基坑工程樁錨支護結構受力性能數值分析

郭玉君 王 雷 劉 帆

(1.江蘇南京地質工程勘察院，江蘇 南京 210041; 2.江蘇省郵電規劃設計院有限責任公司,江蘇 南京 210019)

基坑工程樁錨支護結構受力性能數值分析

郭玉君1王 雷2劉 帆1

(1.江蘇南京地質工程勘察院，江蘇 南京 210041; 2.江蘇省郵電規劃設計院有限責任公司,江蘇 南京 210019)

目前樁錨支護結構常用于基坑工程中，但其受力分析并不完善,結合實際工程案例，應用FLAC3D軟件分析樁錨支護結構中錨桿和支護樁的受力，模擬基坑開挖過程中位移、沉降、坑底回彈及支護樁受力情況，可為今后類似工程提供借鑒。

樁錨支護，數值分析，支護結構受力，水平位移

0 引言

錨桿作為一種支護形式用于基坑工程已近五十年。其與內支撐的支護形式相比，坑內土方開挖空間開闊，施工效率高，工程質量有保障，被廣泛地應用于基坑支護工程中[1,2]。錨桿結合排樁的支護方式可有效控制基坑水平位移，確保基坑及周圍建筑物和地下管線的安全，亦大量的應用于基坑支護工程中[3]。

目前對于樁錨支護的深基坑，設計計算尚未完全成熟，存在若干問題。韓軍等[4]分析了這些問題，并提出一些有益的處理措施。陶西貴等[5]現場實測了樁錨支護的水平位移、錨桿軸力以及支護結構內力等，得出了有益的結論。張欽喜等[6]對錨桿受力進行原位測試，研究分析了土壓力的分布規律，并采用數值分析方法進行了擬合驗證，證明計算方式的正確性。賈金青等[7]采用FLAC程序對基坑進行了數值模擬分析，得出了不同錨桿預應力大小對基坑塑性區和變形的影響，實際監測最大水平位移與數值模擬值整體上比較吻合。武崇福等[8]運用有限差分法，采用FLAC3D軟件建立了深基坑樁錨支護結構的模型，并對支護結構中錨桿的內力與變形進行數值模擬。分析結果表明:理論計算、現場試驗與數值模擬得到的結果基本吻合。黃敏等[9]針對典型樁錨支護結構型式的土巖組合基坑，通過有限元模擬，在地表沉降模式、灌注樁的嵌巖比、基坑開挖影響范圍、地表沉降與樁體水平位移的關系等方面得到了一些定性和定量的基本規律。

雖然上述三種計算方式中，數值方法能更全面的反映實際工程情況，但基坑開挖是變化過程，具有多種影響因素。數值分析計算模型的建立與基坑周圍環境及土層力學參數的選擇，以及計算產生的小誤差，使數值分析結果類似。支護樁、錨桿與地層土體互相作用的難題，通常是因為本構模型和地質參數的選取不符合實際而出現病結論。若數值分析法用于指導實際工程支護方案設計，我們還需做很多研究性工作。本文分析了樁錨支護結構中錨桿和支護樁的受力,通過基坑開挖各工況數值分析，得到一些有益的數據，值得設計同行參考。

1 樁錨支護結構數值模型簡介

將基坑土方分3層卸土至11.0 m。第1層卸土至-3.5 m，第2層卸土至-8.0 m、第2層卸土至坑底。建立長100 m，高45 m的模型，模擬用平面應變法。采用Mohr-Coulomb土體破壞準則。錨桿長度取10 m,12 m,14 m，傾角取10°，15°，20°三個角度，分析基坑開挖過程中樁身軸力、彎矩變化情況，錨桿抗力、基坑位移和坑底回彈情況。

錨桿外徑150 mm，截面面積17 673 mm2，彈性模量200 GPa，泊松比0.26，內摩擦角28°，砂漿粘結力17.5 kPa，粘結剛度1.1×109N/m2。水平向粘結力1.75×105N/m，水平向粘結剛度1.0×109N/m2，水平向摩擦角30°，垂直向粘結力1.85×108N/m，垂直向粘結剛度1.2×109N/m2，E=39.0 GPa；v=0.30。土體容重19.7 kN/m3，內摩擦角23°，彈性模量20.5 MPa，泊松比0.25，粘聚力30.0 kPa。

2 樁錨支護結構受力數值分析

2.1錨桿受力數值分析

圖1顯示錨桿傾角為15°時，軸向錨固力沿長度方向的變化情況。

圖2為12 m錨桿在傾角15°時，上下2層錨桿受力情況。由圖2可以看出下層錨桿的貢獻力加大。

2.2支護樁受力數值分析

圖3為錨桿傾角15°不同長度時，支護樁的內力變化情況。圖3a)中顯示，支護樁軸向壓力最大值發生在離坑頂一倍基坑挖深范圍處，然后又逐漸縮小。而錨桿長度變化對樁身受力影響不大。

圖3b)顯示了樁身彎矩受不同錨桿長度的影響，彎矩先沿樁體逐步增大，彎矩最大值在離樁頂約9.0 m～10.0 m處，然后又開始降低，支錨長度的增加使樁身反彎點稍微下移。

模擬中錨桿取14.0 m，從圖4a)看出，在離樁頂約1倍基坑挖深位置處樁身軸力達到最大值，然后又急劇下降；從圖4b)看出，約于樁身9 m～10.0 m處支護樁剪力出現正負轉變，傾角變化對樁身剪力影響較小；從圖4c)看出，支護樁彎矩變化趨勢同支護樁軸力。

2.3開挖過程中支護樁受力分析

圖5為基坑開挖過程中，支護樁樁身內力變化情況。如圖5a)所示，剛開挖時，因錨桿對支護樁拉力大于土壓力，樁身承受拉力，隨著開挖深度加大，樁身力模型發生變化。從圖5b)看出，支護樁剪力分布雜亂規律難尋。從圖5c)看出，卸土至坑底時，彎矩急劇增大，且有反彎點，表明卸土至坑底時，基坑開挖涉及的幾種參數變化較大，這與工程實際相符。

2.4基坑水平位移分析

圖6為開挖過程中基坑水平位移變化情況，圖6顯示，隨著基坑開挖深度的增加，二道錨桿的施工，基坑在開挖到底時，基坑水平位移值達到最值。

2.5基坑頂部沉降分析

基坑頂的沉降曲線如圖7所示，圖7顯示，隨著基坑開挖深度的增加，基坑在開挖到底時，基坑坡頂沉降量達到最值，這個最值出現在距基坑1/2挖深處。

2.6基坑底部回彈變形分析

圖8為基坑坑底回彈變量圖，從圖8得出：在基坑開挖深度范圍內，距離坑邊越遠反而回彈量越大。

3 結語

1)同一基坑，錨桿長度增大，支護樁樁身所受的軸向壓力減小，剪力變化復雜，彎矩變化較顯著，表明基坑深度增加，對基坑穩定性影響增大。

2)基坑圈梁頂是基坑最大水平值發生處，開挖深度越大水平位移也加大；隨基坑開挖深度增加，基坑坡頂部沉降量出現最值，出現在距基坑1/2挖深處；隨著基坑開挖深度增加基坑底部回彈變形逐漸增大。基坑開挖面以內，離坑邊越遠回彈變形越大。

3)通過本文有限差分計算方法得出，數值模擬可以很好的分析錨樁支護結構的受力，在土質參數較好的基坑設計中可做良好的方案選擇。

[1] 劉國斌,王衛東.基坑工程手冊[M].第2版.北京:建筑工業出版社,2009:21-25.

[2] 劉贊玉.錨桿支護在深基坑開挖中的應用[J].建筑結構,2003,33(8):54-56.

[3] 檀西樂,鞏玉志,趙占山.樁錨支護體系在深基坑工程中的應用[J].工業建筑,2009,39(sup):772-774.

[4] 韓 軍,張智浩,艾 凱.影響巖土錨固工程安全性的幾個關鍵問題[J].巖石力學與工程學報,2006,25(S2):3874-3878.

[5] 陶西貴,譚躍虎.錨拉樁深基坑支護預應力錨桿的現場測試研究[J].巖土工程技術,2004,18(2):83-85.

[6] 張欽喜,樊紹峰,王 磊.土城住宅樓工程錨桿拉力監測及數值模擬分析[J].巖土工程技術,2008,22(2):67-70.

[7] 賈金青,涂兵雄.預應力錨桿柔性支護法在超深基坑中的實踐[J].巖土工程學報,2012,34(sup):350-355.

[8] 武崇福,李長洪,畢 鑫.深基坑預應力錨桿軸力分布研究[J].建筑結構,2011,41(8):134-137.

[9] 黃 敏,劉小麗.土巖組合地區樁錨支護基坑開挖地表沉降分析[J].巖土工程學報,2012,34(sup):571-575.

Numericalanalysisofthebehaviorofpile-anchorretainingstructureinfoundationpitengineering

GuoYujun1WangLei2LiuFan1

(1.JiangsuNanjingGeo-EngineeringInvestigationInstitute,Nanjing210041,China;2.JiangsuPosts&TelecommunicationsPlanningandDesigningInstituteCo.,Ltd,Nanjing210019,China)

Pile-anchor structure is often used in the foundation pit engineering, but the stress analysis is not perfect. With an example, applied FLAC3D software to analyze the pile anchor retaining structure anchor and the supporting force of pile, and the simulation of the excavation process, the horizontal displacement of supporting structure of foundation pit, the pit bottom rebound, the top settlement and excavation supporting pile force, provide reference for future similar projects.

pile-anchor support, numerical analysis, behavior of retaining structure, horizontal displacement

TU942

A

1009-6825(2017)26-0081-03

2017-07-05

郭玉君(1983- )，女，工程師