基坑開挖對樁錨支護結構的影響分析

陳麗玲， 邱洪志

(1.浙江永嘉縣建筑工程質量監督站， 浙江 溫州 325100；2.成都大學 建筑與土木工程學院， 四川 成都 610106)

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基坑開挖對樁錨支護結構的影響分析

陳麗玲1， 邱洪志2

(1.浙江永嘉縣建筑工程質量監督站， 浙江 溫州 325100；2.成都大學 建筑與土木工程學院， 四川 成都 610106)

結合工程實例分析了基坑分步開挖過程中樁錨支護結構的變形特征及其內力變化規律，對數值模擬結果和工程實例監測結果進行了對比分析.結果表明：基坑開挖后，主動土壓力區地應力狀態發生改變，支護樁產生的水平位移最大值隨著開挖深度增加而下移；預應力錨索結構能有效的控制支護樁產生的水平位移；數值方法可以有效地為信息化施工提供依據，對指導基坑的安全施工有一定的作用.

樁錨支護；深基坑；基坑開挖；數值模擬

0 引 言

近年來，隨著城市化建設進程的加快，超高層建筑的數量不斷增加，基坑支護工程作為地下工程建設的一個重要環節，越來越受到人們的重視[1].由于基坑工程大多臨近高層建筑，為了盡量減小工程建設施工對臨近建筑的影響，要求基坑支護結構的內力與變形必須控制在一定范圍內.在實際工程中，往往由于工程所處環境復雜、施工難度大，經常出現一些由于基坑開挖而導致坑壁側向變形過大而影響臨近建筑的安全或造成臨近建筑物的損壞的現象.對此，科研人員進行了大量工程實例研究，并提出了相應的解決方案[2-7].其中，樁錨聯合支護結構體系雖已廣泛的應用于工程實際中，但該支護體系在超深基坑工程應用中的相關研究尚不成熟，特別是針對基坑開挖對支護樁變形的影響以及錨索軸力變化趨勢的研究.對此，本研究結合實際工程的監測結果，運用ABAQUS大型有限元分析軟件對實際工程進行了模擬計算，并與實際監測結果進行了對比分析，本研究結論可為信息化施工提供依據，并對指導深基坑的安全施工有一定的作用.

1 工程概況及現場監測

1.1 工程概況

作為分析對象的某深基坑工程，基坑形狀近似矩形，全長為169.55 m，寬為68.3 m，基坑開挖深度為13.95 m，基坑監測平面布置如圖1所示.現場勘探數據顯示，該工程場地范圍內，表層為人工堆積的雜填土，其下為第四紀沉積地層，分析其成因為黃河沖積沉積物，土層分布相對均勻穩定，地面以下43.5 m深度范圍內的土層物理力學參數見表1.

圖1 基坑監測平面布置圖

1.2 基坑支護方案

該工程的基坑支護結構形式采用樁錨聯合支護體系，鉆孔灌注樁直徑Φ為900 mm，樁間凈距為1 500 mm， 混凝土強度等級采用C30.沿基坑深度方向設置3排錨索，錨索直徑Φ為150 mm，錨索傾角為160°，錨索軸力設計標準值均為450 kN，施加預應力180 kN，各排錨索設置位置見圖2所示.

圖2 基坑支護各排錨索設置位置圖

1.3 監測方案

由于該基坑按照一級基坑要求進行施工監測，為保證基坑安全施工，及時為基坑信息化施工提供反饋信息，本研究對基坑支護樁水平位移變化和錨索軸力變化進行了監測，具體程序為：待支護樁的鋼筋籠綁扎完畢后，將測斜管固定在鋼筋籠上并隨鋼筋籠一起吊入樁孔內，澆注混凝土，使測斜管與支護樁形成一個整體，能與墻體同步變形；支護樁水平位移監測沿基坑冠梁布置14個測點，錨索內力監測沿著基坑壁布置9個測點，具體位置見圖1，每3 d進行一次監測.

2 計算模型與工況

2.1 模型參數選取

本模型中，邊坡土體參數按照表1中對應的數值選取.基坑支護結構采用樁錨聯合支護形式，支護樁為鋼筋混凝土灌注樁，彈性模量取E=34 GPa，泊松比μ=0.25；采用張拉預應力錨索，E=200 GPa，μ=0.2，錨索傾角為160°.基坑開挖深度為14 m，開挖寬度B/2為40 m，支護樁直徑為0.9 m，樁間凈距為1.5 m，樁的嵌固深度為10 m.錨索張拉時一次性施加預應力為180 kN，錨索的豎向間距為3 m，第一排錨索距樁頂5.5 m，總長度為23.5 m，自由段長度為8 m，錨固段長度為15.5 m；第二排錨索總長度為21 m，自由段長度為6 m，錨固段長度為15 m；第三排錨索總長度為18 m，自由段長度為6 m，錨固段長度為12 m.

2.2 有限元分析

該基坑工程分4級開挖，本研究利用ABAQUS有限元分析軟件模擬各個開挖過程.ABAQUS中利用“單元生死”功能，在分析步定義選項塊中通過單元移除與單元激活，來實現基坑分步開挖[8].錨索結構的預應力可在模型定義中定義單元的初始應力，然后在分析步將其移除，當該模型被重新激活時，單元就具有預應力.

2.3 計算工況

本模型的具體計算工況如下：

1)工況1.基坑開挖至原始地面以下-5.5 m處，增加第1排錨索.

2)工況2.待第1排錨索嵌固端水泥漿達到一定強度后，繼續開挖至-8.5 m處，增加第2排錨索.

3)工況3.待第2排錨索嵌固端水泥漿達到一定強度后，繼續開挖至-11.5 m處，增加第3排錨索.

4)工況4.待第2排錨索嵌固端水泥漿達到一定強度后，繼續開挖至基坑坑底，即-14 m處.

可見，從工況1到工況4分別模擬了基坑開挖全過程.施工順序應遵循先錨后挖的原則，并采用整體分層開挖.

3 數值模擬結果與監測結果對比分析

3.1 數值模擬分析

目前，錨索作用機理的研究尚不夠成熟，在有限元分析軟件ABAQUS中，很難準確地模擬預應力對錨索的作用.考慮到這一原因，本研究不對錨索軸力的數值模擬結果進行分析，在模擬預應力的作用時，采取待錨索設置完后，對錨索施加一個初始應力.通過有限元模擬計算，得到了4種不同工況下，支護樁隨著基坑開挖深度的增加其水平位移的變化規律，具體如圖3所示.

圖3 各工況下支護樁水平位移

從圖3中可看出：在工況1情況下，當基坑開挖至-5.5 m時，支護樁發生的位移主要集中在開挖段，最大位移累計值為5.12 mm；當基坑開挖至工況2時，支護樁的水平位移最大值在-8m左右處，未開挖的部分樁的變形較小，樁頂的位移量較小，其原因是樁頂的冠梁對支護樁起到了約束作用；當基坑開挖至工況4時，支護樁的變形曲線大體呈拋物線形，在樁身的中間部位，水平位移值最大，樁身兩端樁的變形逐漸減小.此外，從支護樁的變形曲線還可以看出，在設置錨索的位置處，變形曲線出現了“內凹”的現象，說明支護樁的變形受到了一定的約束，錨索和支護樁的共同作用對減小支護樁的偏移和基坑的變形十分有效.另外，樁頂的水平位移隨著基坑開挖深度的增加變化很小，說明支護樁樁頂設置冠梁對控制支護樁的變形很有效.

3.2 錨索軸力監測數據分析

在基坑開挖過程中，3排錨索設置的時間不同，各排錨索的軸力狀態也不一致.圖4給出了一個監測點的錨索軸力變化趨勢.

圖4 3排錨索軸力實測值

第1排錨索是在基坑開挖至-5.5 m處設置的，監測工作是從錨索設置好以后開始的，圖4中第1排錨索軸力值開始時為189 kN，隨基坑開挖深度增加，該值呈波動上升狀態.第2排錨索設置在基坑-8.5 m處，從圖4可以看出，錨索軸力值在開始時最大，為348 kN，隨著基坑開挖深度的增加，錨索軸力值逐漸減小，當設置第3排錨索后該軸力值變化逐漸趨于穩定.第3排錨索設置在基坑-11.5 m處，開始時錨索的軸力值較小，隨著基坑開挖深度的增加，軸力值逐漸變大.從圖4可以看出，3排錨索的軸力值在前期變化比較明顯，特別是第2排和第3排錨索，而當基坑開挖至底后，錨索的軸力值變化幅度很小，基本上保持在同一水平上.可見，樁錨支護結構在基坑支護過程中充分發揮了各自的優勢，錨索有效地限制了支護樁的水平位移，保證了基坑的穩定性.

3.3 支護樁水平位移對比分析

在基坑開挖過程中，支護樁產生的水平位移是判斷基坑是否處于安全穩定狀態的一項重要指標.因此，通過監測支護樁水平位移變化情況，可及時為基坑的安全施工提供反饋信息.

圖5給出了其中一根支護樁水平位移計算值和實測值的變化曲線，其中數值模擬曲線表示模擬工況4時，所得到的支護樁水平位移變化值.實測曲線表示基坑開挖結束后，支護樁水平位移累計值.

圖5 支護樁水平位移計算值與實測值對比

從圖5可以看出，數值模擬結果和實測結果比較接近，樁的變形趨勢一致，實測結果要比數值模擬值偏大.數值模擬與實測結果存在差異的原因主要是，預應力錨索結構在樁錨聯合支護體系中發揮了重要作用，其中錨索的這種作用在數值模擬中很難實現，支護樁受到錨索的約束作用存在差異，從而使支護樁產生的水平位移存在偏差.另外，在數值模擬分析時，選取的相關參數偏保守，也使計算結果數據偏小.

4 結 論

本研究結合工程實例重點分析了樁錨支護結構在基坑開挖過程中的內力及位移變化規律，具體可概括為：基坑開挖后，主動土壓力區地應力狀態發生改變，支護樁產生的水平位移最大值隨著開挖深度增加而下移，開挖結束后最大值出現在基坑-11 m左右位置處；預應力錨索結構能有效地控制支護樁產生的水平位移，樁錨聯合支護體系可共同發揮各自的優勢，在實際工程中合理利用錨索結構，能取得較好的效果；通過對比支護樁水平位移的數值模擬結果和實際監測結果表明，數值方法可以作為一種有效的研究手段，但數值結果和實測結果存在一定的偏差，數值方法中預應力錨索的模擬方法還有待進一步完善.

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[3]饒強.預應力錨索在深基坑支護中的應用[J].工業建筑,2010,40(s):1110-1113.

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[5]熊智彪,王啟云,谷淡平.某樁錨支護結構設計及預應力錨索測試分析[J].建筑結構,2010,40(2):106-109.

[6]蔡袁強,李碧青,徐長節.挖深不同情況下基坑支護結構性狀研究[J].巖土工程學報,2010,32(s1):28-31.

[7]高偉,竇遠明,周曉理,等.分步開挖過程中基坑支護結構的變形和土壓力性狀研究[J].巖土工程學報,2006,28(s):1455-1459.

[8]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.

Analysis of Influence of Foundation Pit Excavation on Pile-anchor Structure

CHENLiling1,QIUHongzhi2

(1.Construction Quality Supervision Station of Yongjia County, Wenzhou 325100, China;2.School of Architecture and Civil Engineering, Chengdu University, Chengdu 610106, China)

The paper,based on real engineering projects,analyzes the law of deformation characteristics and the internal force variation of the pile-anchor support structure in the process of excavation by steps.By comparing the monitoring results of the projects and the numerical simulation results,we obtain the results showing that the crustal stress of the active earth pressure area state is changed after the pit excavation.With the increase of the excavation depth,the maximum horizontal displacement of the supporting piles goes down.At the same time,the pre-stressed anchor cable structure can effectively control the horizontal displacement of the supporting piles.In addition,the analysis results show that the numerical method can be used as an effective method of research to provide a basis for the informationalized construction and also have certain effects on the safe construction of foundation pits.

pile-anchor support;deep foundation pit;foundation pit excavation;numerical stimulation

1004-5422(2017)02-0209-04

2016-12-12.

國家自然科學基金(41401608)資助項目.

陳麗玲(1987 — )， 女， 碩士， 工程師， 從事建筑工程質量相關技術研究.

TU753

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