加相對(duì)位移逐漸增大，在8 m處達(dá)到最大，為2.34 mm，土拱效應(yīng)最明顯，而后相對(duì)位移又急劇減小，在10 m坑底處的相對(duì)位移為-1.65 mm，此時(shí)樁身的水平位移比土體大，土拱效應(yīng)基本消失。因此土拱效應(yīng)的明顯程度是沿深度先增強(qiáng)后減弱的。

3.3 最大主應(yīng)力拱分析

由于基坑在開挖過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)和土體隨著時(shí)間和空間的變化而產(chǎn)生不同的位移和變形的特性，從而使樁間土體在各工況形成的土拱效應(yīng)不同，如Z=-6 m深度處樁間土體，在基坑開挖至-4 m之前，樁間大主應(yīng)力拱還未形成，呈很小的三角形，是由于樁間土體受到未開挖的樁前土體的阻擋而發(fā)生的不均勻位移很小，并且土體水平位移沿深度方向是遞減的，未開挖處發(fā)生的位移就更小了。這也說明土拱產(chǎn)生的條件之一是土體必須發(fā)生一定的不均勻位移；當(dāng)開挖至-7.5 m時(shí)，樁后土體因應(yīng)力釋放而側(cè)向變形突然增大，受到樁體的阻擋作用使土體相互擠壓，造成大主應(yīng)力方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在樁間形成一個(gè)大主應(yīng)力拱，隨著開挖深度的增加，土拱作用范圍不斷擴(kuò)大，土拱效應(yīng)一定程度的增強(qiáng)；當(dāng)開挖到坑底-10 m時(shí)，大主應(yīng)力拱很明顯。但并不是樁間土體土拱效應(yīng)總是隨著基坑開挖逐漸增強(qiáng)，對(duì)于離樁頂平面深度小于4 m的樁間土體，工況一時(shí)土拱效應(yīng)逐漸增強(qiáng)，當(dāng)開挖到工況二時(shí)，樁—土相對(duì)位移較小，土拱效應(yīng)變得不明顯，土拱效應(yīng)呈現(xiàn)出先增強(qiáng)后減弱的趨勢；深度大于4 m的樁間土體，土拱效應(yīng)隨開挖深度的增加逐漸增強(qiáng)。所以，對(duì)于樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的土拱效應(yīng)在基坑開挖過程中并不是一成不變的，隨著開挖的時(shí)間和深度的發(fā)展，土拱效應(yīng)也表現(xiàn)不同。一般來說，樁間土拱效應(yīng)在該層土體開挖的工況內(nèi)是逐漸增強(qiáng)的。

4 結(jié)語

1)通過FLAC3D三維數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明考慮樁間土拱效應(yīng)作用為支護(hù)樁設(shè)計(jì)提供依據(jù)，為類似基坑工程的支護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。

2)土拱效應(yīng)的影響因素很多，如樁的形狀、樁的間距及樁土接觸面性狀等對(duì)其有一定影響，建議對(duì)土拱效應(yīng)的影響因素開展進(jìn)一步的研究工作。

[1] 張建勛,陳福全,簡洪飪.被動(dòng)樁中土拱效應(yīng)問題的數(shù)值分析[J].巖土力學(xué),2004,25(2):174-184.

[2] 李忠誠,楊 敏.被動(dòng)受荷樁成拱效應(yīng)及三維數(shù)值分析[J].土木工程學(xué)報(bào)，2006,39(3):114-117.

[3] 陳福全,侯永峰,劉毓氚.考慮樁土側(cè)移的被動(dòng)樁中土拱效應(yīng)數(shù)值分析[J].巖土力學(xué),2007,28(7):1333-1337.

[4] 楊 明,姚令侃,王廣軍.抗滑樁寬度與樁間距對(duì)樁間土拱效應(yīng)的影響研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2007,29(10):1477-1482.

[5] 張主華,陳秋南,王建東.復(fù)雜環(huán)境條件下深基坑支護(hù)方案設(shè)計(jì)[J].西部交通科技,2010(5)：46-47.

Study on soil arching effect and stability of pile-anchor retaining in deep foundation pit

Zhang Zhuhua Wang Dazhu

(ZhuzhouPlanningandDesignInstitute,Zhuzhou412007,China)

Studying on the central commercial plaza in Zhuzhou city. The article adopts the retaining scheme of manual digging bored piles with two prestressed anchors for the deep foundation pit, and three dimensional numerical simulation was carried out by FLAC3D for deep foundation pit, the forming mechanism of arching effect between adjacent piles was analyzed, the horizontal displacement of retaining structure and variation of soil arching effect between adjacent piles in the process of excavation were further studied, so it provides reference to similar retaining design.Key words: deep foundation pit, soil arching effect, stability, spacing between adjacent piles

2015-05-22

張主華(1980- )，男，碩士，工程師； 王大柱(1972- )，男，高級(jí)工程師

1009-6825(2015)22-0065-02

TU463

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