預應力錨索咬合樁深基坑支護設計與施工三維數值模擬分析

王立學

（甘肅省蘭州市政建設集團有限責任公司，甘肅蘭州730000）

預應力錨索咬合樁深基坑支護設計與施工三維數值模擬分析

王立學

（甘肅省蘭州市政建設集團有限責任公司，甘肅蘭州730000）

以天水市成紀地下污水處理廠基坑支護工程為背景，采用三維有限元方法對預應力錨索咬合樁支護結構及施工過程進行了三維數值模擬分析。首先，考慮各種工況及復雜環境，建立三維有限元計算模型，建模時可以依據等效剛度原則將咬合樁加組合型鋼腰梁共同受力圍護體系用地下連續墻替代；其次，分別設置與實際情況相符的有超挖工況和正常施工的無超挖工況進行對比，分析了超挖對圍護結構側移、基坑變形及錨索拉力變化帶來的不利影響。研究結果得到了基坑開挖過程中圍護結構變形、彎矩及錨索拉力等數據的變化規律，對該圍護型式下的基坑設計和施工具有一定的參考意義。

咬合樁；預應力錨索；地下連續墻；數值分析

0 引言

咬合樁具有施工速度快、安全性高、經濟節約等諸多優點[1]。當前，在基坑設計中，咬合樁用作臨時支護結構時是不考慮素樁對抗彎的作用。廖少明等通過模型試驗和現場試驗證明了咬合樁設計中應考慮素樁對抗彎的貢獻[2]。咬合樁與預應力錨索組合而成的支護結構更是比樁加鋼支撐等基坑支護方法在大面積深基坑支護應用時，擁有更多的施工作業空間。本文所述天水成紀新城地下凈水廠深基坑支護結構便采用鉆孔咬合樁加預應力錨索支護型式。考慮該工程復雜的地質情況，為獲得深基坑開挖過程中圍護結構受力變形、土體變形、滲流等變化規律，基于三維有限元方法對預應力錨索咬合樁深基坑支護設計與施工進行數值計算，以期其分析對該基坑支護結構設計和施工具有一定的指導和參考。

1 工程概況

1.1 工程簡介

天水成紀新城地下凈水廠工程位于天水市成紀新城東南角，北臨渭河大橋，東鄰渭河，西臨渭河大橋連接線，南臨藉河。地下凈水廠深基坑呈一近似矩形，長約173.2 m，寬約102.5 m，面積約17 395 m2，基坑周長約537 m，開挖深度約為9～14 m，其平面圖如圖1所示。

圖1 基坑平面圖

1.2 工程水文地質概況

天水成紀新城地下凈水廠施工場地內地下水屬第四系孔隙潛水，主要含水層為②層圓礫、③層卵石，水位埋深為7.1～8.5m。土層主要由第四系人工堆積物、第四系沖洪積物，以及第三系中風化巖所組成。根據地質勘查報告中各地層變化情況分析并簡化總結為四層，從上而下依次為粗砂、圓礫、卵石、中風化巖，詳細力學參數如表1所列。

1.3 支護體系

凈水廠基坑支護主要采用咬合樁加預應力錨索的支護型式。咬合樁葷素搭配，整個場地內分為樁徑1.2 m和樁徑1.0 m兩種，咬合量均為0.3 m。預應力錨索大多數為4束直徑15.2 mm的鋼絞線，少部分為5束直徑15.2 mm的鋼絞線，處在相同水平層位置的預應力錨索張拉鎖定時，鎖于同一型鋼組合腰梁上。預應力錨索在不同開挖位置處，其排數、間距各不相同。

表1 各地層力學參數表

2 建立數值模型

2.1 模型簡化

在施工場地內，其基坑內外均采用降水井降水，只考慮坑內外水壓對咬合樁的水平壓力作用，不考慮水的滲流。咬合樁整體受力形式類似地下連續墻，通過理論計算咬合樁可以等效為具有一定厚度的地下連續墻。

2.2 計算參數選取

數值計算模型中土體均以實體單元來模擬。摩爾-庫倫破壞準則簡單、準確，對于巖土材料的適用性最廣泛，故本文中土體材料選取摩爾-庫倫本構模型。模型中的錨索單元類型為植入式桁架，材料性質為彈性；依據剛度等效原則，以合理厚度的地下連續墻模擬咬合樁、冠梁、組合型鋼腰梁共同構成的圍護結構，單元選為板。

2.3 咬合樁等效為地下連續墻理論計算

咬合樁受力機理極為復雜，現行設計中用作臨時支護結構時是不考慮素樁的對抗彎的作用，將素樁對抗彎的貢獻作為安全儲備。咬合樁本身是樁墻結構，作為擋土維護結構受力類似于地下連續墻，然而因為素樁的存在不能像連續墻一樣承受很大的橫向分布的彎矩，但腰梁的加入在一定程度上彌補了這一缺陷，因此咬合樁加組合型鋼腰梁共同受力圍護體系在模擬中可以用地下連續墻替代。咬合樁轉換為地下連續墻主要依據是剛度等效原則，咬合樁中素樁的截面慣性矩計算示意圖如圖2所示（I1、I2、I3分別為素樁減去咬合部分、完整葷樁、咬合部分一半的截面慣性矩）。

圖2 素樁慣性矩計算示意圖

式中：R為素樁半徑，a為咬合量，h為咬合面寬度的一半。

式中：D為葷樁直徑。

按等效剛度理論有：

式中：E1I1為素樁減去咬合部分混凝土的抗彎剛度，E2I2為鋼筋混凝土樁抗彎剛度，E3為等效地下連續墻彈性模量，D為咬合樁直徑，a為咬合量。

將 I1、I2、I3代入式（3），即可求得等效地下連續墻的厚度t。

2.4 整體模型的建立

依據該基坑的真實情況，建造模型尺寸取287 m×216 m×50 m，保證了模型邊緣至基坑邊緣的距離在3倍最大開挖深度以上，基坑最低處至模型底部高度在2.5倍最大開挖深度以上。圍護體系和開挖全部完成的三維計算模型分別如圖3、圖4所示。

圖3 圍護體系模型

圖4 開挖完成模型

2.5 工況模擬

實際現場施工的程序極其復雜，數值模擬軟件是難以模擬施工全部情況的，因此將工況適當簡化。限于篇幅只列出土體開挖、地下連續墻及錨索施工步驟：（1）施工西面地下連續墻；（2）施工第1層錨索；（3）第1階段開挖，開挖深度0～4 m；（4）施工北、東、南三面地下連續墻；（5）施工第2層錨索；（6）第 2 階段開挖，開挖深度 4～7 m；（7）施工第3層錨索；（8）第3階段開挖，開挖深度7～11 m；（9）第 4 階段開挖，開挖深度 11～14m；（10）施工第4層錨索。

3 數值模擬運行結果及分析

3.1 圍護結構水平位移

東西兩側維護結構在4個主要開挖階段的水平位移云圖如圖5所示。

圖5 東西兩側水平位移云圖

選取基坑東西兩側的 W2、W3、E2、E3四個位置進行圍護結構水平位移分析，不同工況下的樁體側移在深度方向的分布規律如圖6所示。從圖6可以看出，在基坑開挖初期，東西兩側的維護結構受到頂層預應力錨索的強制約束作用較強，在樁頂出現了向坑外的微量位移，但隨著開挖的進行，在后面幾個主要工況中，樁體上部位移都指向坑內且逐漸增大。對比東西兩側的樁體水平位移可知，在開挖后期及開挖完成時，西側樁頂位移明顯大于東側。這主要是因為基坑東面采取放坡開挖，因此在進行深基坑開挖設計時，如現場條件允許則采用放坡開挖可以減小維護結構側移，增加施工過程中的安全保障。

在實際施工中，在b區和c區存在超挖現象：第3階段開挖完成而尚未對第4層錨索進行預應力張拉錨固隨即進行第4階段開挖。模擬將該超挖現象考慮在內，因此工況4較工況3樁頂水平位移和樁身最大水平位移增幅明顯。超挖會造成基坑圍護結構變形過大甚至基坑失穩，因此基坑開挖階段要及時對相應層次的錨索進行預應力錨索張拉錨固，而后再進行下部土體的開挖，切不可為趕進度而超挖，給施工安全帶來重大隱患。

圖6 W2、W3、E2、E3位置水平位移曲線圖

3.2 咬合樁樁身彎矩分析

咬合樁在模擬中已按豎向剛度等效原則轉化為具有一定厚度的地下連續墻，因此考察地下墻的豎向彎矩代表基坑開挖過程的咬合樁彎矩，樁身彎矩在不同開挖階段的云圖如圖7所示。

選取西面W2、W3兩處斷面進行分析，其彎矩隨施工過程的變化規律如圖8所示。在第1階段開挖時，樁體受到第1層預應力錨索的約束影響最大彎矩出現在中部，而上部和下部彎矩均較小。隨著基坑土體開挖與預應力錨索施工的交替進行，維護結構的受力發生變化，樁體彎矩逐漸變為“波浪形”。維護結構受錨索拉力影響在錨索位置處彎矩發生突變，彎矩零點則一般出現在開挖面附近。隨著基坑開挖的進行，圍護結構彎矩是逐漸增大的，尤其是第3開挖階段～第4開挖階段的過程，因為超挖而造成的彎矩增幅明顯，實際施工中應盡量避免超挖。

圖7 不同開挖階段的樁身彎矩云圖

圖8 西面W3、W2位置樁身彎矩曲線圖

3.3 錨索拉力分析

錨索拉力變化對基坑開挖過程中的安全性有著至關重要的影響，不同工況下的錨索拉力云圖如圖9所示。

所選取的四組斷面的錨索拉力隨著工況變化的趨勢如圖10所示，從圖10可以看出，下一層預應力錨索的錨固會使上一層錨索拉力減小，錨索拉力隨開挖深度的增加整體呈增大趨勢。

圖9 不同工況下錨索拉力云圖

圖10 錨索拉力曲線圖

3.4 樁后地表沉降

F’G段是整個基坑開挖深度最深、錨索層數最多的部分，其樁后地表沉降是最具有代表性的，因此取該段進行分析。W3斷面沉降變化趨勢如圖11所示。隨著基坑開挖深度的增加，樁后地表沉降量也隨之迅速增大，至最大值后逐漸衰減，地表沉降的最大值位置由距坑邊5 m逐漸增加到15 m，與開挖深度相當。地表沉降增長較快的是第3開挖階段至第4開挖階段，該過程中因未進行第4層錨索的預應力張拉錨固便進行第4階段開挖，超挖顯然使得地表沉降迅速增大，這在實際工程中是非常危險的，應盡量予以避免。該工程周圍并無重要建筑物及管線，因此未帶來嚴重后果。

圖11 W3斷面沉降曲線圖

4 結論

（1）通過理論分析可知：咬合樁加組合型鋼腰梁共同組成的圍護體系可以按等效剛度原則以合理厚度的地下連續墻模擬，對基坑整體而言可以得到較理想的結果。

（2）通過計算，得到了基坑開挖過程中圍護結構變形、彎矩及錨索拉力等數據的變化規律，對該圍護型式下的基坑設計和施工具有一定的參考意義。

（3）在尚未進行預應力錨索的張拉錨固就進行下部土體的開挖對基坑變形、圍護結構內力及錨索拉力等的影響是非常明顯的。基坑變形過大很容易發生基坑失穩坍塌事故，安全隱患重大，因此在實際施工中要堅決避免超挖。

[1]高新南,王占生,童立元,方磊.咬合樁在蘇州地鐵南施街站中的應用[J].巖土工程學報,2010,（S2）:463-466.

[2]廖少明,周學領,宋博，等.咬合樁支護結構的抗彎承載特性研究[J].巖土工程學報,2008,(01):72-78.

TU473

A

1009-7716（2017）12-0102-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.12.029

2017-09-05

王立學（1970-），男，甘肅蘭州人，高級工程師，從事市政工程施工技術工作。