基于有限元的樁錨支護優(yōu)化分析

曹 瑞，何 浩，楊林生

（1.安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南 232001；2.合肥學院，安徽 合肥 230601）

0 引言

近年來，由于高樓大廈崛起和用地資源匱乏，城市地下空間逐漸被開發(fā)，基坑的開挖面積和深度不斷加劇，這些都給支撐系統(tǒng)加大了難度。樁錨支護技術適用于基坑較深，開挖條件受限，土層性能較好的深基坑工程。當前樁錨支護研究取得可觀的成績。胡玉麗[1]通過數(shù)值分析對增量法理論進一步完善，精確樁錨結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移值的計算。郭銳劍等[2]結(jié)合具體工程，得出樁錨支護中第一排錨索的位置對基坑變形影響大的結(jié)論。張志[3]等人運用FLAC3 軟件，對比分析預應力損失的因素，并提出降低預應力損失的方法。周勇[4]等人基于蘭州特殊的地質(zhì)條件，提出將基礎樁與支護樁合二為一使用。徐煜航[5]采用Midas GTS 軟件模擬土釘支護和樁錨土釘兩種支護情況，證明了樁錨土釘支護更具有優(yōu)越性。本文依托工程案例，分析影響基坑支護穩(wěn)定的因素。

1 工程案列

本文以某泵房為例，基坑為長方形，基坑總長68m，寬66m，東面不遠處為某水處理廠，西面為高20m 的高地，南側(cè)與北側(cè)為平地。本工程安全級別為一級，考慮工程的開挖量和施工方便捷，采用樁錨式支護結(jié)構(gòu)方案。

1.1 水文條件

工程中所在場地地下水為第四系孔隙潛水，主要補給源頭為大氣降雨。地下水位103m 左右，為承壓水。

1.2 地質(zhì)條件與土體參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)勘察資料，場地的地貌單元為山前傾斜地貌單元，場地地勢相對平坦。地層主要是黏性土和中風化巖，黏性土平均厚度為22m，中風化砂巖平均厚度為38m。

2 MIDAS 數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值計算模型建立

模型整體尺寸長、寬、高分別為152m、30m、60m。根據(jù)開挖深度的深淺選取基坑最不利開挖面剖面，基坑長度方向為60m，寬度方向為30m，深度方向為19m。將在CAD 中畫好的圖形導入MIDAS 軟件二維平面上，按幾何處理、網(wǎng)格劃分，邊界、荷載設置，施工階段定義的步驟順序建立三維模型。

本模型采用修正摩爾本構(gòu)模型，選用混合網(wǎng)格生成器，模型共劃分節(jié)點數(shù)量為47992 個，單元數(shù)量為47066 個，預應力錨索采用植入式桁架單元，每排同時施加300kN 的預應力，共8 排。支護樁長為24.7m，直徑為1m，間距1.5m。根據(jù)等效剛度H=是單樁直徑，bk是相鄰樁的中心間距，可用厚度為0.6m 的板單元進行等效模擬。

2.2 模型開挖階段主要步驟

初始階段：初始地應力分析，位移清零。

工況一：施加基坑圍護結(jié)構(gòu)。

工況二到工況九：從上往下依次每開挖2m，插入一排錨索。

工況十：向下繼續(xù)開挖3m 直至坑底。

2.3 數(shù)值計算結(jié)果分析

2.3.1 支護樁的水平位移

基坑開挖施工中，第一層土被開挖，土體初始應力平衡被打破，基坑外側(cè)土體有向坑內(nèi)移動的趨勢，基坑側(cè)壁的位移變形呈現(xiàn)出鼓肚行，變形趨勢越來越明顯。基坑完成后，樁在樁頂位置時水平位移發(fā)生突變，因為沒有安置錨桿，支護樁相當于懸臂式支護。繼續(xù)開挖土體，位移變化隨深度增大，在基坑中下部分位置14m 處，水平位移值最大為22.8mm。《建筑基坑工程監(jiān)測技術標準（GB 50497—2019）》規(guī)范中規(guī)定一級基坑的水平位移必須小于30mm，基坑的水平位移并未超過警戒值，符合規(guī)范。

2.3.2 基坑地表沉降分析

最大沉降發(fā)生在距離圍護結(jié)構(gòu)16m 處，基坑的最大沉降值為17.51mm。基坑沉降的曲線圖非常相似，基坑開挖會產(chǎn)生“空間效應”，呈現(xiàn)兩端小中間大。隨著開挖深度的增加，地表的下沉也越來越明顯。初次開挖，開挖面的荷載被卸去，周圍土體的主動土壓力作用下引起較大的不均勻沉降；工況三到工況五，開挖深度較淺，預應力錨索對樁施加錨固力，產(chǎn)生內(nèi)力重分布，沉降緩和；工況五到工況九，進一步的開挖使變形加快；開挖完成后，形成最大沉降。參考《建筑基坑支護規(guī)程》，一級基坑的最大沉降量0.15%H，本工程沉降處于安全允許范圍。

3 基坑變形因素分析

在深基坑中樁錨支護的支護原理即通過錨桿的錨固力和樁的阻滑力對基坑起到穩(wěn)定作用。本文通過有限元軟件，探討錨固角、預應力、錨固長度對基坑變形的影響，對錨索進行優(yōu)化分析。

3.1 錨固角對基坑變形的影響

樁錨支護中，一般建議錨桿的傾角允許值為15°～30°，最大不得超過45°。本文分別取15°、20°、25°、30°錨固角，分析基坑的變形影響。

由圖1 可以看出，傾角在15°～20°之間，最大水平位移和地表沉降變化增量相對大一些，分別保持在1.40mm 和1.31mm，傾角在20°～30°時，支護樁的變形和地表沉降增量為0.70mm 和0.68mm。因而，錨桿傾角在15°～30°之間對基坑的影響變化不大，繼續(xù)增大錨桿角度，錨桿的水平分力和垂直分力將會減少，降低錨固效果。因此為了施工的方便，一般將錨桿角度設置為15°即可。

圖1 錨索錨固角變化水平位移級地表沉降曲線

3.2 預應力對基坑變形的影響

預應力變化對支護結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，如圖2 所示，預應力從200～250kN，水平位移減小比值為11.12%，預應力從250～300kN，減小比值為10.24%，預應力從300～350kN，減小比值為9.66%。隨著預應力的增大，支護結(jié)構(gòu)的最大水平位移得到改善，開始增加預應力，水平位移減少得快，繼續(xù)增加會有放緩的趨勢。地表沉降方面，預應力的增大對基坑沉降的降低并不明顯，始終保持0.5mm 左右差值。由此可見，適當增加預應力的大小對基坑的變形有很大的改善。預應力過大會造成損失率增大，預應力的損失監(jiān)測必須考慮在內(nèi)。在本工程中建議采用施加250～300kN 的預應力。

3.3 錨固長度對基坑變形的影響

圖2 錨索預應力改變水平位移和地表沉降曲線

在總長度不變的前提下，分別采用錨固長度12m、15m、17m，20m 進行模擬分析。由圖3 可知，錨桿的錨固長度為12m 時，支護樁的最大水平位移14.90mm，錨固長度為15m 時，支護樁的最大水平位移18.23mm，錨固長度為17m 時，支護樁的最大水平位移22.78mm，錨固長度為20m 時，支護樁最大水平位移31.75mm，水平位移變化值分別為3.33mm、4.55mm、8.97mm。當錨固段長20m 時，位移達到31mm，超過安全允許范圍。基坑的地表最大沉降分別為12.14mm、14.46mm、17.51mm、23.64mm。由此可以得出錨固長度與水平位移和地表沉降成反比關系的結(jié)論。當總長度不變，對錨索體進行張拉，錨固段和巖土體之間會產(chǎn)生摩擦阻力，達到最大值后，增加錨固段占比，單位長度上的摩阻力會逐漸降低直至為零。

圖3 錨索錨固長度變化水平位移和地表沉降曲線

所以，錨索的錨固長度控制在12mm 時，支護樁的水平位移和豎向沉降都較小，符合安全準則，不僅能夠確保基坑更加穩(wěn)定，而且可以節(jié)省材料費用。

4 結(jié)論

根據(jù)MIDAS 有限元模擬結(jié)果，對實際工程相關參數(shù)變形情況進行研究，總結(jié)出如下結(jié)論：

（1）錨索的傾角在15°～30°之間時，最大水平位移變化不明顯。超過允許值，支護樁的水平位移和沉降將會增大，在本工程中將錨桿角度設置成15°，不僅能充分發(fā)揮錨索的價值，也便于施工。

（2）隨著對錨索施加的預應力不斷增大，支護樁的最大水平位移和地表最大沉降會越來越小，為了使錨索被充分利用，同時考慮預應力損失率，建議將錨索設置為250～300kN。

（3）錨固長度對支護結(jié)構(gòu)的影響比較明顯，合理的錨固長度能使錨索與巖土之間有可靠的摩擦阻力。從綜合經(jīng)濟和有效兩方面因素考慮，錨固長度設置為12mm 時比較適宜。