北京某深基坑樁錨支護體系穩(wěn)定性數值模擬研究

許 昭

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,陜西 西安 710043)

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北京某深基坑樁錨支護體系穩(wěn)定性數值模擬研究

許 昭

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,陜西 西安 710043)

對北京市某自來水搶險中心地下工程進行了監(jiān)測，并通過FLAC3D建立了數值計算模型，采用Cable單元模擬錨桿，Beam及Pile分別模擬腰梁及支護樁，分析得出了不同施工階段下基坑側壁位移、樁頂位移及錨桿軸力的變化規(guī)律,可為類似基坑工程提供參考。

基坑，樁錨支護，數值模擬，穩(wěn)定性

0 引言

隨著城市地下工程的增多，如何有效地利用這些地下空間引起了人們越來越多的關注。地下空間的利用也從最早的防空工程發(fā)展成地下停車場、地下超市、車站等。地下空間工程的規(guī)模也隨經濟發(fā)展越來越大，地下空間的開發(fā)利用越來越受到重視，極大地推動了基坑工程理論與技術水平的快速發(fā)展，然而基坑尺度的大深化、變形控制的嚴格化、支護形式的多樣化及場地工程地質條件、水文地質條件、基坑周邊環(huán)境等因素使基坑支護的難度越來越大，因此基坑工程具有較大的風險性，對設計、施工和管理的各個環(huán)節(jié)提出了更高的要求[1-5]。張欽喜等[6]學者結合工程實測數據及土壓力反分析驗證了其提出的土壓力反算的可行性；文獻[7]以實際工程為背景，通過數值模擬對深基坑支護樁水平位移及樁頂位移進行分析，及時提前預警，以達到安全、高效、經濟的施工目的。

1 深基坑工程概況及地質條件

1.1 工程地質條件

北京市自來水搶險中心地基基礎工程位于北京市四季青鎮(zhèn)，最高地下水位標高為27.2 m左右，擬建基坑地下水位埋藏較深，可不考慮其水質對擬建建筑物基礎的腐蝕問題。勘探22 m范圍分布土層主要分為三大類：人工堆積層、新近沉積層及第四紀沉積層。人工堆積層為碎石素填土①層和人工堆積的房渣土，有機質粘土素填土、粉質粘土素填土、粘質粉土素填土①層及有機質重粉質粘土素填土①層。新近沉積層細分為重粉質粘土、粘土②層，粉質粘土、粘質粉土②層及砂質粉土、粘質粉土②層；卵石、圓礫③層及細砂、中砂③層。第四紀沉積層分布于新近沉積層之下，為一般第四紀沉積之卵石④層，砂質粉土、粘質粉土④層及粉質粘土、粘質粉土④層；卵石⑤層及中砂⑤層；粉質粘土、粘質粉土

⑥層，砂質粉土⑥層，中砂⑥層及卵石⑥層。

1.2 支護方案

基坑采用鉆孔灌注樁加錨桿支護方式，樁徑0.8 m，樁間距1.6 m，樁長16.8 m，嵌固深度5.2 m，樁頂標高53.4 m，樁配主筋1522，箍筋φ8@200，加強筋16@2 000連梁主筋822,216，箍筋φ6.5@200，有φ8@400鋼筋鉤。連梁尺寸為0.9 m×0.6 m，樁/連梁混凝土強度為C25；預應力錨桿采用鋼絞線，自由段長度7 m，錨固段長度15 m，鎖定錨固力340 kN。

2 FLAC3D數值模擬

2.1 模型的建立

本文選擇基坑東南側鄰近建筑物部分的基坑進行數值模擬分析。同時，為保證模擬效果，模型還應該足夠大，根據基坑開挖11.4 m，設定模型高度為20 m，根據最長錨桿長度為22 m，設定模型長度為50 m，并設定模型寬度為13 m，以消除邊界條件的影響。此模型范圍涵蓋42根雙排樁，8根單排樁，62根錨桿，支護結構模型如圖1所示。

模型由27 895個節(jié)點,24 320個單元體所組成。共分三步進行開挖，第一步,第二步分別挖3.5 m，第三步挖4.4 m。詳細土層物理指標及支護結構參數見表1～表3。

表1 土層參數

表2 護坡樁參數

表3 預應力錨桿參數

2.2 數值模擬結果分析

1)基坑水平位移分析。從圖2可以看出：a.隨著基坑不斷挖深，基坑的水平位移及其影響范圍逐漸增大且位移均指向基坑內部。第三次開挖時水平位移的數值達到最大16 mm，符合規(guī)范要求。b.從坡頂邊緣沿基坑側壁向下，基坑四周土體的水平位移值不斷減小。因為基坑坡頂為人工堆積層，而往下走為卵石層，人工堆積層物理力學性質較差，導致坡頂水平位移值大于基坑下側水平位移值。c.從基坑坡頂邊緣向外，水平位移值漸漸變小，表明臨空面?zhèn)葦_動大。d.基坑開挖會對基底下方區(qū)域產生影響，尤其是第一次開挖時影響更明顯。

2)基坑豎向位移分析。對近幾年來基坑失穩(wěn)破壞的案例進行研究發(fā)現，基坑水平位移是導致基坑失穩(wěn)的一個重要因素，因此，在基坑數值模擬計算中，對基坑水平位移的研究是很有必要的。通過基坑水平位移云圖可得，基坑各施工工序進行時周圍土體水平位移量的大小及影響范圍，并對變形較大的工序施工予以重視，加強監(jiān)測，對于變形較大的地方施工時可適當增加樁錨密度等，從而為基坑的施工提供一定幫助。

由圖3可以看出：a.三次開挖產生基底隆起最大值依次為7 mm,14 mm,17.5 mm，且發(fā)生在基坑的中間部位，開挖產生的應力釋放是影響基底隆起的主要因素。b.基底平面處隆起值最大，且離基底處越遠隆起值越小。c.基坑沉降的最大值為第三次開挖時的5.74 mm，沉降值極值發(fā)生在離基坑側面一定距離處。

3)護坡樁水平位移分析。基坑不斷開挖，護坡樁受到的土壓力逐漸增加，必然引發(fā)樁體發(fā)生水平位移和變形，當變形大到一定程度后支護結構就會失穩(wěn)破壞且易造成安全事故，所以對護坡樁在開挖過程中的變形進行研究是必要的。

從圖4可以得出：a.整體而言，護坡樁水平位移隨開挖深度的增大而單調遞增；b.第一步開挖進行時，護坡樁的水平位移突然增大，最大位移達到5 mm，第二、三次開挖時位移也是突然增大；c.當每次施加錨桿工序完成時，樁頂水平位移均有所回彈，這說明了預應力錨桿起了作用。

4)錨桿軸力分析。該基坑工程施加了兩排預應力錨桿，分三次開挖，圖5為第一排，第二排錨桿隨基坑開挖而產生的軸力變化圖。

從圖5可以看出：a.錨桿在張拉鎖定后，隨著基坑不斷開挖，土體發(fā)生卸荷作用及相對位移，形成摩擦力并傳給錨桿，所以作用于錨桿的拉力逐漸增大，逐步發(fā)揮了作用；b.在施加第二道錨桿后，第一道錨桿軸力有所減小，可能是因為第二道錨桿承擔了部分土壓力；c.隨著開挖的進行，錨桿所承受的拉力逐步趨于穩(wěn)定，FLAC3D數值模擬對基坑工程的施工具有指導意義。

3 結論

本文結合北京市自來水搶險中心深基坑支護項目，應用FLAC3D數值模擬軟件對基坑開挖和支護過程進行分析，探討了基坑位移、樁頂位移及預應力錨桿軸力隨基坑開挖的變形情況，主要結論總結如下：

1)各監(jiān)測點的變形量都在警戒值范圍內，在基坑地板施工完成后，變形量明顯減小，且變形趨于穩(wěn)定。2)基坑水平位移隨著基坑開挖深度的增加而增大，在第三次開挖時水平位移達到最大；基底隆起最大值發(fā)生在基坑中間部位，沉降最大值出現在離基坑側面一定距離處，且由于數值模擬時未考慮時間效應，隆起值明顯比沉降值要大的多；樁頂水平位移在每次開挖時均會突然增大，且在每次施加預應力錨桿時位移值均會有所回彈；在施加第二道錨桿后第一道錨桿的軸力值有所減小。

[1] 陳 娟.基坑樁錨支護體系現場試驗與數值模擬研究[D].長沙:中南大學,2008.

[2] 戴文奎.衡陽市樁錨支護結構深基坑安全風險評估技術研究[D].衡陽：南華大學,2014.

[3] 唐業(yè)清,李啟民,崔江余.基坑工程事故分析與處理[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2000.

[4] 李柏生,張浩龍,朱彥鵬，等.深基坑樁錨支護結構設計參數分析[J].蘭州理工大學學報,2013,39(1):109-114.

[5] 王立明,高廣運,郭院成.單支點樁錨支護結構的側移計算[J].地下空間與工程學報,2005,1(4):510-513.

[6] 張欽喜,樊紹峰,周予啟.深基坑樁錨支護側土壓力反分析及數值模擬[J].巖石力學與工程學報,2009(S1):3214-3220.

[7] 趙 菲,周 冰,王渭明.深基坑樁錨支護變形模擬分析[J].山東科技大學學報(自然科學版),2013(6):34-38.

The numerical simulation of pile-anchor system in deep foundation pit of Beijing rescue center

Xu Zhao

(ChinaRailwayFirstSurvey&DesignInstituteGroupCo.,Ltd,Xi’an710043,China)

This paper monitored the underground engineering of a tap water rescue center in Beijing, and through the FLAC3D established the numerical calculation model, using Cable element simulation bolt, Beam and Pile respectively simulation material requirements and retaining pile, analyzed and gained the variation of foundation pit side wall displacement, pile top displacement anchor axial force calculation, could provide reference for similar foundation pit engineering.

foundation pit, pile anchor support, numerical simulation, stability

1009-6825(2017)07-0047-03

2016-12-25

許 昭(1979- )，男，工程師

TU463

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