基坑樁錨支護結構水平位移監測及有限元分析

王緒鋒　張　敏　郭海慶　艾純斌

(1. 浙江省水利河口研究院， 杭州　310020； 2. 河海大學 巖土工程科學研究所， 南京　210098； 3. 河海大學 巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室， 南京　210098； 4. 中國市政工程東北設計研究總院有限公司 海南洋浦分公司， 海南 海口　570125)

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基坑樁錨支護結構水平位移監測及有限元分析

王緒鋒1張敏2，3郭海慶2，3艾純斌4

(1. 浙江省水利河口研究院， 杭州310020； 2. 河海大學 巖土工程科學研究所， 南京210098； 3. 河海大學 巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室， 南京210098； 4. 中國市政工程東北設計研究總院有限公司 海南洋浦分公司， 海南 海口570125)

摘要：以深圳寶安區某基坑工程為例，運用ABAQUS有限元軟件對樁錨支護結構建立三維單樁對稱模型，模擬支護樁在不同工況下的水平位移，并將模擬計算值和監測值進行對比，驗證該模型的合理性．同時，分析不同施工工序下樁身水平位移的變化特點，為優化基坑設計和施工提供科學依據．

關鍵詞：樁錨支護結構；水平位移；監測；有限元分析

基坑工程一直是巖土工程領域的重要課題，由于施工條件、水文地質條件的復雜性和不確定性，使得變形的理論計算結果難以符合實際，因此現行基坑規范規定必須進行基坑監測[1]，從而做到信息化施工．隨著計算機技術的發展，有限元軟件得到廣泛應用，其中ABAQUS具有快速處理高度非線性問題的能力，在巖土工程中得到大力推廣[2]．

本文利用ABAQUS軟件對基坑建模進行有限元分析，再現基坑施工過程，通過樁錨支護結構水平位移監測值和模擬計算值進行對比，驗證該模型的合理性．

1ABAQUS有限元分析

1.1本構模型的選取

土體屬于三相體，其應力應變關系非常復雜．ABAQUS內置多種本構模型，如M-C模型、Druker-Prager模型、劍橋模型等．本文將土體簡化為理想彈塑性體，用增量關系表示為[3]：

(1)

鑒于參數易獲取問題，本文屈服準則選取為M-C屈服準則，函數表達式為：

(2)

(3)

式中，I1為應力張量的第一不變量，J1、J2為應力偏量的第一、第二不變量．

對于基坑開挖卸載等問題，M-C模型不能考慮彈性模量E的變化[4]，而卸載模量一般大于加載模量，即該模型不能正確反映土體加卸載模量的變化及壓硬性，導致模擬基坑開挖后土體隆起量過大．為克服這一問題，本文模型在土層開挖之前[5]，利用ABAQUS中*FIELD場變量的變化將待開挖區域內的土體彈性模量進行一定程度的折減后再進行開挖，以此來模擬應力釋放的過程，模擬結果表明這樣能更好的控制基底隆起，折減率由反復試算確定．

因基坑實際開挖過程中，支護樁的應力遠小于其屈服應力，故假設其為線彈性體，冠梁、腰梁也假設為彈性材料．

1.2模型相互作用模擬

基坑樁錨支護模型的相互作用分為樁-土接觸和樁-冠梁/腰梁接觸．樁-土接觸由樁周接觸和樁底接觸組成，接觸面力學模型中切向選擇罰函數，法向選擇硬接觸，接觸對主面選樁周表面，從面選土體表面，離散方法為面對面接觸，接觸狀態為有限滑動[6]．樁-冠梁/腰梁接觸的設置與樁-土接觸定義類似，也設置切向和法向接觸．

2基坑工程實例

2.1工程概況

該基坑場地呈近似矩形，長邊約340 m，短邊約140 m，場地西側13 m處有一7層建筑，東側距道路最近約30 m，南側為待建場地．基坑平面形狀如圖1所示．基坑西側支護采用D800灌注樁+D600高壓止水樁，樁間施加兩層錨索，樁錨支護結構剖面如圖2所示．

圖1　基坑平面圖

圖2　樁錨支護側剖面圖

2.2位移監測成果分析

樁體水平位移最能直觀反映支護結構的變形情況，是控制基坑支護結構安全的重要指標．但在樁體施工過程中，樁體內部預埋的監測設施極易遭到破壞，通常在支護樁外側土體利用鉆機設備成孔埋設測斜管，通過監測土體變形來近似替代樁體變形情況．在本基坑工程西部支護樁外側土體共埋設了3個測斜管，編號為I1～I3，以監測樁體不同深度位置的水平位移情況．本文選取靠近灌注樁ZK22的測斜管I3為分析點，取該監測孔數據繪制樁體水平位移隨時間及深度的變化過程曲線，如圖3所示．

圖3　I3水平位移-深度-時間過程曲線

根據I3水平位移過程曲線分析，樁體水平位移隨基坑開挖深度的增加而增大，變形曲線自下而上整體呈平滑狀，僅在預應力錨索附近出現“反彎點”，說明樁體沿深度方向變形協調．受冠梁、腰梁及各層錨索的約束作用，樁體最大水平位移出現在腰梁下部至基坑坑底的深度范圍，變形曲線向基坑內側呈“凸起”狀，說明基坑底部土體對樁體水平方向變形的約束作用不明顯．在樁體豎向剛度、冠梁(腰梁)橫向剛度及錨索側向約束的綜合影響下，樁體變形實際受三維約束影響，而非單純的二維約束．

2.3有限元建模

本文利用ABAQUS對基坑樁錨支護側進行有限元分析，選取灌注樁ZK22建立三維單樁對稱模型．參照以往工程經驗，基坑開挖影響范圍約為開挖寬度的3倍，開挖深度的4倍[7]，本基坑尺寸為140 m(長)×10.3 m(高)，樁間距1.2 m，取基坑剖面一半進行建模，利用對稱性取1/2根樁范圍的樁體和土體建模[8]，模型三維尺寸為210 m(長)×0.6 m(寬)×40 m(高)，基坑模型開挖前后有限元網格如圖4所示．

圖4　基坑開挖前后有限元網格圖

模型邊界條件為：基坑底面完全固定，限制X、Y、Z3個方向的位移，基坑四周及支護樁表面約束其相應法線方向的位移．據地勘報告，工程區主要地層：第四系人工填土，第四系沖洪積含砂黏性土、含砂黏性土、含黏性土粉～粗砂、殘積成因的砂質粘性土，下伏基巖為震旦系片麻巖．由于各土層參數差異不是很大，為簡化計算模型，將各層土體參數加權等效為一層均質土體，有限元建模參數見表1．

表1　有限元建模計算參數

建模的土體、樁、冠梁及腰梁單元均采用C3D8R[9]，支護樁與土體接觸處網格劃分較密，隨著距離由近到遠，網格劃分由密到疏．建模作以下假定[10]：①基坑工程施工工期短，不考慮地下水的影響，采用總應力法進行分析．②初始應力場假定為自重應力場．③土體應力場不受溫度的影響．④不考慮時間因素的影響．

2.4模擬計算和監測成果對比

為減少ABAQUS有限元計算的工作量，本文只計算到施加第二層錨索，按照實際工序，模型計算分為7個分析步，見表2．

表2　模擬開挖分析步

因建模分析不考慮時間因素的影響，故選取圖2中關鍵施工步序完成時間的位移曲線與模型計算曲線進行對比，各關鍵步序下模型計算位移和實測位移曲線對比如圖5所示．

圖5　關鍵分析步下樁體監測和計算位移曲線

由以上位移曲線圖可得到以下結論：

1)實測位移曲線通常假設底部測點為相對不動點，即位移為0，而理論上模擬樁體底部有一定的位移發生．

2)隨著基坑開挖、冠梁(腰梁)及錨索施加，樁頂有一定位移發生，但總量不大，而樁體最大水平位移點向下變動，位移曲線向基坑內側呈“凸起”狀，模擬位移曲線在錨索施加后“反彎點”明顯．

3)從圖5可見，樁體模擬位移曲線和實測位移曲線變化趨勢上基本一致，但模擬位移值比實測值偏大，這是由于基坑實際是空間結構，存在三維約束效應[11]，而建模時未能充分考慮這一因素，且實際監測時假設底部為不動點位移為零，模型中樁體底部是有位移的，從而使得計算值偏大，驗證了模型的合理性．

4)從圖(a)、(b)及圖(c)、(d)的對比可見，錨索施加位置樁體的位移在后續施工過程中變化不大，可見錨索在限制樁體位移上產生了一定的效果[12]．

2.5施工工序對樁體位移影響分析

基坑支護采用樁錨結構時，樁體水平位值是衡量基坑開挖與支護是否穩定的一個關鍵指標，而影響樁體水平位移的因素有很多[13]，如土體模量、支護樁剛度、支護樁長度、冠梁及腰梁剛度、施工工序等．由于篇幅影響本文僅將施工工序對樁身水平位移的影響進行模擬和分析，為此將本文邊挖邊撐的模型做了調整，調整后模擬開挖的分析步見表3，模擬的是先挖后撐的模型，并將兩者進行對比．

表3　調整后模擬開挖分析步

調整后的算例模型是先挖后撐的施工工序，不同施工工序對基坑變形有著不同的影響，模型調整前、后模擬計算樁體水平位移曲線如圖6所示．由圖6可看見，隨挖隨撐和先挖后撐兩種施工工序對樁體水平位移變化有較大的影響．采取先挖后撐的施工工序，在施加錨索前，樁體一直處于懸臂狀態，位移曲線自下而上整體向基坑內側傾斜，僅在施加錨索后，位移曲線向基坑內側呈“凸起”狀；在開挖支護完成后，樁頂最大位移8 mm，而工序調整前樁頂最大位移為5 mm，說明在錨索施加前，樁頂已經有相當的位移發生；樁體最大位移約12 mm，最大位移點出現在基坑底深度范圍，而隨挖隨撐樁體最大位移約10 mm，最大位移點出現在基坑底向上至腰梁范圍，且先挖后撐工序加速了最大水平位移點向基坑底部的開展，對樁體變形和受力是不利的．因此，在基坑開挖支護過程中，采取邊挖邊撐的工序，能充分發揮支護樁體、冠梁腰梁、錨索的變形協調作用，充分發揮各支護材料的性能，提高基坑邊坡的穩定性，同時，還可以控制樁體總體變形量．

圖6　調整前后各步序樁體位移曲線

3結語

本文利用ABAQUS有限元對基坑開挖進行了模擬，通過實測成果和模擬結果的對比分析得到了以下結論：

1)對于復雜基坑問題，有限元軟件在簡化計算模型的基礎上能再現基坑施工過程，但與工程實際存在一定的差別，模擬計算成果更多的用于支護結構變化趨勢的判定和預測．

2)隨著基坑開挖、支護施工，樁體最大水平位移點向下開展，最大位移點出現在基坑底至腰梁深度范圍，位移曲線向基坑內側呈“凸起”狀，曲線在冠梁和腰梁位置出現“反彎點”．受三維約束效應影響，樁體位移的實測值小于模擬計算值，利用模型計算成果進行基坑設計偏于保守．

3)不同施工工序對支護結構變形有較大的影響，“邊挖邊撐”工序能控制樁體變形總量，減緩樁體最大水平位移點向基坑底部開展，還能充分利用支護樁、冠梁腰梁及錨索與土體之間的變形協調作用，發揮各材料的性能，提高了基坑邊坡的穩定性．

4)樁體水平位移變化受建筑材料性能、工程水文地質及邊界約束等多種因素影響，基坑工程樁錨支護側兩端樁體與中間樁體的位移變化存在一定差異，有待進一步分析和研究．

參考文獻：

[1]中國建筑科學研究院．建筑基坑支護技術規程(JGJ120-99)[S]．北京：中國建筑工業出版社，1999．

[2]費康，張建偉．ABAQUS在巖土工程中的應用[M]．北京：中國水利水電出版社，2010．

[3]李廣信．高等土力學[M]．北京：清華大學出版社，2004．

[4]秦會來，張甲峰，郭院成，等．ABAQUS在計算基坑開挖變形中的應用研究[J]．巖土工程學報，2012，4(S1)：82-86．

[5]李德寧，樓曉明，楊敏．基坑回彈變形計算方法研究及應用[J]．巖石力學與工程學報，2012，31(9)：1921-1927．

[6]李磊，段寶福．地鐵車站深基坑工程的監控量測與數值模擬[J]．巖石力學與工程學報，2013，32(S1)：2684-2691．

[7]賀美德，樂貴平，劉軍，等．奧林匹克公園某基坑圍護結構受力和變形特性分析[J]．巖土工程學報，2008(S1)：582-587．

[8]陳澤昌．成都地鐵2號線站東廣場站基坑監測及位移反分析[D]．成都：西南交通大學，2011．

[9]張磊．某深基坑工程施工監測及有限元模擬分析[D]．哈爾濱：哈爾濱工業大學，2011．

[10] 宋二祥，婁鵬，陸新征，等．某特深基坑支護的非線性三維有限元分析[J]．巖土力學，2004，25(4)：538-543．

[11] Ou Chang-Yu， Shiau Bor-Yuan． Analysis of the Corner Effect on Excavation Behaviors[J]． Canadian Geotechnical Journal，1998， 35(3)：532-540．

[12] 姚燕明，周順華，孫巍，等．支撐剛度及預加軸力對基坑變形和內力的影響[J]．地下空間，2003，23(4)：401-404，456．

[13] 張秀成，王義重，傅旭東．深基坑雙排樁支護結構三維數值計算與應用[J]．武漢大學學報：工學版，2010，42(2)：227-231，238．

[責任編輯周文凱]

DOI：10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2016.03.009

收稿日期：2015-12-21

基金項目：國家自然科學基金項目資助(21372329)

通信作者：王緒鋒(1981-)，男，工程師，碩士，主要從事巖土工程勘察，基坑、高邊坡、軟基處理監測及相關管理工作．E-mail：wangxufeng013@163.com

中圖分類號：TU473

文獻標識碼：A

文章編號：1672-948X(2016)03-0036-04

Horizontal Displacement Monitoring for Pile-anchor Retaining Structure of Foundation Pit and PEA

Wang Xu Feng1Zhang Min2，3Guo Haiqing2，3Ai Chun Bin4

(1. Zhejiang Institute of Hydraulics & Estuary, Hangzhou 310020, China; 2. Geotechnical Research Institute, Hohai Univ., Nanjing 210098, China; 3. Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering, Hohai Univ., Nanjing 210098, China; 4.Northeast China Municipal Engineering Design & Research Institute, Hainan Yangpu Branch, Haikou 570125, China)

AbstractTaking a foundation pit project in Baoan District of Shenzhen for example and using ABAQUS finite element software to establish a three-dimensional symmetric model of single pile for pile-anchor supporting structure, the horizontal displacements of the pile are simulated under different conditions. And then comparing the simulated values with measured values, the rationality of the model is verified. At the same time, changing characteristics of the horizontal displacements of the pile under different construction processes are analyzed, so as to provide scientific basis for optimizing design and construction of foundation pit.

Keywordspile-anchor retaining structure;horizontal displacement;monitoring;finite element analysis(FEA)