深基坑開挖中雙排樁＋錨索支護結構數值分析

通過Midas/GTS軟件對長沙某高層建筑深基坑雙排樁+錨索支護結構進行數值分析，驗證深基坑開挖中雙排樁+錨索支護結構的安全性，研究分析了支護體系的變形特性，前、后排樁水平位移、整體位移及內力隨深基坑開挖工況變化的規律，錨索結構在雙排樁+錨索支護結構內的變形、受力分析，說明在深基坑支護設計中應差異化設計前、后排樁，可減少工程材料浪費，同時應充分發揮錨索對前排樁的限制作用，有效限制前排樁的水平位移。

深基坑； 雙排樁； 錨索； 有限元分析

TU94+2A

［定稿日期］2023-08-10

［作者簡介］楊孝博（1994—），男，碩士，工程師，從事施工技術工作。

0 引言

在基坑支護形式中，樁錨支護結構是將錨索的一端固定在開挖基坑外的穩定地層中，另一端與支護樁相聯的基坑支護體系，結構形式成熟且安全經濟，被廣泛應用于深基坑支護工程中［1］。雙排樁支護結構是由兩平行排樁及樁頂冠梁和連梁組成，結構形式如同門式框架，受力性能好、施工方便［2］。近年來，結合雙排樁支護和樁錨支護的結構特性及優點，雙排樁+錨索支護結構作為一種新型支護結構得到推廣使用，可有效控制基坑變形，又保證地下室施工的作業面，特別在深基坑中應用價值高。

近年來一些學者對雙排樁+錨索支護結構開始研究，趙貴生等［3］通過實際項目結合數值分析驗證在市區復雜環境下支護體系可行性。蓋文等［4］在緊鄰建構筑物基坑中雙排樁與錨索聯合支護結構體系與傳統樁錨支護體系對比分析。阿比爾的、范剛、王鴻運等［5-7］作者針對雙排樁+錨索支護體系結合實際工程，采用試驗儀器、監測儀器采集數據分析基坑變形規律特性以及對周邊建筑物變形的影響，獲得了大量成果。

本文結合湖南長沙某深基坑支護工程設計方案，采用Midas/GTS軟件對雙排樁+錨索支護結構進行數值分析計算，模擬基坑開挖詳細步驟，分析雙排樁+錨索支護結構的工作機理。

1 工程概況和計算模型

1.1 工程概況

長沙某高層建筑深基坑地上31層，地下4層，基坑頂標高42.0 m，基坑底標高22.0 m，因深基坑北側緊鄰道路且變形控制要求極高，支護結構安全等級為一級，故采用雙排支護樁+錨索支護結構，后排樁止水帷幕施工至圓礫層、細沙層與其他巖土層的交界位置。前排樁采用1 000 mm@2 000 mm鉆孔灌注樁，樁長23.9 m，前排樁冠梁頂標高39.5 m；后排樁采用1 200 mm@2 000 mm鉆孔灌注樁，樁長24.7 m，后排樁冠梁頂標高42.0 m，前、后排樁樁長及樁底標高均不相同。預應力錨索由前排樁樁間打入，孔徑間距為D150 mm@2 000 mm，鉆孔傾角25°，設置8道錨索，標高分別為39.8 m、37.5 m、35.5 m、33.5 m、31.5 m、29.0 m、26.5 m、24.0 m，其中第一道錨索設置在后排樁。支護結構剖面如圖1所示。

根據鉆探揭露，場地內埋藏的地層主要有人工填土層、第四系沖積層、第四系殘積層，下伏基巖為白堊系泥質粉砂巖，場地原始地貌單元為湘江沖積階地。工程地質條件如表1所示。

根據設計資料，將基坑開挖分為以下8種工況，如表2所示。

1.2 計算假設

由于現場周邊環境復雜，管網密集，為了保證有限元計算結果的準確性，同時提高運算效率，建模時對雙排樁+錨索支護結構及現場實際情況進行簡化，并作幾點假定：

（1）由于本基坑支護屬臨時性工程，不考慮地下水作用。

（2）只考慮土體開挖對支護結構的影響，假定土體為均質且各向同性，材料屈服采用Mohr-Coulomb本構模型。

（3）假設雙排樁冠梁與連梁、連梁與腰梁的連接是剛性的，混凝土材料使用彈性本構進行模擬，因支護樁間距較小且樁間止水帷幕嵌入，采用地連墻模擬前、后排樁。

（4）錨索結構采用空間桿單元進行模擬，并根據設計圖紙設置自由段與錨固段，據實添加預應力。

1.3 模型的建立

因本工程支護范圍較長，選擇截取一個標準段進行建模分析。基坑開挖深度20 m，前排樁冠梁尺寸為1.1 m×0.6 m，后排樁冠梁尺寸為1.3 m×0.8 m，采用0.8 m×0.4 m連梁連接前排樁冠梁與后排樁腰梁。通常基坑開挖引起的周圍地層沉降范圍為3～4倍開挖深度，故建模時為消除邊界效應影響，模型X方向（平行支護結構方向）共選取3根支護樁，寬度為5.2 m，模型Y方向（垂直支護結構方向）取4倍開挖深度即88 m，模型Z方向（垂直開挖方向）取3倍樁長即77 m，最終土體模型尺寸為5.2 m×88 m×77 m（長×寬×高）。雙排樁+錨索支護結構有限元模型如圖2所示。

2 計算結果分析

2.1 水平位移變化分析

圖3為前、后排樁隨基坑施工推進不同工況下的水平位移云圖。基坑施工初期，前、后排樁樁頂冠梁處水平位移最大，樁端因土體嵌固作用使水平位移較小；隨著基坑施工的推進，支護樁水平位移產生范圍逐漸向下方延伸，基坑內土體約束減弱，坑外土體作用增大，前排樁整體變形值大于后排樁，現行對于雙排樁支護結構的設計中對該效應差異化設計前、后排樁，可減少工程材料浪費。

圖4、圖5為前、后排樁隨基坑施工的推進在不同工況、不同深度的水平位移變化曲線。

隨著開挖過程推進，雙排樁結構的水平位移逐漸增大，前排樁最大水平位移值由1 mm增至7.23 mm，后排樁最大水平位移值由0.96 mm增至6.89 mm，限制水平位移效果良好；從工況三開始，前排樁位移大于后排樁，隨著開挖深度增大，前、后排樁水平位移差值逐漸增大，但前、后排樁變形保持較好協調，表明連梁在受力過程中發揮重要連接作用，后排樁通過連梁限制前排樁的側移，前排樁相對后排樁分擔了更多基坑變形。

各工況下，前排樁在基坑底以上水平位移變化曲線呈“S”型，與傳統的單樁錨索受力規律不同，傳統單樁錨索側移分布大多為線性；雙排樁+錨索支護結構中前排樁設置的錨索，在前排樁樁身中部調整了前、后排樁樁間土壓力，在-10 m以上部分水平位移值為正值，以下部分水平位移值為負值，錨索對前排樁水平位移限制明顯，但后排樁作用十分有限。

挖至坑底時，前、后排樁樁底發生了一定程度的側移，側移值基本相同，保持在2" mm范圍內，整體變化量較小，這說明結構設計合理，前排樁樁身靠近基坑底部時水平位移存在轉點，支護結構的嵌固效果明顯。

2.2 基坑變形分析

基坑開挖及支護結構施工將引起周圍地表及支護結構變形，對基坑開挖完成后的周圍環境及支護結構變形結果進行提取分析，如圖6～圖8所示為基坑施工整體、Y方向、Z方向位移云圖。

由圖6～圖8可以看出總體變形范圍主要集中分布在基坑開挖區域中部，呈現由基坑開挖區域中部向外側逐漸減小的趨勢；基坑開挖過程中，雙排樁結構在主動土壓力作用下向基坑內部移動，移動過程中擠壓基坑內土體，從而導致基坑底部隆起；隨著開挖深度的增加及錨索分層施作，較近處地表由于錨索結構施加對土體所產生的擠壓作用，其地表處的豎向隆起值逐漸增加，隨著最后一道錨索的施作，其豎向隆起值達到9.88 mm，同時距離支護結構41 m處（兩倍開挖深度）豎向變形由隆起轉變為沉降；基坑外土體距離樁體越遠水平位移越小，逐漸穩定，土體以圓弧形滑動向坑內側移，雙排樁+錨索支護結構頂部土體的水平位移相對于其他位置明顯偏大。

2.3 樁身內力分析

將基坑開挖及錨索結構施工引起的前、后排樁受力結果進行提取分析，如圖9、圖10所示為前、后排樁的彎矩、軸力分布云圖。

由圖9可知，前排樁彎矩分布主要集中在中部和底部，后排樁彎矩分布主要集中在樁體中部，且后排樁彎矩受力范圍較大，集中在錨索結構施作范圍之內，前排樁彎矩最大值為199.03 kN·m，說明在前排樁上錨索的拉錨作用使前、后排樁受力特征產生區別，后排樁承擔更多土壓力，在雙排樁+錨索支護結構的設計中，應適當增大后排樁剛度，為前排樁分擔內力以提高整體穩定性。

雙排樁+錨索支護結構軸力分布情況如圖10，由圖10可以看出前、后排樁均主要集中在中部和底部，軸力最大值為1 758.30 kN，隨著基坑開挖及逐道錨索施工，錨索鎖定荷載在豎向方向的分力使受力范圍有明顯分層現象，分層范圍根據錨索施工位置變化；后排樁軸力分布具有較明顯的中心對稱現象，存在軸力近乎為零的中性點，因后排樁上部通過連梁與前排樁相連，結構側移使后排樁中性點以上產生向上的軸力，中性點以下摩阻力、自重產生向下的軸力。

2.4 錨索結構變形分析

在基坑開挖及支護結構施工完成后，將錨索結構變形最終結果進行提取分析。圖11為錨索結構Y方向（垂直支護結構方向）水平位移分布情況，可以看出變形范圍主要集中在上部錨索，其中第一道及第二道錨索水平位移在基坑施工完成后數值較大，與前排樁水平位移分布規律一致；在周圍土體初始應力場變化的情況下，錨索端部水平位移達到最大值6.44 mm，隨著基坑開挖深度增加，錨索結構水平變形逐漸減小，同時變形分布也較為均勻。

2.5 錨索結構受力分析

跟隨基坑分層開挖，將基坑開挖及支護結構施工引起的錨索軸力變化情況結果進行提取分析，圖12所示為分工況錨索結構軸力云圖。

通過圖12可以看出錨索的鎖定荷載在錨固段傳遞，在錨固段內軸力逐漸降低，在自由端內軸力為定值；隨著基坑施工不斷推進，開挖深度增加導致支護結構側移，其軸力值逐漸增大；同時，下層錨索的施工導致上層錨索軸力值增加，各工況下軸力最大值分別為480.22 kN、491.69 kN、502.96 kN、510.73 kN、521.72 kN、535.83 kN、547.89 kN、547.19 kN，軸力最大值小于設計圖紙中的鎖定荷載，表明設計圖數據可靠，在實際工程設計中，可充分發揮錨索對前排樁的限制作用，有效限制前排樁的水平位移。

3 結論與建議

通過應用Midas/GTS軟件對長沙某深基坑開挖過程不同工況進行分析，主要得到幾點結論與建議：

（1）隨開挖過程推進，前、后排的水平位移逐漸增大，前排樁最大值為7.23 mm，后排樁最大值為6.89 mm，限制水平位移效果良好；前、后排樁變形保持較好協調，連梁在受力過程中前、后排間發揮重要連接作用，后排樁通過連梁限制前排樁的側移。錨索在前排樁樁身中部調整前、后排樁樁間土壓力，對前排樁水平位移限制明顯，但后排樁作用十分有限。

（2）分析基坑開挖整體變形云圖，呈現由基坑開挖區域中部向外側逐漸減小的趨勢；基坑開挖過程中，基坑內土體為隆起狀態，基坑外土體水平位移距離樁體越遠逐漸穩定，豎向變形距離兩倍開挖深度以外由隆起轉變為沉降。

（3）分析前、后排樁彎矩、軸力分布情況，錨索的拉錨作用使前、后排樁受力特征產生區別，后排樁承擔更多土壓力；前排樁軸力分布范圍有明顯分層現象，后排樁軸力分布具有較明顯的中心對稱現象，存在軸力近乎為零的中性點。

（4）分析錨索結構軸力變化情況，在錨固段內軸力逐漸降低，在自由端內軸力為定值，隨著基坑施工不斷推進，開挖深度增加導致支護結構側移，其軸力值逐漸增大，同時，下層錨索的施工導致上層錨索軸力值增加，在實際工程設計中，可充分發揮錨索對前排樁的限制作用。

參考文獻

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［4］ 蓋文，易領兵，王寶，等.雙排樁與錨索聯合支護結構體系在緊鄰建構筑物基坑中的應用研究［J］.施工技術，2018，47（S4）：70-74.

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