印長俊， 符 玨， 呂 鵬

(湘潭大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖南 湘潭 411105)

湘潭市某深基坑復(fù)合土釘墻支護(hù)變形的有限元分析*

印長俊*， 符 玨， 呂 鵬

(湘潭大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖南 湘潭 411105)

復(fù)合土釘墻在基坑中應(yīng)用廣泛，目前對其變形的研究較少.本文依托湘潭市河西核心商務(wù)區(qū)人防平戰(zhàn)結(jié)合工程，運用有限元分析軟件ANSYS建立微型樁-預(yù)應(yīng)力錨桿復(fù)合土釘墻與純土釘墻兩種不同支護(hù)形式在不同工況的有限元模型，得到各開挖步基坑的變形情況，將有限元計算結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析.結(jié)果表明：由于受到土體主動土壓力作用，微型樁產(chǎn)生微小轉(zhuǎn)動，復(fù)合土釘墻支護(hù)水平位移呈現(xiàn)開挖面以上與以下相反的現(xiàn)象，在基坑頂部有較小幅度的土體拱起，微型樁和預(yù)應(yīng)力錨桿的施加對基坑側(cè)壁水平位移與地面沉降有較大影響，能有效控制土體變形，增加土體穩(wěn)定性，但是對坑底隆起的影響相對較小.

基坑支護(hù)；微型樁；預(yù)應(yīng)力錨桿；有限元；變形

復(fù)合土釘墻是近年來在土釘墻基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型支護(hù)結(jié)構(gòu)，它是將土釘墻與深層攪拌樁、旋噴樁、各種微型樁、鋼管土釘及預(yù)應(yīng)力錨桿等結(jié)合起來[1]，根據(jù)具體工程條件進(jìn)行多種組合，形成的復(fù)合基坑支護(hù)技術(shù)，在我國的城市建設(shè)中已有大量的工程實踐.基坑安全事故將造成嚴(yán)重后果，對于軟弱土層，為了保證安全，必須對土體進(jìn)行支護(hù)與加固，控制變形是確?；影踩钪庇^有效的方法.基坑開挖除了要保證土體穩(wěn)定外，還必須保證周邊環(huán)境安全，確?；幼冃我鸬闹車h(huán)境變形在允許范圍內(nèi)，這就對基坑變形提出了更為嚴(yán)格的要求.

研究表明[2～7]，土釘墻支護(hù)在施加了微型樁和預(yù)應(yīng)力錨桿后，變形特點與純土釘墻支護(hù)存在很大區(qū)別，而現(xiàn)有理論研究落后于實踐，還不能夠充分反映微型樁-預(yù)應(yīng)力錨桿復(fù)合土釘墻支護(hù)的變形特點.目前我國還沒有專門的復(fù)合土釘墻支護(hù)變形計算規(guī)范，還未形成一套成熟完善的理論，限制了這項技術(shù)的發(fā)展，因此有必要對其變形特性進(jìn)行系統(tǒng)分析，為支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考，完善理論，更好的指導(dǎo)施工，提高復(fù)合土釘墻支護(hù)的安全性與經(jīng)濟(jì)性.為深入了解微型樁-預(yù)應(yīng)力錨桿復(fù)合土釘墻支護(hù)的變形特點，本文依托湘潭市河西核心商務(wù)區(qū)人防平戰(zhàn)結(jié)合工程，利用有限元分析軟件ANSYS建立模型，得出不同工況下支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，與純土釘墻支護(hù)計算結(jié)果進(jìn)行對比，分析此復(fù)合土釘墻支護(hù)隨著基坑開挖的變形特性.

1 有限元分析方法

有限單元法[8]是隨著數(shù)值分析技術(shù)日益成熟而發(fā)展的一種數(shù)值模擬方法，基本概念是將復(fù)雜的物理對象離散化[9，10]，將結(jié)構(gòu)切割為具有一定連續(xù)性的有限個單元，在單元上設(shè)置節(jié)點，用節(jié)點的位移來表示單元的變形，從單元入手，建立每個單元的剛度方程，利用單元剛度矩陣得到整體剛度矩陣，列平衡方程組求解單元各節(jié)點的位移.有限單元法能夠有效模擬土釘、錨桿、微型樁、各結(jié)構(gòu)間的相互作用以及基坑開挖、支護(hù)結(jié)構(gòu)施工的全過程，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于復(fù)合土釘墻的研究，本文采用有限元分析軟件ANSYS對微型樁-預(yù)應(yīng)力錨桿復(fù)合土釘墻支護(hù)的變形進(jìn)行計算，分析步驟主要分為三個方面的內(nèi)容：前處理、加載與求解和后處理.

為了簡化計算，采用如下假定：(1)平面應(yīng)變假定，本基坑長寬尺寸相差較大，屬細(xì)長結(jié)構(gòu)范疇，因此將支護(hù)結(jié)構(gòu)按平面應(yīng)變問題進(jìn)行考慮；(2)本工程初見地下水位低于開挖設(shè)計標(biāo)高，故不考慮地下水對支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響；(3)均質(zhì)、各向同性假定，土體為理想彈塑性材料.

2 有限元模型

本工程位于湘潭市雨湖區(qū)，由車站路、韶山中路及建設(shè)北路三條道路圍成的三角地帶組成，如圖1所示.地理位置處于市中心繁華鬧市區(qū)，工程規(guī)模大，商業(yè)建筑總面積為61 980 m2，其中建筑面積49 250 m2.地下工程為主體部分，負(fù)一層，埋深約8 m.

根據(jù)規(guī)范[11,12]，本工程支護(hù)結(jié)構(gòu)失效對基坑周邊環(huán)境或主體結(jié)構(gòu)施工安全的影響很嚴(yán)重，支護(hù)結(jié)構(gòu)安全等級為一級.根據(jù)巖土工程勘察報告[13]，基坑土層分布及各土層物理力學(xué)特性如表1所示.

表1 各土層主要物理力學(xué)指標(biāo)1)

1)表中帶*號的均為經(jīng)驗數(shù)據(jù).

2.2 基坑支護(hù)形式

根據(jù)實際的基坑周邊建筑物、地下管線、道路和施工荷載等條件，同時為了減小支護(hù)結(jié)構(gòu)位移，確保安全，本基坑采用微型樁-預(yù)應(yīng)力錨桿復(fù)合土釘墻支護(hù).

基坑深8 m，采用大開挖方式，邊坡坡度90°，基坑周邊的地面超載等效荷載為20 kPa，自上而下布置4層土釘，1層預(yù)應(yīng)力錨桿，土釘與錨桿向下的傾角均為15°，全部配筋采用Q345.微型樁采用鋼管樁，直徑273 mm，水平間距1 m，單排布置.土釘直徑48 mm，長9 m，水平間距均為1.5 m.錨桿直徑150 mm，長15 m，水平間距1.5 m，錨固長度10.5 m，預(yù)應(yīng)力大小為120 kN，每層開挖支護(hù)的土釘與錨桿之間的間距均為1.5 m.噴射混凝土面層采用 C20混凝土，厚度100 mm，內(nèi)配雙向Φ8 鋼筋網(wǎng)，間距200 mm.支護(hù)結(jié)構(gòu)的剖面圖如圖2所示.

2.3 計算模型

考試大綱 “數(shù)學(xué)學(xué)科知識”二維矩陣賦值：對于20個主題對應(yīng)的內(nèi)容，例如極限與連續(xù)性，結(jié)合大綱，細(xì)化該主題下知識內(nèi)容，分解為極限的定義、性質(zhì)、計算、連續(xù)性定義、連續(xù)性性質(zhì)等的單一知識點的細(xì)目，以大綱行為動詞為依據(jù)，判斷其每單一知識點要求達(dá)到的認(rèn)知水平.分別統(tǒng)計屬于了解，理解，掌握的知識點數(shù)目，知識點數(shù)目即編碼值.對考試大綱賦值結(jié)果如下，得到120個知識點數(shù)目.

有限元模型的幾何尺寸以不影響模擬結(jié)果為基準(zhǔn)進(jìn)行確定，根據(jù)以往工程經(jīng)驗和大量試算，基坑開挖影響深度為2～4倍基坑開挖深度，影響寬度為3～4倍基坑開挖深度，根據(jù)對稱原則，只需考慮基坑的一半.本基坑有限元模型采用高為20 m，寬為40 m，單位厚度的幾何模型進(jìn)行數(shù)值計算，幾何尺寸如圖3所示，再增大尺寸對基坑變形沒有較大影響.

選用理想彈塑性模型Drucker-Prager模型，土體采用2維實體單元Plane42模擬，土釘與錨桿采用2結(jié)點桿單元Link1模擬，微型樁采用2結(jié)點梁單元Beam3模擬.有限元模型采取的邊界條件為：約束左右邊界的X向位移，約束底邊界X、Y方向位移，其他邊界為位移自由，有限元模型如圖4所示.微型樁-預(yù)應(yīng)力錨桿復(fù)合土釘支護(hù)的施工過程是邊開挖邊支護(hù)，這一動態(tài)施工過程在ANSYS有限元中采用單元生死技術(shù)進(jìn)行模擬.

基坑開挖分5步進(jìn)行有限元模擬：第一步基坑開挖至樁頂以下2m，支護(hù)第一層土釘；第二步基坑開挖至樁頂以下3.5m，支護(hù)預(yù)應(yīng)力錨桿；第三步基坑開挖至樁頂以下5m，支護(hù)第二層土釘；第四步基坑開挖至樁頂以下6.5m，支護(hù)第三層土釘；第五步基坑開挖至基坑設(shè)計地面(樁頂以下8m)，支護(hù)第四層土釘.

3 數(shù)值分析結(jié)果分析

3.1 基坑側(cè)壁水平位移

微型樁-預(yù)應(yīng)力錨桿復(fù)合土釘墻支護(hù)開挖每層的基坑側(cè)壁水平位移分布曲線如圖5所示.從圖中可以看出，基坑側(cè)壁的水平位移沿基坑深度方向呈曲線分布，沿基坑側(cè)壁從上至下呈先減小再反向增大的趨勢，每一層開挖形成的基坑側(cè)壁水平位移分布曲線基本相似，向坑內(nèi)的最大水平位移位于基坑頂面，略大于開挖面以下向坑外的最大位移，開挖至-2 m時基坑側(cè)壁水平位移最大為7.5 mm，隨著開挖的進(jìn)行，水平位移值不斷增長，開挖至設(shè)計深度-8 m時為29.61 mm.由于支護(hù)結(jié)構(gòu)在受到力的作用后存在微小轉(zhuǎn)動，開挖面以上土體向基坑內(nèi)傾斜，開挖面以下土體中出現(xiàn)向基坑外凸起的變形.在基坑開挖至第三層后，施加的預(yù)應(yīng)力錨桿發(fā)揮作用，基坑側(cè)壁水平位移變化速率變小，第三層、第四層與第五層的水平位移增量比第一層、第二層的增量明顯減小.

圖6為純土釘墻支護(hù)基坑側(cè)壁開挖每層的水平位移分布曲線，將兩種支護(hù)形式下水平位移進(jìn)行對比，純土釘支護(hù)基坑側(cè)壁水平位移沿基坑深度方向呈S形曲線分布，在開挖面以上的土體中水平位移最大位于基坑頂部，在開挖面以下土體中呈現(xiàn)向坑內(nèi)凸起的變形趨勢.兩者最大位移值均位于基坑頂部，隨著開挖的進(jìn)行，位移值不斷增加.但開挖至設(shè)計深度-8 m時純土釘支護(hù)基坑側(cè)壁水平位移最大為34.4 mm，微型樁-預(yù)應(yīng)力錨桿復(fù)合土釘支護(hù)為29.6 mm，比純土釘支護(hù)減小了5 mm，表明微型樁和預(yù)應(yīng)力錨桿的存在對基坑變形起到了一定的控制作用，微型樁是在土體開挖前進(jìn)行的支護(hù)，屬于先期支護(hù)結(jié)構(gòu)，增加了土體的穩(wěn)定性，限制了開挖引起的變形.

3.2 基坑側(cè)壁沉降分析

微型樁-預(yù)應(yīng)力錨桿復(fù)合土釘墻支護(hù)基坑每層開挖的地面沉降分布曲線如圖7所示，從圖中可以看出，每一層開挖形成的地表沉降分布曲線基本相似，在基坑坡頂土體產(chǎn)生小幅度拱起，最大沉降位于距離開挖面0.3～0.6倍基坑深度位置處，隨著離開挖面距離的增加沉降不斷減小，距離開挖面兩倍基坑深度以外范圍的土體沉降已基本穩(wěn)定.隨著開挖的進(jìn)行，沉降量不斷增長，開挖第一層時基坑頂部的沉降為6.9 mm，開挖至設(shè)計深度-8 m時基坑頂部的地表沉降為23.5 mm，土體第一、二層開挖時，地表沉降增量為6.4 mm，隨著支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)揮作用，尤其是錨桿的施加對土體的變形施加了一定程度的約束作用，地表沉降增量逐漸減小，第四、五層土體開挖之間的沉降增量僅為2.6 mm.

圖8為純土釘墻支護(hù)基坑坡頂?shù)乇沓两捣植记€，與微型樁-預(yù)應(yīng)力錨桿復(fù)合土釘墻支護(hù)進(jìn)行對比，可以看出，純土釘墻支護(hù)的地表沉降沿離開挖面距離呈曲線分布，隨著開挖的進(jìn)行，每一層的沉降量不斷增加，最大沉降位于基坑邊坡坡頂，而復(fù)合土釘墻支護(hù)地表沉降最大位移位于0.3～0.6倍基坑深度范圍內(nèi)，在基坑邊坡頂部有小幅度拱起，純土釘墻支護(hù)中無拱起現(xiàn)象，開挖至設(shè)計深度-8 m時純土釘支護(hù)地表沉降最大為37.6 mm，微型樁-預(yù)應(yīng)力錨桿復(fù)合土釘支護(hù)為23.5 mm，比純土釘支護(hù)減小了14 mm，表明微型樁與預(yù)應(yīng)力錨桿的施加，減小了地表沉降，增加了土體的穩(wěn)定性，對控制地表沉降有較大作用.

3.3 基坑底部隆起

微型樁-預(yù)應(yīng)力錨桿復(fù)合土釘墻支護(hù)基坑底部隆起量曲線如圖9所示，從圖中可以看出，坑底隆起沿離中軸面的距離呈曲線分布，隨著基坑開挖步的增加，基坑底部隆起逐漸增加，隆起速率逐漸減小.開挖第一層時坑底隆起相對均勻，隨著基坑開挖，出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象，中間的隆起較大，開挖第五層時最大隆起量為4.1 mm，最小為2.3 mm，相差1.8 mm，由于微型樁的維護(hù)作用，越接近邊坡側(cè)壁隆起越小.

純土釘墻支護(hù)基坑底部隆起曲線如圖10所示，從圖中可以看出，坑底隆起與復(fù)合土釘墻支護(hù)基本相似，坑底隆起量為基坑中間部位較大，越接近邊坡側(cè)壁，隆起越小，純土釘墻支護(hù)最大隆起量為4.6 mm，與微型樁-預(yù)應(yīng)力錨桿復(fù)合土釘墻支護(hù)的4.1 mm僅相差0.5 mm，說明微型樁與預(yù)應(yīng)力錨桿的施加對基坑底部隆起的影響較小.

3.4 有限元模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比分析

本工程監(jiān)測工作從2012年9月11日基坑開挖到頂板澆筑完成，持續(xù)時間約4個月，基坑兩側(cè)共布置了13個水平位移觀測點，20個沉降觀測點，在場地周邊2倍基坑深度范圍內(nèi)布置了19個環(huán)境沉降觀測點.最大位移為位于蘇寧電器前口部的監(jiān)測點，水平位移值達(dá)21.6 mm，沉降值達(dá)19 mm.

基坑現(xiàn)場監(jiān)測最大位移與有限單元法計算結(jié)果對比曲線如圖11、12所示，從圖中可以看出開挖結(jié)束后，采用有限單元法計算的水平位移和地表沉降結(jié)果與基坑現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果較為吻合，都有相同的變化趨勢，誤差在可接受的范圍，驗證了有限元模型的合理性與可靠性.存在微小差異的原因主要為土體力學(xué)性能在支護(hù)前后有一定變化，而在進(jìn)行ANSYS建模過程中未考慮這一因素，在基坑監(jiān)測時監(jiān)測點的選取位置和施工現(xiàn)場的不可預(yù)見因素也對結(jié)果有一定影響.預(yù)應(yīng)力錨桿對基坑變形存在較大程度的影響，基坑監(jiān)測結(jié)果較好地反映了預(yù)應(yīng)力錨桿施加后土體的變形存在小幅回彈，而有限單元法的計算結(jié)果沒有明顯地反映這一現(xiàn)象.

4 結(jié) 論

運用有限元分析軟件ANSYS建立模型，得到各開挖步的水平位移、地表沉降以及基坑底部隆起，將有限元計算結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，得到如下結(jié)論：

(1) 微型樁-預(yù)應(yīng)力錨桿復(fù)合土釘墻支護(hù)水平位移分布與純土釘墻支護(hù)存在較大區(qū)別，前者由于微型樁在受到力的作用后存在一定的轉(zhuǎn)動，開挖面以上土體向基坑內(nèi)傾斜，最大值位于基坑頂部，開挖面以下土體則出現(xiàn)向基坑外凸起的變形，向基坑內(nèi)側(cè)最大位移比開挖面以下向坑外的最大位移略大，而純土釘支護(hù)基坑側(cè)壁水平位移沿開挖面呈現(xiàn)向基坑內(nèi)發(fā)展的趨勢，隨著開挖的進(jìn)行變形不斷增長.

(2) 微型樁-預(yù)應(yīng)力錨桿復(fù)合土釘墻支護(hù)地表沉降最大位移位于0.3～0.6倍基坑深度范圍內(nèi)，由于微型樁對基坑變形的限制作用，在基坑邊坡頂部土體有小幅度拱起，而純土釘墻支護(hù)最大沉降位于基坑邊坡頂部，無拱起現(xiàn)象.表明微型樁與預(yù)應(yīng)力錨桿的施加對控制地表沉降有較大作用.

(3) 微型樁-預(yù)應(yīng)力錨桿復(fù)合土釘墻支護(hù)基底隆起與純土釘墻支護(hù)基本相似，基坑中間部位隆起量較大，越接近邊坡側(cè)壁，隆起越小，隨著基坑每一層開挖，基坑隆起量稍有增加，微型樁與預(yù)應(yīng)力錨桿的存在對基坑底部隆起的影響相對較小.

(4) 運用有限單元法計算結(jié)果能夠有效地預(yù)測基坑變形，計算結(jié)果比基坑現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果偏大，屬于偏安全的估算方法.

(5) 有限單元法沒有明確顯示預(yù)應(yīng)力錨桿的作用，基坑監(jiān)測結(jié)果較好地反映了預(yù)應(yīng)力錨桿施加后土體的變形特性.

[1] 中國建筑科學(xué)研究院. 復(fù)合土釘墻基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)范(GB50739-2011)[S]. 北京: 中國計劃出版社, 2011.

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責(zé)任編輯：羅 聯(lián)

Finite Element Analysis of Composite Soil Nailing Wall Deformation for Deep Excavation in Xiangtan

YINChang-jun*,FUJue,LVPeng

(College of Civil Engineering and Mechanics, Xiangtan University, Xiangtan 411105 China)

Composite soil nailing wall has been widely used in deep excavation structure, but research on the deformation of feature is still relatively less. Based on the back ground of specific engineering,the paper compared and analysed the different supporting structure between micro pile pre-stressed anchor composite soil nailing and pure soil nailing on different forms, established the finite element model, and got deformation on different condition, compared the finite element results with the measured data. The results show that: due to the effect of active earth pressure, micro piles produce tiny rotating, the horizontal displacement of composite soil nailing shows the opposite phenomenon above the excavation face and the following, the top of micro pile has a smaller uplift, applied in excavation sidewalls micro piles and pre-stressed anchor have a greater impact to the horizontal displacement and the ground settlement, and can effectively control soil deformation, increase soil stability, but the impact to pit bottom uplift is relatively smaller.

supporting structure of foundation pit; micro piles; pre-stressed anchor; finite element; deformation

2014-04-25

湖南省科技廳一般項目(2010CK3035)

印長俊(1977— ),男，湖南 常德人，博士，副教授，注冊巖土工程師.E-mail:5965568@qq.com

TU94+2

A

1000-5900(2015)01-0018-06