錨索長度對城市土體基坑邊坡支護效果影響

王知深李勇朱維申董振興

(1.山東大學 巖土與結構工程中心，山東濟南250061；2.山東大學土建與水利學院，山東 濟南250061)

0 引言

基坑施工在城市建設中所占比重越來越大，基坑的深度和支護的難度也隨之增加[1-3]。錨索支護憑著低廉的造價，以及較高的支護效率，被大多數基坑邊坡支護工程所應用。作為錨索支護的主要參數，錨索長度[4-5]是在進行基坑邊坡支護設計時首先要考慮的重要問題。錨索長短和布置的設計，在很大程度上直接決定了基坑邊坡的支護效果。因此，許多學者對錨固技術進行了研究。江學輝[6]和張嘉偉等[7]對千枚巖邊坡加固時的錨桿長度進行了研究，發現在千枚巖邊坡錨固時，錨桿長度增加＞25 m時，錨固效果并不會跟著錨桿長度的增加而增加。林杭等[8]研究了邊坡支護采用不同長短相間布置時，邊坡的支護效果也有較大區別。趙華鵬等[9]使用Geo-studio軟件，對不同支護方案在層狀邊坡遇到降雨時的支護效果進行對比分析。陳隨海等[10]設置了不同長度、不同傾角、不同張拉應力的錨桿，利用數值計算，研究了不同參數錨桿對公路邊坡進行支護時，對邊坡穩定性的影響。張超[11]研究了松軟特厚煤層在支護時，不同錨桿特性對于支護效果的影響。邢心魁等[12]通過研究不同錨桿長度在土質隧道支護，圍巖的應力分布來確定各種長度錨桿的支護效果。孔維風等[13]通過雙彈簧單元等效錨桿的支護效應，研究了各種不同錨桿加固方式在邊坡支護時的加固效果。僅管現在錨固技術已經取得了長足的發展，但仍然存在部分工程由于支護設計的錯誤等因素導致了邊坡失穩等事故的發生[14]。因此，在設計初期，確定錨索長度以及布置方式，對基坑邊坡支護有著極其重要的意義。

在城市土質邊坡的支護中，錨索長度以及不同長度的布置，極大的影響著工程的可靠性以及支護成本的投入，使用不同長度或布置方式的錨索對基坑邊坡的支護效果有較大不同，選用更為經濟合理的優化支護方案是保證城市土體深基坑工程順利進行的重要條件。文章采用有限差分軟件FLAC3D，以實際工程為背景，模擬了錨索在不同長度和布置方案情況下的支護效果，通過對比各個方案進行支護時的安全系數和邊坡表面位移情況，確定了最優支護方案，并在實際工程中與其他方案進行了對比，可為今后類似工程提供借鑒和參考。

1 計算方法概述

快速拉格朗日差分FLAC(Fast Lagrangian Analysis of Continua)軟件是美國ITASCA公司基于有限差分分析開發的大型商業軟件，由于其高效和準確的計算能力廣泛應用在巖土工程的數值模擬和計算中。FLAC3D可以模擬巖土或其他材料的力學行為，尤其在大變形問題的分析方面具有獨特的優勢[15]。該軟件主要通過建立有限差分網格，設定材料的力學參數和本構關系，并設定初始以及邊界條件對模型進行定義，通過顯式差分法求解微分方程。這種計算方式在求解微分方程的過程中，中間步驟高效快速，因此可以運用該方法解決一些復雜問題。FLAC 3D內置了十幾種材料本構模型、多種計算模式以及多種邊界條件[16]，可以通過耦合計算不同材料在不同本構條件下各個模式和邊界條件下的狀態。

目前，在大多數FLAC3D計算中，常選用Cable實體單元進行錨桿錨索行為的模擬。Cable單元在FLAC3D中是一條具有2個節點的直線單元，其節點可以受到軸向力而產生軸向變形，因此可以模擬張拉和壓縮破壞，所以可以用該單元模擬錨桿和錨索，其自由度的定義如圖1所示。該單元可以承受軸向力，但是允許受到彎曲荷載，還可以進行集中荷載和預應力的設置。Cable單元通常采用的是彈性本構，因此服從廣義胡克定律，對于其軸向剛度與橫截面上單位面積、彈性模量和錨桿長度的關系由式(1)表示為

式中:K為軸向剛度，kN/m；A為橫截面上單位面積，m2；E為彈性模量，MPa；L為錨桿長度，m。

圖1 錨桿單元節點自由度圖

2 城市土體基坑有限元模型建立

基坑工程坐落于大連市區，基坑深度約為18 m，根據地質勘察，該基坑表層主要由雜填土構成，厚度約為8 m，往下是由約5 m厚的紅黏土構成，紅黏土層下方為強風化以及中風化石灰巖。基坑整體穩定性較差，安全等級為一級。

根據現場情況建立了三維有限元計算模型，該模型總共由2335個單元、4840個節點構成，左右各長為56 m，從地下40 m至地表(如圖2所示)，各層土體部分物理力學參數見表1。將模型導入FLAC3D，各層土體部分使用彈塑性本構模型，錨索單元使用cable實體單元進行計算。

圖2 開挖前基坑模型圖

表1 模型力學參數表

3 錨索長度對基坑邊坡支護效果影響研究

3.1 基坑邊坡支護穩定性分析

為更好的確定不同長度錨索支護對邊坡穩定性的影響，選取了3種不同的錨固方案進行模擬。方案1采用錨索長度L為7/5 m，間排距為2 m×2 m；方案2采用錨索長度L為9/7 m，間排距為2 m×2 m；方案3采用錨索長度L為11/9 m，間排距為2 m×2 m。

基坑開挖后，由于土體卸荷，基坑邊坡主要產生水平方向上的位移。經過計算，開挖后不支護及采用3種方案支護后，基坑邊坡的水平方向上的位移云圖如圖3～6所示。

通過圖3～6可以看出，在進行錨索加固之后，基坑邊坡土體內部水平位移＞15 mm的區域急劇減小，基坑邊坡水平最大位移在不支護時為69.60 mm，采用方案1、方案2、方案3支護時的最大水平位移分別為25.35、22.36、22.46 mm。支護方案1的基坑邊坡水平位移比不支護時減小63.58%，支護方案2的基坑邊坡水平位移比不支護時減小67.87%，支護方案3基坑邊坡水平位移比不支護時減小67.73%。

為了進一步說明基坑邊坡在開挖過程中的變形特征，在基坑邊坡上選擇代表性的特征點，提取特征點的位移值。各特征點示意圖如圖7所示。經計算得到的各特征點的位移見表2，水平位移“-”表示從基坑邊坡內部指向臨空面，豎直位移“-”表示豎直向下。

圖3 未支護時基坑邊坡水平方向位移云圖

圖4 方案1支護時基坑邊坡水平方向位移云圖

圖5 方案2支護時基坑邊坡水平方向位移云圖

圖6 方案3支護時基坑邊坡位移云圖

圖7 基坑邊坡特征點示意圖

表2 各方案特征點位移及支護效果表

根據圖7和表2可知，以位移減小百分比作為支護效果的標準，通過對比各特征點的支護效果可以得出，在基坑邊坡的上部位置，3種方案的支護效果都＞74%，支護效果較好，其中方案3的支護效果最好，達到了74.16%，而方案1和方案2的差別不大。在基坑邊坡的中部位置，方案2的支護效果最好，最大水平位移出現位置附近的關鍵點BP02和BP03的支護效果分別為68.31%、51.46%。基坑邊坡的下部位置，方案3的支護效果最好，BP05和BP06的支護效果分別為7.46%、5.91%。

經計算，在不支護時，基坑邊坡的安全系數為1.05，使用方案1進行支護時安全系數為1.61，使用方案2進行支護時安全系數為1.55，使用方案3進行支護時安全系數為1.48。

通過上述對比可以看出，在對基坑邊坡支護時，并不是錨索越長越好。在基坑邊坡的中部位置，方案3的錨索長度較大，破壞了基坑邊坡土體深部的穩定結構，并且當錨索過長時，錨索前段的剪應力減小，錨索的支護能力降低；另外，使用較長錨索進行支護的方案3的安全系數為1.48，小于使用支護方案2進行支護時的安全系數1.55，因此方案3較長錨索的支護效果并不如方案2的支護效果。

3.2 基坑邊坡錨索支護優化

對比各長度錨索在不同位置的支護效果，在基坑邊坡的上部位置，即從基坑邊坡頂部向下的深度范圍約為3 m，選取長度較長的錨索支護效果較好；在基坑邊坡的中部部位，即從基坑邊坡頂部向下的深度范圍約為3～13 m，使用7/9 m的錨索支護方案；在基坑底部，即從基坑邊坡頂部向下約為13 m至基坑底部深度范圍，邊坡的位移量較小，使用較長錨索時減小的位移量＜1 mm，考慮到經濟因素等方面的原因，選用5/7 m錨索支護方案。新的支護方案如圖8所示。

圖8 基坑邊坡優化支護方案圖

經過計算，采用優化支護方案的基坑邊坡水平方向位移云圖如圖9所示。進行優化支護后，基坑邊坡水平位移最大值減小為19.09 mm，比其他幾個方案水平位移最大值都小，但4～6 mm位移區域增大。提取各特征點位移見表3，并計算該方案的安全系數。

表3 優化方案各特征點位移及支護效果表

對比表2和3可以看出，在容易發生滑移的邊坡中部及上部位置，該方案的支護效果均＞50%，基坑邊坡中部BP04處的支護效果達到了54.10%，超過了方案2及方案3的36.55%和36.30%，在安全系數方面，使用優化方案進行支護時，基坑邊坡的安全系數為1.64，安全性比其他幾種方案都高。基坑邊坡各點的位移值均符合建筑基坑工程檢測技術規范，安全系數在合理范圍內，考慮到經濟性等方面，優化的支護方案更為合理。

3.3 現場實測對比分析

基坑邊坡開挖后，前15 m邊坡使用方案3進行支護，后15 m邊坡使用優化方案進行支護，并在邊坡相應位置設置固定標志點，使用全站儀進行位移監測。在5個多月的施工過程中，觀測點位移變化值逐漸減小，最后趨近于0，說明邊坡已處于一個相對穩定的狀態。提取不同支護方案的各個觀測點位移，可以得到基坑觀測點位移變化情況，如圖10所示。

圖10 基坑觀測點位移變化圖

由圖10可以看出，監測點位移變化規律與計算結果基本一致，說明計算結果具有一定的參考價值。通過實際監測可以看出，在基坑邊坡的頂部，使用方案3產生的位移為13.87 mm，而使用優化方案時，產生的位移為14.72 mm，方案3的支護效果略好于優化方案的支護效果。使用2種方案時，基坑邊坡最大位移量均產生在邊坡中上部位置。其中，使用方案3時，邊坡最大位移為28.93 mm，使用優化方案時，邊坡最大位移為27.37 mm。通過2種支護方案的位移對比可以看出，優化方案的支護效果優于方案3使用較長錨桿時的支護效果。

4 結論

通過對大連市一基坑開挖時使用不同長度錨索支護情況下邊坡特征點位移以及安全系數的計算分析，得出以下結論:

(1)在使用錨索進行基坑邊坡支護時，并不是錨索越長，基坑穩定性越好，當錨索過長時，前段的剪應力降低，并且會破壞基坑邊坡深部土體的穩定性，從而使支護效果下降。

(2)通過對比不同長度錨索支護時基坑邊坡特征點的位移，優化了基坑邊坡的支護方案，在容易產生滑移的基坑上部位置選用較長的錨索，基坑中部位置選用中等長度錨索，基坑底部邊坡使用較短錨索，采用這種優化方式支護安全系數為1.64，較其他方案有所增加，基坑邊坡安全性有所提高。

在基坑開挖時，不能盲目的根據經驗設計支護參數，要通過監測、計算和分析后，對薄弱易發生危險的部位進行重點支護，才能在節約成本的條件下，最大限度的提高基坑邊坡的安全性和穩定性。