黃土地區深基坑樁錨支護的數值分析

梁存君 普永剛 冀 誠 魏 敏 崔仲卉 賈鑫鑫

中國建筑一局（集團）有限公司西北分公司 陜西 西安 710075

隨著我國城鎮建設的發展，建設用地日趨緊張，基坑支護工程越來越受到周圍環境的制約，對基坑變形量的控制要求越來越嚴格。樁錨支護以其適應性強、對施工空間要求小及控制基坑變形能力強等優點，在基坑開挖與支護中得到了廣泛應用。

在樁錨支護設計中，常將對錨桿施加預應力作為一種優化設計手段。但是不適當的預應力施加可能會對支護結構產生不利影響。比如，過大的預應力可能導致錨桿超載或者讓支護樁樁體斷裂[1-2]。因此需要研究錨桿預應力對基坑穩定性的影響。

本文以西安市幸福林帶深基坑為研究載體，采用大型有限元軟件Midas GTS，對基坑的開挖與支護進行數值模擬，將施加不同的錨索預應力下的地表沉降、支護樁的側向位移進行對比分析。研究成果可為類似基坑工程中樁錨支護的設計和施工提供科學依據和參考。

1 工程概況

1.1 工程簡介

西安幸福林帶第三工區北起華清路，南至黃河廠前無名路（長樂路以北約400 m），南北長約1 600 m，東西寬約200 m。

項目總用地面積320 000 m2。幸福林帶項目的建設內容主要為大型地下綜合空間、地下綜合管廊、城市道路下穿區間、地面市政園林建筑等，是一個大型綜合性的地下工程。該工程基礎和路基埋深各不相同，基礎形式也不相同；同時與地鐵7號線區間、地鐵8號線區間和車站相鄰或相交。工程建設與地鐵施工相互依托與影響。

1.2 地質概況

工程地質調查及現場鉆探揭露，擬建場地地表分布有厚薄不均的全新統人工填土，其下為上更新統風積新黃土及殘積古土壤，再下為中更新統風積黃土，再下為中更新統沖積粉質黏土及其中的砂夾層和透鏡體。

2 有限元模型分析

2.1 模型建立

該基坑的支護面積較大。由于地下建筑要求不同以及場地的不平，基坑的開挖深度是不相同的， 因此在基坑支護中，不同路段的支護方法也不相同，部分路段采用了2層支護樁、2排錨索。選取基坑深度比較有代表性的長纓路施工區段為載體，進行數值分析。圖1為數值分析模型，圖2為樁錨支護剖面示意。

圖1 數值分析模型

圖2 樁錨支護剖面

在進行基坑開挖的數值模擬時，模型的選取范圍與基坑的開挖深度、土層的性質及基坑的形狀有關[3-4]。一般情況下，模型豎向的取值范圍為1～2倍的基坑開挖深度[5]。這里基坑的開挖深度為13 m，可以選取模型的深度為25 m，寬度取10 m，基坑內取40 m，基坑外取20 m。模型尺寸為10 m×60 m×25 m，一共劃分為46 967個單元，50 353個節點。

2.2 參數選取

支護樁樁體上部有冠梁，基坑開挖的深度為13 m，分3次開挖；第1次開挖6 m；設置支護樁以及錨索；第2次開挖4 m；第三次開挖3 m，采用放坡的方式。在對支護樁進行模擬時，為了便于計算，根據抗彎剛度相等的原則，采用式（1）將支護樁簡化成等剛度的地下連續墻。

式中：t ——支護樁凈距離；

D——支護樁的直徑。

因此將支護樁簡化為厚度為 0.271 m的地下連續墻。本文對支護樁和錨索的應力狀態以及基坑的變形進行模擬分析，根據已有研究經驗可得，冠梁對約束樁體變形起到一定的作用，但是作用不大[6]。而腰梁主要起到分擔和傳遞錨索拉力的作用，因此在這里并未對腰梁進行模擬[7]。本文假設土體為理想彈塑性體，選擇各向同性摩爾-庫倫本構模型。計算過程中初始應力場即為自重應力場，邊界為位移邊界。

2.3 工況設置

分以下3種方案進行數值分析計算。1） 方案1：基坑開挖過程中支護結構錨索預應力為 200 kN。2） 方案2：基坑開挖過程中支護結構錨索預應力為 100 kN。

3） 方案3：基坑開挖過程中支護結構錨索沒有施加預應力。

基坑開挖過程中，先打入支護樁，第1次開挖后，再設置錨索和預應力，然后繼續開挖，第3次開挖之前要放坡，直到整個基坑開挖完成。利用單元激活-鈍化技術來控制開挖過程，分析步驟為：初始地應力平衡→第1次開挖→第2次開挖→第3次開挖。

3 結果分析

3.1 地表沉降

圖3為錨索預應力設置為200 kN，第1次開挖完成后的土體沉降云圖。圖4顯示的是3種方案下基坑后土體沉降值與基坑邊緣距離之間的關系。

圖3 土體沉降云圖

圖4 地表沉降

由圖3、圖4可知，施加預應力可使得土體地表沉降量明顯減小。在第1步開挖完成后，沉降最大值并不位于基坑邊緣，而是在距離基坑4～6 m之間。沉降值的曲線呈現先增大后減小的形態，在錨索未加預應力時，基坑后的土體在距離基坑邊緣4 m處的沉降值達到最大，最大值為26.3 mm。而錨索預應力為200 kN時，會將沉降最大值點推移到6m處，最大值減小為16.4 mm。基坑后土體沉降量隨著遠離基坑邊緣而逐漸減小，在20 m處，沉降值小于10 mm。當把錨索預應力從200 kN降到100 kN時，沉降值的最大值增加1.2 mm。

3.2 支護樁水平位移

圖5為基坑開挖過程中方案1支護樁水平位移云圖。圖6是3種方案下支護樁水平位移曲線。由圖5、圖6可知，對錨索施加預應力對支護樁水平位移具有明顯改善。在不加預應力情況下，樁頂處最大位移為69.8 mm，樁底處為15.6 mm。在施加的錨索預應力為200 kN時，樁頂處水平位移減少為39 mm。而當預應力值變為100 kN時，支護樁位移最大值增加2 mm。

圖5 支護樁水平位移云圖

圖6 支護樁水平位移曲線

4 結語

1）支護樁的水平位移在樁頂處最大、樁底處最小。對錨索施加預應力可以顯著減少支護樁的水平位移，降幅可以達到40%以上。當錨索預應力值減小為設置值的50%時，對支護樁水平位移的影響不大，樁頂處最大水平位移增幅約為6%。

2）基坑支護中，通過對錨索施加預應力會顯著減小基坑后土體沉降的最大值，減小幅度在40%以上。使用預應力錨索會改變沉降最大值點的位置。樁錨支護體系中，對錨索提前施加一定的預應力可有效保證基坑支護的穩定性與安全性。