軟土基坑雙排樁一錨索復合支護結構數值模擬分析

王學軍

摘要：雙排樁一錨索復合支護結構是一種就現階段來講比較先進的基坑支護形式，它結合了樁錨支護結構與雙排樁支護結構的技術優勢，能夠從整體上提高支護剛度，有效預防基坑變形，在軟土地區能夠達到很好的支護效果。本文基于沈陽北站綜合交通樞紐地下人防工程基坑支護結構構建三維數值模型，針對基坑開挖施工中的支護結構、基坑的內力和變形進行模擬計算，并將計算后得到的參數與實測數據進行對比，從中總結出軟土地區基坑支護結構變形規律，為工程實踐提供更準確的參考依據。

關鍵詞：雙排樁；錨索；軟土基坑；數值模擬

1工程簡介

1.1工程概況

沈陽北站綜合交通樞紐地下人防工程，位于沈陽市市中心，總建筑面積約為52000㎡。擬建的工程場地位于沈陽市北站路與友好街的交會處——南廣場地下，交通便利，是集地上廣場、火車站、公交車站及地鐵的大型綜合交通樞紐工程。場地的地貌單位類型屬第四紀渾河新扇，該地層主要由雜填土，粉質粘土、中粗砂及礫砂等組成。

1.2基坑支護設計方案

①頂部3m采用1：1.2放坡，并掛6.5@200x200鋼筋網噴射c20混凝土，噴射厚度為80mm；②下部采用600mm螺旋鉆孔壓灌樁支護樁加樁后錨樁、拉梁、錨索聯合支護方案；③支護樁中心距為1m，錨樁中心距為2m，支護樁與錨樁排距4m。錨索采用低松弛高強度鋼絞線2束7.5，錨索設計標高-7m，水平間距為1m，一樁一錨，錨索長25m，錨孔直徑為160mm，20°傾角，錨固體注純水泥漿；④采用排距為303mm、樁徑為500mm、樁中心距為350mm的雙排水泥土攪拌樁施作止水帷幕，樁身呈正三角形相互咬合150mm，位于支護樁與錨樁的外側；⑤支護樁、錨樁、冠梁及拉梁混凝土強度等級為C25，主筋為HRB400級鋼筋，加勁筋是HRB335級鋼筋，箍筋為HPB235級鋼筋。

1.3監測結果

①水平位移。本文主要以基坑南側支護樁段為例，監測點由西向東依次順序排列。樁頂水平位移檢測結果：N1點水平位移最小，最大值約為24mm，而N2、N3、N4及N5的水平位移都大于預警值（30 mm），N3位移量達到了100mm，是幾個點中位移幅度最大的點。②豎向位移。前排樁樁頂位移是先上抬隆起后下沉，最終趨于穩定。一般來說，基坑開挖得越深，豎向位移越明顯。因為開挖過程中必須將坑內土體徹底移除，使土應力重新分布。這就逐步加大了基坑外部土體的剪力，致使土體出現塑性區，土地的塑性流動會造成基坑周邊的沿著坑內的方向位移。樁與土在發生相互作用之后，樁頂也因此產生了向上上移動的趨勢，并且在一定的范圍內，樁頂產生了隆起。此外，由于完成了預應力錨索施工，前排樁被施加了一定的預應力，更是加劇了隆起的現象。

2雙排樁一錨索復合支護結構三維數值模擬分析

2.1模型的建立

基坑開挖中心為坐標原點，X軸（寬度），Y（長度），Z軸（開挖深度），根據現場實際情況及經驗模型尺寸選為200mx200mx50m三維彈塑性模型。采用摩爾一庫倫（Mohr-Cotdomb）屈服準則，四周取對稱約束，上部設定（z=0）為自由面，僅考慮土體重力，不考慮地下水的影Ⅱ向。

2.2模擬結果

2.2.1支護結構水平位移

隨著基坑開挖深度的加大，前后排樁均表現出了沿著基坑內方向產生位移的形勢。在開挖到坑底時，錨索的存在產生了較大的抗拔力，前排樁則表現為中間大兩頭小的情況，表現為變形的曲線，而最大位移值在基坑底部開挖面周圍開始出現。對于后排樁，其頂部的水平位移最大，伴隨樁長度的加大，水平位移變形逐漸變小。

2.2.2前后排樁的水平位移對比

鑒于使用的支護結構體系是雙排樁一錨索復合型，并且在樁頂有拉梁與冠梁互相進行連接，產生了側移剛度，并且前排樁的錨索也因此產生了足夠的抗拔力，通過提取不同開挖過程前后排樁樁身位移變形對比得出：

①在完成各個開挖工程以后，前后排樁的樁頂具有相同的位移，說明拉梁產生了良好的剛性連接，把樁頂連接起來都形成了一個整體。②開挖階段不同，前排樁最大側移值是隨著開挖深度的不斷增大而漸向下移動，處于開挖面周圍。主要原因是在樁頂的拉梁與樁身4米左右的位置都有錨索單元，并且產生了較好的支護作用，使得前排樁具有較好的側移剛度，并使其發展受到了限制，而且呈現出中間大兩頭小的特征。③伴隨開挖深度的增加，后排樁的最大側移值也逐漸增大，最后才趨于穩定。而就變化規律來看，與單純的單雙排樁的側移變形具有相同的規律，說明錨索單元的作用點自在前樁，對后排樁的影響則比較小。④前排樁側移的變化曲線速度比較快，并且比后排樁超前。說明前后排樁發揮作用的時間不同，前排樁首先起到支護作用。⑤在開挖坑底時，前后排的排樁都產生了一定的唯一，并且變化量比較小，逐漸趨于穩定狀態。說明前后排樁支護作用發揮的比較充分，樁的長度設置也比較合理，也沒有出現由于樁長的原因而導致變形的情況。

2.2.3坑后土體沉降

伴隨基坑深度的加大，每一次開挖都會造成土體的沉降，并且增大了沉降量和影響的范圍，沉降變形的曲線和“勺”形比較相似：而沉降量與相對基坑開挖面的距離有關，伴隨距離的增大而降低，最后才能穩定下來：而最大沉降點與基坑的深度也有很大關系，伴隨基坑深度的增大而逐漸遠離基坑方向，最終與相距基坑20到25米左右的距離開始趨于穩定，在30米之后，最終穩定下來。

2.2.4樁頂處豎向位移

不斷的進行開挖會產生向上隆起的特點，主要原因在于土體與支護架構之間的粘結摩擦力開始發揮作用，極大的限制了該處土體的豎向沉降，但是與支護結構相對較遠的土體以及水平位移會擠壓樁后附近的土體，使其出現了隆起的情況。此外，已經完成施工的錨索支護結構也提供了較大的側向抗拔力，加劇了隆起的趨勢。

2.2.5坑內土體隆起分析endprint

隨著基坑深度的不斷增加，基坑底部土體的隆起不斷變大。并且坑底部分的土體隆起表現出曲線分布的特征，并且基坑的邊緣，具有最小的隆起值，而中心的隆起值最大，并越來越穩定。一方面是由于基坑的坑內土體慢慢被移除，極大的釋放了坑內土體的自重應力，導致了坑內的土體開始向上回彈：另一方面基坑坑后的土體會產生塑性流動，并向坑內進行滑移，且橫向擠壓坑底，造成坑底出現隆起。

3模擬結果與實測結果對比分析

3.1水平位移對比分析

根據對支護結構前排樁的水平位移進行模擬的結果以及實際測量取得的結果，可以得出，在完成開挖基坑支護，樁頂發生了約60毫米的水平位移，與實際測得的N2和N4的水平位移值比較接近。在實際的模擬過程中，對樁頂的水平位移值進行剔除，忽略了對整體支護結構空間效應的考慮，也說明了N1和N5的實際測量的水平位移偏小的原因。對N3進行實測，其水平位移較大，原因在于運輸通道的存，出現了在模擬過程中并不存在的外部荷載，導致變形比較大。總的來說，模擬的結果和實際測量的結果比較接近，其他數據基本上相同，說明模型的設置比較合理。

3.2豎向位移對比分析

根據對前排樁進行豎向模擬以及實測所取得的結果可知，在完成基坑開挖以后，前排樁的樁頂其豎向位移上抬的距離在6毫米以下，而基坑坑外的土地的沉降曲線中豎向位移的最大上抬值達到10毫米，與模擬值相差4毫米。主要原因是在進行模擬時，沒有見地下水的影響考慮在內。

4結論

①雙排樁一錨索復合支護結構在受力以及變形時，由于各結構單元具備一定程度的變形和協調的性質，剛度比較大，能夠產生較好的支護效果，具有良好的適用性。

②雙排樁”錨索復合支護結構，其特點是有雙排樁以及樁錨結構，整體的穩定性比較好，能夠應用的范圍也比較廣泛，通過軟件進行模擬可以得出這樣幾個規律：

1）樁身水平位移：前后排樁的樁頂具有相同水平位移，并且前排樁有明顯的中間大和兩頭小的的變形趨勢。后排樁從樁頂到樁底都逐漸減小。2）基坑豎直位移：基坑后方的沉降曲線與“勺”形比較類似。在開挖初期，樁后的土體微微的隆起，而內部土體隆起現象最為明顯，在基坑的邊緣附近最小，中間處最大，在完成基坑開挖之后比較穩定。3）樁身彎矩：后排樁整體的彎矩趨勢不斷增發，前后排樁具有不同的彎矩變化形勢，原因在于錨索只在前排樁發揮作用，使得前排樁的受力機理發生了變化。而后排樁是通過拉梁和冠梁連接到前排樁，其與單純雙排樁支護結構具有類似的彎矩變化趨勢。在進行整體施工時，前排樁具有比后排樁更大的正負彎矩，說明前排樁是承擔土壓力的主要構件，發揮著比較大的支護作用。

③雙排樁一錨索復合支護結構屬于較為靜定的結構，并且具有這種性質的結構，在外荷載作用時，結構體系可以自動的對結構內力進行調節，對于比較復雜，變化較大的外荷載，都能發揮較好的協調作用，以防止支護結構發生變形。endprint