王緒鋒　張　敏　郭海慶　艾純斌

(1. 浙江省水利河口研究院， 杭州　310020； 2. 河海大學(xué) 巖土工程科學(xué)研究所， 南京　210098； 3. 河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京　210098； 4. 中國(guó)市政工程?hào)|北設(shè)計(jì)研究總院有限公司 海南洋浦分公司， 海南 ?？凇?70125)

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基坑樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移監(jiān)測(cè)及有限元分析

王緒鋒1張敏2，3郭海慶2，3艾純斌4

(1. 浙江省水利河口研究院， 杭州310020； 2. 河海大學(xué) 巖土工程科學(xué)研究所， 南京210098； 3. 河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京210098； 4. 中國(guó)市政工程?hào)|北設(shè)計(jì)研究總院有限公司 海南洋浦分公司， 海南 ?？?70125)

摘要：以深圳寶安區(qū)某基坑工程為例，運(yùn)用ABAQUS有限元軟件對(duì)樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)建立三維單樁對(duì)稱模型，模擬支護(hù)樁在不同工況下的水平位移，并將模擬計(jì)算值和監(jiān)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證該模型的合理性．同時(shí)，分析不同施工工序下樁身水平位移的變化特點(diǎn)，為優(yōu)化基坑設(shè)計(jì)和施工提供科學(xué)依據(jù)．

關(guān)鍵詞：樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)；水平位移；監(jiān)測(cè)；有限元分析

基坑工程一直是巖土工程領(lǐng)域的重要課題，由于施工條件、水文地質(zhì)條件的復(fù)雜性和不確定性，使得變形的理論計(jì)算結(jié)果難以符合實(shí)際，因此現(xiàn)行基坑規(guī)范規(guī)定必須進(jìn)行基坑監(jiān)測(cè)[1]，從而做到信息化施工．隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元軟件得到廣泛應(yīng)用，其中ABAQUS具有快速處理高度非線性問題的能力，在巖土工程中得到大力推廣[2]．

本文利用ABAQUS軟件對(duì)基坑建模進(jìn)行有限元分析，再現(xiàn)基坑施工過程，通過樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移監(jiān)測(cè)值和模擬計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證該模型的合理性．

1ABAQUS有限元分析

1.1本構(gòu)模型的選取

土體屬于三相體，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系非常復(fù)雜．ABAQUS內(nèi)置多種本構(gòu)模型，如M-C模型、Druker-Prager模型、劍橋模型等．本文將土體簡(jiǎn)化為理想彈塑性體，用增量關(guān)系表示為[3]：

(1)

鑒于參數(shù)易獲取問題，本文屈服準(zhǔn)則選取為M-C屈服準(zhǔn)則，函數(shù)表達(dá)式為：

(2)

(3)

式中，I1為應(yīng)力張量的第一不變量，J1、J2為應(yīng)力偏量的第一、第二不變量．

對(duì)于基坑開挖卸載等問題，M-C模型不能考慮彈性模量E的變化[4]，而卸載模量一般大于加載模量，即該模型不能正確反映土體加卸載模量的變化及壓硬性，導(dǎo)致模擬基坑開挖后土體隆起量過大．為克服這一問題，本文模型在土層開挖之前[5]，利用ABAQUS中*FIELD場(chǎng)變量的變化將待開挖區(qū)域內(nèi)的土體彈性模量進(jìn)行一定程度的折減后再進(jìn)行開挖，以此來(lái)模擬應(yīng)力釋放的過程，模擬結(jié)果表明這樣能更好的控制基底隆起，折減率由反復(fù)試算確定．

因基坑實(shí)際開挖過程中，支護(hù)樁的應(yīng)力遠(yuǎn)小于其屈服應(yīng)力，故假設(shè)其為線彈性體，冠梁、腰梁也假設(shè)為彈性材料．

1.2模型相互作用模擬

基坑樁錨支護(hù)模型的相互作用分為樁-土接觸和樁-冠梁/腰梁接觸．樁-土接觸由樁周接觸和樁底接觸組成，接觸面力學(xué)模型中切向選擇罰函數(shù)，法向選擇硬接觸，接觸對(duì)主面選樁周表面，從面選土體表面，離散方法為面對(duì)面接觸，接觸狀態(tài)為有限滑動(dòng)[6]．樁-冠梁/腰梁接觸的設(shè)置與樁-土接觸定義類似，也設(shè)置切向和法向接觸．

2基坑工程實(shí)例

2.1工程概況

該基坑場(chǎng)地呈近似矩形，長(zhǎng)邊約340 m，短邊約140 m，場(chǎng)地西側(cè)13 m處有一7層建筑，東側(cè)距道路最近約30 m，南側(cè)為待建場(chǎng)地．基坑平面形狀如圖1所示．基坑西側(cè)支護(hù)采用D800灌注樁+D600高壓止水樁，樁間施加兩層錨索，樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面如圖2所示．

圖1　基坑平面圖

圖2　樁錨支護(hù)側(cè)剖面圖

2.2位移監(jiān)測(cè)成果分析

樁體水平位移最能直觀反映支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形情況，是控制基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)安全的重要指標(biāo)．但在樁體施工過程中，樁體內(nèi)部預(yù)埋的監(jiān)測(cè)設(shè)施極易遭到破壞，通常在支護(hù)樁外側(cè)土體利用鉆機(jī)設(shè)備成孔埋設(shè)測(cè)斜管，通過監(jiān)測(cè)土體變形來(lái)近似替代樁體變形情況．在本基坑工程西部支護(hù)樁外側(cè)土體共埋設(shè)了3個(gè)測(cè)斜管，編號(hào)為I1～I(xiàn)3，以監(jiān)測(cè)樁體不同深度位置的水平位移情況．本文選取靠近灌注樁ZK22的測(cè)斜管I3為分析點(diǎn)，取該監(jiān)測(cè)孔數(shù)據(jù)繪制樁體水平位移隨時(shí)間及深度的變化過程曲線，如圖3所示．

圖3　I3水平位移-深度-時(shí)間過程曲線

根據(jù)I3水平位移過程曲線分析，樁體水平位移隨基坑開挖深度的增加而增大，變形曲線自下而上整體呈平滑狀，僅在預(yù)應(yīng)力錨索附近出現(xiàn)“反彎點(diǎn)”，說明樁體沿深度方向變形協(xié)調(diào)．受冠梁、腰梁及各層錨索的約束作用，樁體最大水平位移出現(xiàn)在腰梁下部至基坑坑底的深度范圍，變形曲線向基坑內(nèi)側(cè)呈“凸起”狀，說明基坑底部土體對(duì)樁體水平方向變形的約束作用不明顯．在樁體豎向剛度、冠梁(腰梁)橫向剛度及錨索側(cè)向約束的綜合影響下，樁體變形實(shí)際受三維約束影響，而非單純的二維約束．

2.3有限元建模

本文利用ABAQUS對(duì)基坑樁錨支護(hù)側(cè)進(jìn)行有限元分析，選取灌注樁ZK22建立三維單樁對(duì)稱模型．參照以往工程經(jīng)驗(yàn)，基坑開挖影響范圍約為開挖寬度的3倍，開挖深度的4倍[7]，本基坑尺寸為140 m(長(zhǎng))×10.3 m(高)，樁間距1.2 m，取基坑剖面一半進(jìn)行建模，利用對(duì)稱性取1/2根樁范圍的樁體和土體建模[8]，模型三維尺寸為210 m(長(zhǎng))×0.6 m(寬)×40 m(高)，基坑模型開挖前后有限元網(wǎng)格如圖4所示．

圖4　基坑開挖前后有限元網(wǎng)格圖

模型邊界條件為：基坑底面完全固定，限制X、Y、Z3個(gè)方向的位移，基坑四周及支護(hù)樁表面約束其相應(yīng)法線方向的位移．據(jù)地勘報(bào)告，工程區(qū)主要地層：第四系人工填土，第四系沖洪積含砂黏性土、含砂黏性土、含黏性土粉～粗砂、殘積成因的砂質(zhì)粘性土，下伏基巖為震旦系片麻巖．由于各土層參數(shù)差異不是很大，為簡(jiǎn)化計(jì)算模型，將各層土體參數(shù)加權(quán)等效為一層均質(zhì)土體，有限元建模參數(shù)見表1．

表1　有限元建模計(jì)算參數(shù)

建模的土體、樁、冠梁及腰梁?jiǎn)卧捎肅3D8R[9]，支護(hù)樁與土體接觸處網(wǎng)格劃分較密，隨著距離由近到遠(yuǎn)，網(wǎng)格劃分由密到疏．建模作以下假定[10]：①基坑工程施工工期短，不考慮地下水的影響，采用總應(yīng)力法進(jìn)行分析．②初始應(yīng)力場(chǎng)假定為自重應(yīng)力場(chǎng)．③土體應(yīng)力場(chǎng)不受溫度的影響．④不考慮時(shí)間因素的影響．

2.4模擬計(jì)算和監(jiān)測(cè)成果對(duì)比

為減少ABAQUS有限元計(jì)算的工作量，本文只計(jì)算到施加第二層錨索，按照實(shí)際工序，模型計(jì)算分為7個(gè)分析步，見表2．

表2　模擬開挖分析步

因建模分析不考慮時(shí)間因素的影響，故選取圖2中關(guān)鍵施工步序完成時(shí)間的位移曲線與模型計(jì)算曲線進(jìn)行對(duì)比，各關(guān)鍵步序下模型計(jì)算位移和實(shí)測(cè)位移曲線對(duì)比如圖5所示．

圖5　關(guān)鍵分析步下樁體監(jiān)測(cè)和計(jì)算位移曲線

由以上位移曲線圖可得到以下結(jié)論：

1)實(shí)測(cè)位移曲線通常假設(shè)底部測(cè)點(diǎn)為相對(duì)不動(dòng)點(diǎn)，即位移為0，而理論上模擬樁體底部有一定的位移發(fā)生．

2)隨著基坑開挖、冠梁(腰梁)及錨索施加，樁頂有一定位移發(fā)生，但總量不大，而樁體最大水平位移點(diǎn)向下變動(dòng)，位移曲線向基坑內(nèi)側(cè)呈“凸起”狀，模擬位移曲線在錨索施加后“反彎點(diǎn)”明顯．

3)從圖5可見，樁體模擬位移曲線和實(shí)測(cè)位移曲線變化趨勢(shì)上基本一致，但模擬位移值比實(shí)測(cè)值偏大，這是由于基坑實(shí)際是空間結(jié)構(gòu)，存在三維約束效應(yīng)[11]，而建模時(shí)未能充分考慮這一因素，且實(shí)際監(jiān)測(cè)時(shí)假設(shè)底部為不動(dòng)點(diǎn)位移為零，模型中樁體底部是有位移的，從而使得計(jì)算值偏大，驗(yàn)證了模型的合理性．

4)從圖(a)、(b)及圖(c)、(d)的對(duì)比可見，錨索施加位置樁體的位移在后續(xù)施工過程中變化不大，可見錨索在限制樁體位移上產(chǎn)生了一定的效果[12]．

2.5施工工序?qū)扼w位移影響分析

基坑支護(hù)采用樁錨結(jié)構(gòu)時(shí)，樁體水平位值是衡量基坑開挖與支護(hù)是否穩(wěn)定的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，而影響樁體水平位移的因素有很多[13]，如土體模量、支護(hù)樁剛度、支護(hù)樁長(zhǎng)度、冠梁及腰梁剛度、施工工序等．由于篇幅影響本文僅將施工工序?qū)渡硭轿灰频挠绊戇M(jìn)行模擬和分析，為此將本文邊挖邊撐的模型做了調(diào)整，調(diào)整后模擬開挖的分析步見表3，模擬的是先挖后撐的模型，并將兩者進(jìn)行對(duì)比．

表3　調(diào)整后模擬開挖分析步

調(diào)整后的算例模型是先挖后撐的施工工序，不同施工工序?qū)幼冃斡兄煌挠绊?，模型調(diào)整前、后模擬計(jì)算樁體水平位移曲線如圖6所示．由圖6可看見，隨挖隨撐和先挖后撐兩種施工工序?qū)扼w水平位移變化有較大的影響．采取先挖后撐的施工工序，在施加錨索前，樁體一直處于懸臂狀態(tài)，位移曲線自下而上整體向基坑內(nèi)側(cè)傾斜，僅在施加錨索后，位移曲線向基坑內(nèi)側(cè)呈“凸起”狀；在開挖支護(hù)完成后，樁頂最大位移8 mm，而工序調(diào)整前樁頂最大位移為5 mm，說明在錨索施加前，樁頂已經(jīng)有相當(dāng)?shù)奈灰瓢l(fā)生；樁體最大位移約12 mm，最大位移點(diǎn)出現(xiàn)在基坑底深度范圍，而隨挖隨撐樁體最大位移約10 mm，最大位移點(diǎn)出現(xiàn)在基坑底向上至腰梁范圍，且先挖后撐工序加速了最大水平位移點(diǎn)向基坑底部的開展，對(duì)樁體變形和受力是不利的．因此，在基坑開挖支護(hù)過程中，采取邊挖邊撐的工序，能充分發(fā)揮支護(hù)樁體、冠梁腰梁、錨索的變形協(xié)調(diào)作用，充分發(fā)揮各支護(hù)材料的性能，提高基坑邊坡的穩(wěn)定性，同時(shí)，還可以控制樁體總體變形量．

圖6　調(diào)整前后各步序樁體位移曲線

3結(jié)語(yǔ)

本文利用ABAQUS有限元對(duì)基坑開挖進(jìn)行了模擬，通過實(shí)測(cè)成果和模擬結(jié)果的對(duì)比分析得到了以下結(jié)論：

1)對(duì)于復(fù)雜基坑問題，有限元軟件在簡(jiǎn)化計(jì)算模型的基礎(chǔ)上能再現(xiàn)基坑施工過程，但與工程實(shí)際存在一定的差別，模擬計(jì)算成果更多的用于支護(hù)結(jié)構(gòu)變化趨勢(shì)的判定和預(yù)測(cè)．

2)隨著基坑開挖、支護(hù)施工，樁體最大水平位移點(diǎn)向下開展，最大位移點(diǎn)出現(xiàn)在基坑底至腰梁深度范圍，位移曲線向基坑內(nèi)側(cè)呈“凸起”狀，曲線在冠梁和腰梁位置出現(xiàn)“反彎點(diǎn)”．受三維約束效應(yīng)影響，樁體位移的實(shí)測(cè)值小于模擬計(jì)算值，利用模型計(jì)算成果進(jìn)行基坑設(shè)計(jì)偏于保守．

3)不同施工工序?qū)χёo(hù)結(jié)構(gòu)變形有較大的影響，“邊挖邊撐”工序能控制樁體變形總量，減緩樁體最大水平位移點(diǎn)向基坑底部開展，還能充分利用支護(hù)樁、冠梁腰梁及錨索與土體之間的變形協(xié)調(diào)作用，發(fā)揮各材料的性能，提高了基坑邊坡的穩(wěn)定性．

4)樁體水平位移變化受建筑材料性能、工程水文地質(zhì)及邊界約束等多種因素影響，基坑工程樁錨支護(hù)側(cè)兩端樁體與中間樁體的位移變化存在一定差異，有待進(jìn)一步分析和研究．

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[責(zé)任編輯周文凱]

DOI：10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2016.03.009

收稿日期：2015-12-21

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(21372329)

通信作者：王緒鋒(1981-)，男，工程師，碩士，主要從事巖土工程勘察，基坑、高邊坡、軟基處理監(jiān)測(cè)及相關(guān)管理工作．E-mail：wangxufeng013@163.com

中圖分類號(hào)：TU473

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-948X(2016)03-0036-04

Horizontal Displacement Monitoring for Pile-anchor Retaining Structure of Foundation Pit and PEA

Wang Xu Feng1Zhang Min2，3Guo Haiqing2，3Ai Chun Bin4

(1. Zhejiang Institute of Hydraulics & Estuary, Hangzhou 310020, China; 2. Geotechnical Research Institute, Hohai Univ., Nanjing 210098, China; 3. Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering, Hohai Univ., Nanjing 210098, China; 4.Northeast China Municipal Engineering Design & Research Institute, Hainan Yangpu Branch, Haikou 570125, China)

AbstractTaking a foundation pit project in Baoan District of Shenzhen for example and using ABAQUS finite element software to establish a three-dimensional symmetric model of single pile for pile-anchor supporting structure, the horizontal displacements of the pile are simulated under different conditions. And then comparing the simulated values with measured values, the rationality of the model is verified. At the same time, changing characteristics of the horizontal displacements of the pile under different construction processes are analyzed, so as to provide scientific basis for optimizing design and construction of foundation pit.

Keywordspile-anchor retaining structure;horizontal displacement;monitoring;finite element analysis(FEA)