樁錨支護體系下深基坑開挖過程有限元分析

曹文峰

(福建農業職業技術學院 園藝園林學院，福州 353001)

隨著城鎮化進程的快速推進，高層和超高層建筑在城市中出現的越來越多，基坑工程也隨之增多﹒基坑施工是跨學科的復雜系統工程[1]，在勘測、設計、開挖、監測和使用的全過程都面臨著各種風險[2]﹒根據過往經驗，深基坑的開挖過程危險性較大，特別是在城市范圍內，基坑開挖地質環境復雜，受道路及車輛荷載、周邊建筑荷載、施工荷載、地下水及各類管線影響較大，且受地形限制不能采用放坡開挖，導致基坑失穩的因素較多，一旦破壞則帶來的損失巨大，因此基坑安全等級更高[3-4]﹒

PLAXIS 軟件是荷蘭代爾夫特理工大學(Technische Universiteit Delft，TUD)開發的一款專業的巖土計算和分析軟件，主要目的是解決荷蘭特有的軟土地基開挖問題，迄今已有30 多年的歷史，在歐洲各國得到廣泛運用﹒自該軟件引入我國以來，在房屋建筑、市政、公路和鐵路等基坑工程中得到了大量運用﹒我國不少學者利用PLAXIS 軟件對各種深基坑開挖工況進行了模擬分析，較好地指導了基坑開挖施工﹒在基坑變形與內力分析中，常用的方法有極限平衡法和彈性抗力法﹒極限平衡法計算簡單，主要應用于內力計算，但是難以計算支護結構的變形；而彈性抗力法可以計算支護結構的變形，但不能計算支護 結構周圍土體的變形[5-8]﹒吳建奇等[7]對江沖海積平原地貌下地連墻+內支撐深基坑進行了模擬分析，賈濤等[8]對粉黏土地質條件下某高層建筑深基坑各開挖工況進行了模擬分析，施忠然等[9]對基坑雙排樁支護結構進行了有限元分析計算﹒通過他們的研究發現，PLAXIS 軟件能夠很好地解決基坑變形問題﹒通過搜索文獻發現，樁+錨+噴復合支護情況下基坑變形情況研究不多﹒本工程基坑采用鉆孔灌注樁+三重管高壓旋噴(擺噴)樁+預應力錨索復合支護體系﹒本文利用PLAXIS 軟件，對該基坑各工況下變形情況進行有限元數值模擬分析，研究了樁錨支護條件下深基坑開挖變形規律﹒

1 工況概況

1.1 基坑基本情況

該在建工程位于河南省某市醫院內，主體結構為19 層(部分20 層)的住宅樓，采用剪力墻結構﹒該工程設2 層地下室，最大開挖深度9.5 m﹒基坑平面呈不規則狀，東西最大面寬60.5 m，南北最大面寬59.3 m，基坑面積較大﹒基坑周邊有5 幢建筑需要保留，其中1 幢永久保留，4 幢施工期間臨時保留，待施工完畢后拆除﹒基坑安全等級為1 級﹒

1.2 地形地貌周邊情況

該場地原屬山前坡地后經推土和填土平整，地面相對平坦﹒填土年限據可靠記錄有10 a﹒場地內及周圍分布有污水管、給水管和雨水管等地下管線，均已按照要求進行加固或遷移﹒

1.3 工程地質情況

場區范圍內上覆新近人工填土層(Q4ml)、第四系沖洪積層(Q4al+pl)、第四系殘積層(Q4el)，下伏上侏羅統凝灰巖(J3ajb)﹒各地層及分布參數見表1﹒

表1 各地層及分布參數

2 基坑支護設計及變形監測方案

2.1 基坑支護設計

本工程±0.000 相當于絕對標高15.397 m，現場地周邊相對標高-0.90~2.25 m﹒基坑施工前場地將挖土整平至-0.50 m，基坑圍護結構的安全等級為1 級，基坑支護剖面見圖1﹒

圖1 基坑樁錨支護剖面

1)經方案比選，基坑圍護結構采用鉆孔灌注樁+φ1000 三重管高壓旋噴(擺噴)樁聯合預應力錨索支護體系﹒在樁頂采用C25 鋼筋混凝土壓頂冠梁，提高圍護樁的整體性﹒

2)排樁采用適應性強、成樁質量好的鉆孔樁，鉆孔樁直徑1.20 m，樁間距1.80 m﹒樁芯混凝土等級為C25﹒

3)基坑內側在鉆孔樁間中點設2 排預應力錨索﹒錨索用4 根7φ5 的鋼絞線，水平間距1.2 m﹒

4)在預應力錨索位置分設槽鋼腰梁﹒腰梁采用2 根28c 槽鋼，槽鋼分上下夾住錨索，槽鋼與圍護樁壁面之間用三角墊板并使用膨脹螺栓連接﹒2 根槽鋼與三角墊板焊接，每根槽鋼內側腹板使用鋼板加強﹒

5)為確?；影踩?，需加強地表水和地下水的處理措施﹒針對地表水，在基坑頂部適當位置用磚砌筑排水溝，并用水泥砂漿抹面，用以攔截地表水；在基坑底部，沿圍護樁側用磚砌排水溝，并按照要求在基坑底部各拐角點處設置集水井，輔以抽水設備，用以排除基坑內積水﹒

2.2 基坑變形監測

圖2 施工監測平面

根據相關規范[10-11]要求，結合本工程實際情況，主要監測以下方面的數據：1)坡頂和坡頂建筑物沉降；2)坡頂水平位移；3)坡體側向位移；4)錨索拉力﹒經方案比選，本基坑監測項目包括坡頂和坡頂建筑物沉降觀測點13 個；坡頂水平位移觀測點10 個；坡體側向位移監測點5 個；錨索拉力測試點4 個﹒見圖2﹒根據上述規范，本坡 頂水平位移沉降不能超過允許值，若坡頂水平位移和沉降累計超過25 mm 或水平位移速率大于5 mm/d 時，需及時采取措施，防止基坑坍塌﹒

3 開挖過程數值模擬

3.1 模型構建

為了模擬計算的合理和準確性，沿基坑受力最不利邊線取一剖面作為研究對象，采用二維模型進行模擬﹒模型采用平面應變，15 節點單元﹒根據PLAXIS 操作手冊，基坑幾何尺寸水平方向-90~＋90 m，深度0~30 m，開挖深度0~9.5 m﹒基坑頂部荷載按25 kN/m 考慮，布置在基坑左側﹒

3.2 數據輸入及模型建立

根據各土層力學數據和結構體主要參數，建立了PLAXIS 二維分析模型，施加初始應力后生成網格﹒由于在開挖前，已將地下水位降到開挖面以下0.5 m，故考慮為排水施工﹒土體材料模型采用摩爾-庫倫模型，根據PLAXIS 計算規則，本支護結構灌注樁采用板單元進行模擬，用點對點錨桿單元來模擬錨索自由段，用土工格柵單元來模擬錨索錨固段，土體與結構物之間的界面通過界面強度來定義，計算模型及網格劃分見圖3﹒

3.3 單元參數計算

1)板單元參數計算﹒該基坑工程鉆孔混凝土灌注樁采用為C25 混凝土，直徑1.20 m，間距1.8 m﹒板單元等效厚度h 計算式為

板單元的軸向剛度計算式為

板單元的抗彎剛度計算式為

圖3 計算模型和網格劃分

式中：E 為板單元彈性模量，MPa，取2.80×104；A 為板單元截面面積，m2；h 為板單元等效厚度，m；D為圍護樁直徑，m；t 為樁間凈距，m；d 為計算寬度，m，本文取1 m﹒

將以上各參數代入式(1)~式(3)，計算后得出板單元各參數見表2﹒

表2 樁板單元特性參數

2)錨桿和土工格柵單元參數計算﹒錨索軸向剛度00E A 計算式為

錨固段軸向剛度EA計算式為

式中：E 為鋼絞線的彈性模量，MPa，取1.95×105； n 為鋼絞線根數；d 為鋼絞線直徑，mm；E1為注漿段彈性模量，MPa，本文取2.55×104；A1為注漿體截面積，m2﹒

本工程中錨索采用4 根7×φ5 的鋼絞線，水平間距1.2 m﹒將有關參數代入式(4)~式(5)，計算出錨桿及土工格柵的參數見表3﹒

表3 點對點錨桿和土工格柵單元特性參數

3.4 基坑開挖工況模擬分析

根據施工組織設計，該基坑開挖主要步驟如下：①鉆孔圍護樁施工→②三重管旋(擺)噴樁施工→③冠梁施工→④坡頂排水溝、地面排水設施施工→⑤監測點布置→⑥開挖基坑至第1 道預應力錨索處→⑦第1 道預應力錨索張拉鎖定→⑧開挖基坑至第2 道預應力錨索處→⑨第2 道預應力錨索張拉鎖定→⑩開挖基坑底設計標高﹒根據以上施工步驟和PLAXIS 的計算規則，將本基坑的開挖過程簡化為4 個工況，分別是：工況1，排樁及旋噴樁施工；工況2，開挖第1 層土體到第1道錨索下0.5 m，設置第1 道錨索；工況3，開挖第2 層土體到第2 道錨索下0.5 m，并設置第2道錨索；工況4，開挖第3 層土體﹒

4 計算結果及分析

4.1 基坑變形分析

從圖4、圖6 和圖8 可知，在基坑開挖過程，基坑水平位移隨開挖深度增加而增大，當基坑開挖到設計深度時，其水平位移也發展到最大﹒由于第1 道錨索在冠梁下2.4 m 處，圍護樁類似于懸臂樁受力狀態，因此最大水平位移均在樁頂﹒經計算，工序2 施工完畢時，其最大水平位移為3.94 mm；工序3 施工完畢時，其最大水平位移為10.59 mm；工序4 施工完畢時，其最大水平位移為23.09 mm，均未超過報警值﹒且最大水平位移在基坑頂部已有建筑荷載一側﹒在工序4 施工完畢時，該基坑荷載側水平位移實測值為18 mm，比計算值小5 mm﹒

圖4 工序2 基坑水平位移

圖5 工序2 基坑豎直位移

從圖5、圖7 和圖9 可知，在基坑開挖過程中，坑底土體處于不斷卸載過程中，故坑底豎直位移最大，方向向上﹒經計算，工序2 施工完畢時，其最大豎直位移為15.31 mm；工序3 施工完畢時，其最大豎直位移為15.29 mm；工序4 施工完畢時，其最大豎直位移為18.77 mm，均未超過報警值﹒經與監測值比對，該基坑的最大豎直位移為21.8 mm，比計算值大3.03 mm﹒

圖6 工序3 基坑水平位移

圖7 工序3 基坑豎直位移

圖8 工序4 基坑水平位移

圖9 工序4 基坑豎直位移

4.2 圍護樁內力變化

圖10 工序2~4 圍護樁彎矩變化

圖11 工序2~4 圍護樁剪力變化

從圖10~圖11 可以看出，在基坑開挖第1 層土體并施工第1 道錨索后，圍護樁受到坑外土體 向坑內的推力，故在圍護樁上部受正彎矩，下部受負彎矩；隨著開挖的進行，最大彎矩點不斷下 移，同時由于受到2 道錨索的限制，在2 道錨索位置處彎矩均明顯縮小﹒圍護樁剪力的狀況與彎矩類似，且隨著基坑開挖深度的增加和錨索的加載，最大剪力點不斷下移﹒計算表明，在樁錨支護體系中，施加預應力錨索后可與圍護樁共同承受土體壓力，并能分擔圍護樁承受的各種荷載﹒

5 結語

1)基坑右側變形集中在頂部0~5 m 范圍內﹒基坑左側由于有地面荷載，故其變形除了集中在圍護樁外側外，還在荷載作用的范圍內有位移較大的現象﹒由于第1 道錨索設置在冠梁下2.4 m，故圍護樁頂部處于懸臂樁受力狀態，因此水平位移集中在圍護樁頂部位置﹒

2)由于土體的開挖導致基坑卸載，坑底有向上凸涌的趨勢，故豎直位移集中在基坑底部，且隨著開挖深度的加大，基坑底部豎向位移也隨之加大；基坑中部的豎向位移也明顯大于圍護結構附近部位，因此在開挖坑內土體時，需加強對基坑豎直位移監測，防止坑底破壞﹒在開挖至設計標高時，應及時施作底板，確保基坑安全﹒

3)桿和土工格柵單元可以很好地模擬預應力錨索結構﹒從分析情況來看，在注漿體部位、錨索與圍護樁結合部位都存在著應力集中現象﹒因此在施工時需加強對注漿體、錨索與圍護樁結合部位的施工質量檢驗和監測﹒

通過合理確定土體參數及圍護樁和錨索結構參數，運用PLAXIS 有限元軟件不僅可以很好地模擬各開挖工況，還可以計算出基坑的水平位移和豎直位移，并能夠計算出圍護樁、錨索的軸力、剪力和彎矩，按照要求繪制出需要的彎矩圖、剪力圖和軸力圖，能夠形象直觀地反映出基坑各工況下受力狀態，較好地指導基坑開挖施工過程﹒