粉質粘土地層樁錨支護結構土壓力分布研究

許超

(中兵勘察設計研究院，北京 100053)

粉質粘土地層樁錨支護結構土壓力分布研究

許超

(中兵勘察設計研究院，北京 100053)

利用FLAC3D對順義區某深基坑工程進行了仿真分析，模擬出了樁側土壓力分布曲線，并與經典土壓力理論進行了對比，指出樁身位移、錨桿拉力模擬值與實測值更加接近，認為模擬土壓力分布曲線更加符合工程實際，提出的粉質粘土地層樁錨支護結構土壓力分布形式，對于優化結構設計，降低施工成本具有重要意義。

樁錨支護結構，土壓力分布，FLAC3D

0 引言

城市地下空間的大規模開發利用和高層建筑的興起，加速了深基坑工程的發展，但巖土工程向來存在理論滯后于實踐的現象，深基坑工程的發展也伴隨著支護設計保守，材料隱性浪費等問題。

本文基于北京市順義區某深基坑工程樁身位移、錨桿拉力監測數據，結合數值模擬軟件FLAC3D及工程設計軟件理正深基坑(7.0)進行分析和研究，提出粉質粘土地層樁錨支護結構樁側土壓力分布形式，為今后該類地層下深基坑工程設計和施工提供科學依據和合理化建議。

1 工程概況

該項目位于北京市順義區馬坡鎮，工程占地面積約28 000 m2，基坑支護深度14.38 m，采用上部擋土墻+下部護坡樁錨桿聯合支護形式。其中擋土墻墻高3.0 m，冠梁位于-3.0 m位置，護坡樁樁長16.0m，嵌固段4.62m，樁徑800mm，樁間距1.50m，共設置3道預應力錨桿，錨桿設計參數見表1。

表1 錨桿設計參數表

擬建場地內地層分布，除上部擋土墻范圍內夾雜素填土及下部約1 m厚粉細砂層外，其余均為粉質粘土，地層主要參數為重度19 kN/m3，粘聚力25 kPa，內摩擦角15°，不考慮地下水的影響。

在工程實施過程中對護坡樁樁身水平位移及錨桿拉力等進行了監測，基坑監測對指導施工具有重要意義，當監測顯示位移變化速率過快時就要停止土方作業，查明原因并適時對支護結構進行補強，防止事故發生，基坑監測已經成為基坑施工過程中必不可少的內容。

2 數值模擬結果分析

2.1 施工工況模擬

基坑施工模擬共分為1個初始平衡步和5個開挖步。通過model null命令模擬施工中的土體開挖，土體開挖至錨桿設計位置以下1.0 m后添加錨桿Cable單元，初始平衡步執行計算循環到最終狀態(ratio=1e-5)，前4個開挖步由于工序銜接緊密，施工錨桿前上部結構、土體變形并不能達到穩定狀態，因此按照step 2000命令執行，最后1個開挖步執行計算循環到最終狀態。

2.2 樁側土壓力分布

通過跟蹤護坡樁(Shell單元)前后土體水平方向應力S-xx，可以得到樁側土壓力分布隨土體開挖及錨桿施工的變化曲線，見圖1。

圖1 樁側土壓力分布隨基坑開挖變化曲線

從圖1中看出，主動區土壓力分布形態在錨桿施工前基本符合經典土壓力理論，土壓力分布呈線性增大形式，而隨著土體開挖及錨桿的施工，主動區土壓力分布形態出現改變，錨桿支護作用范圍內主動區土壓力逐漸減小，并呈矩形分布形態，護坡樁端部范圍主動區土壓力逐漸增大。被動區土壓力分布形態在錨桿施工前同樣基本符合經典土壓力理論，受土體開挖及錨桿施工影響，被動區土壓力也產生重分布，逐漸呈現“中間大、兩頭小”的分布形態。

樁錨支護屬于柔性支護結構，這種作用在樁側的土壓力與經典理論假設的填土作用在剛性擋土墻上的土壓力必然不同，加上樁體變形協調作用和錨桿主動約束作用使得土壓力產生重分布。

支護結構設計出現材料浪費的主要原因正是因為按照經典土壓力理論計算過于保守，土壓力實際分布形態并非像經典土壓力理論那樣呈線性增大的形式，且土壓力小于經典土壓力理論計算值。利用理正深基坑計算相同地層下樁側土壓力，并與模擬的開挖完成后樁側土壓力分布曲線進行對比。

模擬的主動區土壓力在槽底以上呈矩形分布，最大土壓力值約30 kPa，經典理論計算的土壓力分布呈線性增大趨勢，最大土壓力值134.3 kPa。開挖面以上模擬主動區土壓力小于經典理論計算值，開挖面以下模擬主動區土壓力大于經典理論計算值，模擬的主動區土壓力無論分布形態還是土壓力值大小都與經典土壓力理論不同。

3 結論及展望

1)本文通過對順義區某深基坑工程進行仿真模擬，得出的樁身水平位移及錨桿拉力值與實測值基本相符，通過跟蹤土體單元應力，得出樁側土壓力分布曲線，通過與經典土壓力理論對比，認為按照經典土壓力理論計算的土壓力過大是造成支護結構設計保守，材料隱性浪費的主要原因。在保證施工質量的前提下，支護結構設計的優化空間較大。

2)模擬得出的主動區土壓力呈“上三角、下矩形”形式分布，這與Terzaghi-Perk提出的中軟—軟粘土土壓力包絡圖相似，但土壓力值需要進行折減，折減系數需依據地層特性及支護結構類別進行確定，這可在以后的工程實踐中進行研究，以確定不同地層條件下折減系數的取值。

3)根據主動區土壓力分布形態，可利用理正深基坑構建土壓力模型，進而分析支護結構位移、內力，獲得更接近于實測值的位移、內力設計值。

4)本文研究了粉質粘土地層條件下樁錨支護結構土壓力分布規律，基于數值模擬的研究方法，結合現場工程實測，不僅驗證了FLAC3D在基坑開挖模擬方面的有效性，也驗證了經典土壓力理論應用于設計還存在較大改進空間，本文的研究方法同樣適用于其他地層及其他支護結構形式土壓力問題的研究。

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［5］ 許 超.深基坑樁錨支護結構樁側土壓力分布研究［D］.北京:北京工業大學工學碩士學位論文，2013.

Research on distribution of soil pressure of pile-anchor bracing structure at silty clay stratum

Xu Chao

(China Ordnance Industry Survey and Geotechnical Institute，Beijing 100053，China)

The paper adopts the FLAC3Dto undertake the simulation analysis of some deep foundation pitprojects at Shunyidistrict，simulates the distribution curve for the soil pressure at the pile sides，has the comparison the technique with the classic soil pressure theory，points out the simulated values of the pile displacement，forces of anchors，are close to themeasured ones，concludes the distribution curves adheres to the engineering fact，and points out the distribution forms of the pile-anchor soil pressure at silty clay stratum，so it ismeaningful for the optimized design and the reduction of construction cost.

pile-anchor support structure，soil pressure distribution，FLAC3D

TU432

A

1009-6825(2015)29-0091-02

2015-08-07

許 超(1988-)，男，助理工程師