基于FLAC3D的深基坑樁錨支護研究

葉帥飛，王 輝，徐孟龍

(河南理工大學 土木工程學院，河南 焦作 454000)

隨著國家的發展與人口的急劇增加，大量的高層和超高層建筑出現在城市中，由此深基坑工程也變得越來越多.由于人口集中，道路與建筑密布，城市中的深基坑工程也變得越來越復雜，小變形控制變得尤為重要.設計者為了保證工程和周邊環境的安全，常常將支護結構設計的過于保守，造成材料的浪費和經濟的損失.因此深基坑支護方式設計變得尤為重要[1-3].樁錨支護是深基坑支護方式中的一種，在工程中得到了廣泛的應用，也取得了很好的經濟性與支護效果[4-5].本文依據西安市某深基坑工程為例，對樁錨支護結構的穩定性和變形情況以及基坑周邊的變形情況進行模擬，并與實際監測數據進行對比，分析該支護方式的合理性.以期為基坑變形控制設計以及類似工程提供參考.

1 工程概況

該擬建建筑位于西安市某道路北側，其余3個方向均有建筑物與其相鄰，其中西側的酒店離基坑最近只有0.92 m.該擬建建筑為23 層住宅，地下2層，總高度67.3 m.基坑開挖深度為12.5 m，長64.7 m，寬50 m.建筑基坑位置見圖1.

2 工程地質條件

工程場地地形平坦，地貌單元為黃土梁洼，場地高程介于410.89～411.20 m，最大高差只有0.3 m。根據勘察資料顯示地下水穩定水位為9.4～9.8 m，標高范圍401.27～401.46 m，屬于潛水類型，季節性變化幅度為1～2 m，場地土和地下水對混凝土和鋼混結構中的鋼筋均具有輕微的腐蝕性， 據此判定該場地環境類別為Ⅱ類環境.以下為該場地內自上而下主要地層：

圖1 建筑基坑位置

第①層：素填土，層厚2.20～5.90 m，呈褐～黃褐色，以粘性土為主.

第②層：黃土，層厚1.30～5.10 m，呈褐黃色，含云母片，蝸牛殼，零星結核，針孔發育.

第③層：古土壤，層厚1.20～4.00 m，呈淺紅褐～褐紅色，含鈣膜，層底有約20 cm 厚的結核富集成層，孔隙較發育.

第④層：粉質粘土，層厚8.30～9.00 m，呈褐黃～黃褐色，含蝸牛殼碎片，零星結核石，孔隙中等發育.

第⑤層：中粗砂，層厚0.90～2.70 m，呈褐黃～灰黃色，礦物成份以石英和長石為主，少量粘性土，顆粒較均勻密實.

第⑥層：粉質粘土，層厚2.10～3.40 m，呈褐黃～黃褐色，含氧化鐵，孔隙欠發育.

第⑦層：中粗砂，層厚0.70～2.30 m，呈褐黃色，礦物成份以石英、長石和云母為主.

第⑧層：粉質粘土，層厚6.70～12.00 m，呈褐黃～黃褐色，含氧化鐵、云母和蝸牛殼片，孔隙欠發育.

依據勘查報告，場地土層的物理力學參數如表1 所示.

表1 土體物理力學參數

3 數值模擬

3.1 模型建立

模擬的模型只取該基坑工程的一部分進行，該部分為整個基坑工程中最危險的一段，即與悅洋酒店相鄰的一段，該段采用樁錨支護形式.建立模型時為了消除邊界影響，在模型的水平方向長度取5 倍開挖深度，豎直方向長度取3 倍開挖深度[6-7].模型尺寸大小為60 m×3 m×40 m(長×寬×高)共有57 600 個實體單元，68 607 個網格節點.模型上表面為自由面，其余5 個面均設有法向約束，土體單元采用摩爾-庫倫(Mohr-Coulomb)模型，混凝土灌注樁采用Pile 結構單元，錨索采用Cable 結構單元，混凝土冠梁和腰梁采用Beam結構單元模擬，開挖土體采用空模型模擬.計算模型圖如圖2 所示.

圖2 計算模型

3.2 計算參數選取

支護樁采用鋼筋混凝土灌注樁，樁徑為800 mm，樁長21 m，具體計算參數見表2.

表2 支護樁計算參數表

腰梁及冠梁的計算參數如表3、表4 所示.

表3 冠梁計算參數表

表4 腰梁計算參數

錨索計算參數如表5 所示.

表5 錨索計算參數表

3.3 計算步驟

為了能夠更好地模擬該支護段，將模擬過程與施工順序相結合，將每個開挖土方階段作為1個工況進行模擬計算，具體工況步驟如下.

工況1：開挖基坑至-4.5 m施工第1 道錨索；

工況2：開挖基坑至-7 m 施工第2 道錨索；

工況3：開挖基坑至-10 m 施工第3 道錨索；

工況4：開挖基坑至-12.5 m.

3.4 基坑模擬計算結果分析

最大不平衡力反映模擬計算結果是否收斂，當不平衡力的值接近于0 時，代表模型計算是收斂的，如果不平衡力不接近于0，代表模型已經發生破壞或者進入了塑性流動狀態[8].圖3 為該模擬開挖至-12.5 m 時的最大不平衡力與迭代關系曲線圖，圖中每一個峰值代表1 次開挖，每次開挖后峰值都會下降至接近于0，說明每次開挖都會改變土體的平衡狀態，但最終又重新達到平衡，說明該模擬是收斂的，沒有發生破壞.

圖3 最大不平衡力曲線

3.4.1 基坑水平位移模擬分析

圖4 基坑側壁位移曲線

1)基坑側壁位移分析.圖4 為基坑側壁水平 位移曲線圖，由圖可以看出隨著開挖深度的增加基坑側壁的水平位移值在不斷增加，其中第2 次開挖與第4 次開挖所造成的位移增量基本相同，在0～1 m 的位置隨著開挖深度的增加，其水平位移速率在不斷增加，但是在深度1 m 的地方位移值出現了減小的趨勢，然后在3 m 深度處又開始出現了增大的趨勢，這是由于錨索與樁的聯合作用使其在1～3 m 處位移出現減小趨勢，位移值的回升點均為錨索的施加位置.4 次開挖的基坑側壁水平位移最大值分別出現在3，5，8 和10 m 的位置，最大值分別為1.9，5.0，9.0 和13.1 mm.

圖5 基坑深層位移曲線

2)基坑深層水平位移分析.此位移值是由設在距基坑邊2 m 處的監測點得出的，如圖5 基坑 深層位移曲線圖所示，基坑在第1 次開挖后，頂部位移與第1 次開挖時基坑側壁頂端的位移值相同，說明第1 次開挖對基坑頂部的位移值影響不大，但是隨著深度的增加其位移值卻變得越來越大，且隨著開挖深度的增加，其位移值均出現了相同的趨勢即先增大后減小.在第3 次與第4 次開挖時，分別在深6 m 和9 m 的位置處位移達到最大，最大值分別為7.9 mm 和11.9 mm.圖6 為 基坑深層水平位移的實際檢測值與模擬值的對比曲線圖.基坑中共布置4 處測斜孔，模擬所對應的支護段有個3#測斜孔.對比監測值與模擬值發現，監測值與模擬值變化規律基本相同，都是位移值隨著深度的增加先增大后減小，但模擬值整體比監測值大，這可能是因為模擬是在理想狀態下進行的，與實際相比可能缺失很多因素造成.不論是模擬值還是監測值都是在規范允許的范圍之內，與規范的允許值相比，模擬值和實際監測值分別小了67%和83%，因此該支護設計比較保守，需進行優化設計.

圖6 深層水平位移監測值與模擬值

3.4.2 基坑外地表沉降分析

圖7 基坑外部地表沉降曲線

1)基坑外地表沉降模擬值.如圖7 基坑外地 表沉降曲線圖所示，隨著開挖深度的增加，基坑外地表沉降曲線規律基本相同，都是先增大然后減小到一穩定數值，曲線呈勺型，每次開挖的沉降最大值基本位于距基坑邊15 m 的位置，4 次開挖的最大沉降值分別為6.8，12.1，14.7 和15.9 m，勺把位置都在距基坑40 m 的位置，每次開挖在該位置處的沉降值都很小，說明基坑的開挖對40 m以外的建筑物影響很小.隨著開挖深度的增加，其最大沉降值的增量在不斷減小，第2 次開挖造成的最大沉降值增量最大，之后都比較小.由圖也可以看出，最大值并不是出現在離基坑最近的地方，可能是因為支護結構的聯合作用使土體與支護結構之間的摩擦力增大造成的.

圖8 基坑監測點平面

圖9 基坑邊緣沉降監測曲線

2)基坑邊緣沉降監測值.在模擬對應的該段支護范圍內設置了3 處沉降觀測點，分別為W1、W2 和W3，即對應圖8 中WY7，WY8 和WY9 3 個監測點，圖9 為該3 處監測點的監測數據曲線圖.由圖9 可以看出，W1 與W2 兩監測點均出現了隆起現象，然后又下降到穩定數值；W1最終沉降值為-6 mm；W2 的最終沉降值為-4.6 mm；W3 監測點曲線先下降然后在最后出現稍微的隆起，最后下降到最終的-7.2 mm.這3 個監測點的最大沉降值都小于規范的要求，因此該基坑支護體系是安全可行的.

3.4.3 錨索軸力分析

1)錨索軸力模擬值分析.由圖10 可以看出，錨索自由段的軸力由第1 排至第3 排不斷增加，相較于第1 排錨索自由段軸力，第2、3 排的錨索自由段軸力更大些，因此第2、3 排錨索在基坑的支護中起著重要作用.在錨索的錨固段，錨索的軸力隨著錨索長度的增加不斷減小，最后趨于平穩，但最終都不為0，在錨固段端頭2～3 m 的位置錨索軸力急劇下降，隨后下降速率減小.

圖10 工況4 各排錨索軸力分布曲線

2)錨索軸力監測值分析.在模擬所對應的該支護段有2 個錨索軸力監測點，分別設在第1 排和第2排.圖11為錨索軸力隨時間分布的曲線圖，由圖11 可以看出第1 排錨索軸力呈上升趨勢，最大自由段軸力為126.4 kN；第2 排錨索軸力先呈下降趨勢，然后開始上升，但整體變化幅度不大，最大自由段軸力為124 kN，與模擬值自由段軸力相比監測值普遍偏小，可能是因為施工時漿體不飽滿或者養護不夠的原因.

圖11 錨索軸力實際監測值

3.4.4 樁身彎矩模擬分析

圖12 是樁身彎矩隨樁長變化曲線，圖中表現的是樁身彎矩在不同開挖深度下，樁身彎矩隨樁長的變化.由圖12 可知，樁身彎矩在不同的開挖深度下變化規律基本相同，第1 次開挖完成后樁身彎矩最大值為37.7 kN·m，在樁長5 m 處；第2次開挖完成后樁身彎矩最大值為59.7 kN·m，在樁長9 m 處；第3 次開挖完成后樁身彎矩最大值為84.6 kN·m，在樁長12 m 處；第4 次開挖完成后樁身彎矩最大值為128.8 kN·m，在樁長15 m 處.最大樁身彎矩出現在第4 次開挖完成以后，樁身正負彎矩的轉折點基本位于基坑底部12.5 m位置，并且第4 次開挖以后樁身正負彎矩都明顯增大，說明第4 次開挖對基坑支護穩定性影響較大.

圖12 樁身彎矩模擬分析

3.5 基坑支護結構優化

針對當前基坑設計過于保守，現對樁長與錨索長度進行優化設計.

1)樁采用17 和19 m 兩種樁長進行優化模擬，并與原樁長進行對比，模擬結果見圖13.

2)調整錨索長度，然后與原設計相比，模擬結果見圖14.

圖13 不同樁長的基坑側壁水平位移

圖14 不同錨索長度的基坑側壁水平位移

第1 種方案：第1 排錨索長17 m、第2 排錨索長19 m、第3 排錨索長21 m.

第2 種方案：第1 排錨索長15 m、第2 排錨索長17 m、第3 排錨索長19 m.

第3 種方案：第1 排錨索長14 m、第2 排錨索長16 m、第3 排錨索長18 m.

由圖13 可以看出樁長19 m 時最大水平位移為-15.95 mm，比樁長21 m 時的最大水平位移增加了21.57%；樁長17 m 時最大水平位移為-24.19 mm，比樁長21 m 時的最大水平位移增加了84.38%，但仍小于規范要求值，表明樁長為17 m時仍能保證基坑的安全.在錨索的優化模擬中，當減小錨索長度時基坑側壁水平位移不斷增加.由圖14 可以看出，第3 種方案下基坑側壁水平位移達到最大值-19.77 mm，相較于原設計方案，該情況下更節省用料，同時位移值也在規范允許范圍內，因此第3 種方案更加合理.

4 結論

1)基坑側壁水平位移在不同的開挖深度下，呈現出相同的規律性，基坑外土體沉降值隨開挖深度的增加也呈現出相同規律性.在基坑開挖完成后，模擬得到的基坑側壁水平位移值與基坑外土體沉降值同監測到的兩者的數值都比規范值小說明了該基坑設計是安全的.

2)分析錨索軸力可知，從錨固段開始，每排錨索的軸力均是從錨固段的端頭向錨固段端尾逐漸衰減，在端尾處達到最小值；分析樁身彎矩可知，每次基坑開挖引起的樁身彎矩的分布規律基本一致，只是在數值的大小上存在差異，最大彎矩的位置出現在當前開挖深度以下1～2.5 m 范圍之內.

3)通過對比實際監測值，發現模擬結果與監測值趨勢一致，說明該模擬較合理，但同時發現模擬值與監測值都比規范規定的值小很多，因此認為該支護方案設計比較保守.通過對原設計方案進行優化，當樁長為17 m 第1～第3 排錨索長度為14，16 和18 m 時，該支護方案相對安全.