王占武

(遼寧省交通高等?？茖W(xué)校，遼寧沈陽(yáng)110122)

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軟土深基坑雙排樁-錨耦合支護(hù)技術(shù)研究

王占武

(遼寧省交通高等?？茖W(xué)校，遼寧沈陽(yáng)110122)

基于數(shù)值軟件FLAC3D，以某軟土深基坑為例，對(duì)雙排樁-錨耦合支護(hù)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析耦合支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)變形特性，并與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)進(jìn)行對(duì)比分析。計(jì)算結(jié)果顯示，前排樁最大水平變形位于樁長(zhǎng)8 m處；樁長(zhǎng)小于 8 m時(shí)，其水平變形與開(kāi)挖深度呈正相關(guān)；樁長(zhǎng)8～16 m時(shí)，其水平變形與開(kāi)挖深度呈負(fù)相關(guān)。后排樁最大水平變形位于其頂部，約23.6 mm；樁長(zhǎng)小于16 m時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形與開(kāi)挖深度呈負(fù)相關(guān)。數(shù)值計(jì)算表明，在軟土深基坑開(kāi)挖中，采用耦合支護(hù)結(jié)構(gòu)是可行的。

軟土深基坑；雙排樁-錨支護(hù)結(jié)構(gòu)；FLAC3D；變形；監(jiān)測(cè)

0　引　言

隨著地下空間的開(kāi)發(fā)和城市超高層建筑物的興起，深基坑工程逐漸增多，施工安全問(wèn)題也日益突出[1- 3]。位于城市中心地區(qū)的深、大型基坑周圍緊鄰既有重要建(構(gòu))筑物、市政管線和地鐵車站等，因基坑開(kāi)挖引起的土體位移使周邊建(構(gòu))筑物產(chǎn)生附加變形，變形過(guò)大會(huì)影響建筑物的正常使用，甚至導(dǎo)致建筑物結(jié)構(gòu)破壞，造成嚴(yán)重的后果[4]。目前，對(duì)深基坑多采用放坡-土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)[5]、樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)[6- 8]、雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)[9- 11]、錨桿復(fù)合土釘支護(hù)[12- 14]等支護(hù)方法，但對(duì)雙排樁-錨耦合支護(hù)結(jié)構(gòu)研究較為少。本文以某軟土深基坑工程為例，采用數(shù)值軟件FLAC3D，對(duì)雙排樁-錨耦合支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，分析雙排樁-錨耦合支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)變形特性。

1　工程概況

某基坑支護(hù)工程?hào)|側(cè)采用雙排樁+錨桿的耦合支護(hù)結(jié)構(gòu)，基坑開(kāi)挖深度為12.8 m。前后排樁為旋挖成孔灌注樁，矩形布置，樁長(zhǎng)20 m，樁徑800 mm，樁間距1.2 m，排距2.4 m。冠梁及連系梁高×寬均采用1 000 mm×800 mm的C30現(xiàn)澆混凝土梁。錨桿層數(shù)為3層，第1、2層長(zhǎng)18 m，傾角15°、13°；第3層長(zhǎng)21 m，傾角15°，距離地面高度分別為2.5、6 m和9.5 m?；臃?步開(kāi)挖至基底，分步開(kāi)挖深度分別為3、3.5、3.5 m和2.8 m。每層開(kāi)挖預(yù)留0.5 m作為錨桿的施工作業(yè)面，每開(kāi)挖一層后緊接進(jìn)行該層的錨桿施工，盡量減少土體無(wú)約束應(yīng)力釋放的時(shí)間?；娱_(kāi)挖示意見(jiàn)圖1。

圖1　基坑開(kāi)挖示意

根據(jù)軟土深基坑開(kāi)挖揭露地層情況，基坑側(cè)壁地層主要分布為：①雜填土1.7 m；②粉土夾粉質(zhì)粘土2.2 m；③粉質(zhì)粘土與粉砂互層8.0 m；④1～④4粉砂層分別為2.8、2.0、9.0 m和2.7 m；⑤淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層1.6 m；⑥1～⑥2粉質(zhì)粘土層分別為5.6、4.4 m。該工程場(chǎng)地平均地下水埋深約為2 m，屬軟土基坑支護(hù)范疇。各土層物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1土體物理力學(xué)參數(shù)

層號(hào)層度/m壓縮模量/MPa剪切模量/MPa粘聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)①1.76.72.535②2.214.55.4523③8.013.35.92411④12.810.76.3—24④22.010.56.5—21④39.010.26.0—26④42.710.46.2—22⑤1.614.06.13820⑥15.612.66.43516⑥24.412.46.73118

2　數(shù)值分析

2.1計(jì)算模型及參數(shù)

采用FLAC3D數(shù)值軟件進(jìn)行計(jì)算。考慮到基坑近似于對(duì)稱結(jié)構(gòu)，計(jì)算范圍取整體工程的1/4建模，為均勻土體。參照類似基坑計(jì)算得知，基坑開(kāi)挖的影響范圍一般為開(kāi)挖深度的2～3倍，基坑模型尺寸為80.0 m×100.0 m×40.0 m(長(zhǎng)×寬×高)。采用彈塑性模型進(jìn)行計(jì)算分析，采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則。模型上部設(shè)定為自由面，依靠土體自身重力，不考慮地下水的影響。排樁均用Pile結(jié)構(gòu)單元模擬，排樁間的冠梁及連系梁均采用Beam單元來(lái)模擬，錨桿采用Cable單元模擬。模型中，前后排樁、冠梁、連系梁均采用C30混凝土，彈性模量為30.5 GPa，抗壓極限強(qiáng)度為21 MPa，彎曲抗壓極限強(qiáng)度為23 MPa，抗拉極限強(qiáng)度為2.1 MPa。計(jì)算模型共有32 400個(gè)實(shí)體單元，36 554個(gè)實(shí)體單元節(jié)點(diǎn)。

2.2模擬開(kāi)挖方案

為使模擬和實(shí)際工程開(kāi)挖支護(hù)過(guò)程更為接近，本模型分4步開(kāi)挖至基底，第1步開(kāi)挖3 m，隨后立即施加錨桿預(yù)應(yīng)力，求解至平衡狀態(tài)后進(jìn)行第2步開(kāi)挖3.5 m，依次進(jìn)行第3、4步開(kāi)挖，在第3步開(kāi)挖后施加最后1層錨桿預(yù)應(yīng)力。模擬開(kāi)挖過(guò)程見(jiàn)圖2。

圖2　模擬開(kāi)挖模型

3　數(shù)值計(jì)算結(jié)果與分析

3.1前后排樁彎矩對(duì)比

支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化隨基坑開(kāi)挖深度的增加處于動(dòng)態(tài)的變化過(guò)程，前后排樁樁身內(nèi)力隨開(kāi)挖深度的增加表現(xiàn)出各自不同的特點(diǎn)。前后排樁隨基坑分步開(kāi)挖時(shí)樁身彎矩見(jiàn)圖3。

從圖3可知，每步開(kāi)挖后，前排樁出現(xiàn)2次反彎點(diǎn)，第1次出現(xiàn)在樁頂以下2 m處，第2次出現(xiàn)在基底處。隨著開(kāi)挖深度的增加彎矩逐漸增大，變化幅度較為明顯。從第4步開(kāi)挖可以明顯看出，在每層錨桿位置附近，彎矩值發(fā)生了回縮，對(duì)彎矩整體的改變較為明顯；前2步開(kāi)挖也可看出錨桿作用力對(duì)樁身彎矩的影響，對(duì)樁身受力性能的改善作用較為明顯。與前排樁不同，后排樁出現(xiàn)了3次反彎點(diǎn)。第1次同樣出現(xiàn)在樁頂以下2 m處左右，第2次出現(xiàn)在樁中心位置，第3次出現(xiàn)在基底以上。每步開(kāi)挖后彎矩逐漸增大，但幅度較為緩和，并沒(méi)有發(fā)生回縮，說(shuō)明錨桿作用對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響只作用在前排樁上。

圖3　分步開(kāi)挖樁身彎矩

3.2支護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形

隨基坑分步開(kāi)挖，前后排樁水平位移階段性增長(zhǎng)，雙排樁-錨耦合支護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形情況見(jiàn)圖4。

圖4　分步開(kāi)挖樁身水平位移

從圖4可知，前排樁的最大水平位移出現(xiàn)在其中上部，約在樁長(zhǎng)8 m處，在第4步開(kāi)挖時(shí)最大水平變形值約32.4 mm；樁長(zhǎng)小于8 m時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形與開(kāi)挖深度呈現(xiàn)正相關(guān)，顯著性較高；樁長(zhǎng)為8～16 m時(shí)，其水平變形與開(kāi)挖深度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，顯著性較高；樁長(zhǎng)為16～20 m時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移基本趨于穩(wěn)定狀態(tài)，均在10 mm以內(nèi)。后排樁的最大水平位移出現(xiàn)在其頂部，約23.6 mm；樁長(zhǎng)為0～16 m時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形與開(kāi)挖深度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，第2、3、4步開(kāi)挖顯著性突出，第1步開(kāi)挖顯著性較弱；樁長(zhǎng)為16～20 m時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移基本趨于穩(wěn)定，均在8.0 mm以內(nèi)，滿足實(shí)際施工安全要求。

3.3前后排樁水平變形對(duì)比

為深入研究前后排樁與開(kāi)挖深度的協(xié)調(diào)變形情況，對(duì)不同開(kāi)挖深度下前后排樁的水平變形進(jìn)行比較分析。分步開(kāi)挖前后排樁的水平變形見(jiàn)圖5。

圖5　分步開(kāi)挖前后排樁水平位移

從圖5可知，前后排樁樁頂水平位移幾乎相同，說(shuō)明這種門式剛架結(jié)構(gòu)具有較好的整體性，連系梁發(fā)揮了很好的協(xié)同作用，帶動(dòng)前后排樁協(xié)同受力；前排樁最大水平位移隨開(kāi)挖深度的增加由中部向上移動(dòng)，穩(wěn)定在距樁頂8 m處，此時(shí)與后排樁最大水平位移差約為10 mm，說(shuō)明樁頂連系梁和錨桿均對(duì)前排樁的側(cè)移產(chǎn)生了很好的限制作用；后排樁的最大水平位移發(fā)生在樁頂，隨開(kāi)挖的進(jìn)行逐漸減小直至趨于穩(wěn)定，與單純雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)后排樁的變化規(guī)律相似，說(shuō)明耦合結(jié)構(gòu)錨桿的作用對(duì)后排樁側(cè)移的影響不大；基坑完成第2步開(kāi)挖時(shí)，前排樁位移已經(jīng)接近最大值，此時(shí)后排樁的側(cè)移仍很??；基坑開(kāi)挖至基底，后排樁的位移變化始終滯后于前排樁，表明前排樁先于后排樁發(fā)揮作用。前后排樁位移變化趨勢(shì)大致相同，表明前后排樁已協(xié)同工作。在傳統(tǒng)的雙排樁結(jié)構(gòu)中，后排樁的滯后現(xiàn)象更加明顯，可見(jiàn)增加錨桿后的耦合結(jié)構(gòu)對(duì)于控制側(cè)移效果更好。當(dāng)基坑開(kāi)挖至基底時(shí)，仍存在一定位移，但數(shù)值很小并逐漸趨于穩(wěn)定，說(shuō)明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)較為合理，沒(méi)有出現(xiàn)樁底嵌固長(zhǎng)度不足的現(xiàn)象，也沒(méi)有樁長(zhǎng)浪費(fèi)。

4　與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

在本基坑?xùn)|側(cè)雙排樁耦合支護(hù)結(jié)構(gòu)施工區(qū)域，施工過(guò)程中每隔20 m在前后排樁中分別布設(shè)1根全長(zhǎng)20 m的測(cè)斜管，對(duì)其水平位移進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。提取第2、4步開(kāi)挖完成后水平位移監(jiān)測(cè)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較(見(jiàn)圖6)。

圖6　前后排樁位移計(jì)算值和實(shí)測(cè)值對(duì)比

從圖6可知，實(shí)際監(jiān)測(cè)值與數(shù)值計(jì)算結(jié)果存在一定差距，但整體變化趨勢(shì)相同，最大水平變形差約10 mm，滿足實(shí)際施工變形控制的精度要求，說(shuō)明模型的建立和參數(shù)的選取較為合理，數(shù)值計(jì)算具有較高的可靠性。前后排樁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)初始水平變形幾乎相等，這與數(shù)值計(jì)算結(jié)果相吻合。基坑初始開(kāi)挖時(shí)的監(jiān)測(cè)值均高于模擬計(jì)算結(jié)果，主要是因數(shù)值計(jì)算時(shí)假設(shè)基坑開(kāi)挖后立即安裝預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)，而在實(shí)際工程中需要等面層達(dá)到一定強(qiáng)度后才能進(jìn)行錨桿及腰梁施工，待混凝土達(dá)到抗拉拔強(qiáng)度要求后才可施加預(yù)應(yīng)力，一般需要7～10 d的間隔。在此過(guò)程中，土體仍在應(yīng)力釋放，產(chǎn)生位移，故實(shí)際水平位移略大于模擬計(jì)算位移十分合理。

5　結(jié)　論

基于數(shù)值軟件FLAC3D，對(duì)軟土深基坑雙排樁-錨耦合支護(hù)結(jié)構(gòu)支護(hù)效果進(jìn)行數(shù)值分析，并與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較分析。得到主要結(jié)論：

(1)前排樁的最大水平變形位于其中上部，約在樁長(zhǎng)8 m的位置處，第4步開(kāi)挖時(shí)最大水平變形約32.4 mm；樁長(zhǎng)小于8 m時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形與開(kāi)挖深度呈現(xiàn)正相關(guān)；樁長(zhǎng)為8～16 m時(shí)，其水平變形與開(kāi)挖深度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。

(2)后排樁的最大水平變形位于其頂部，約23.6 mm；樁長(zhǎng)小于16 m時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形與開(kāi)挖深度呈負(fù)相關(guān)；樁長(zhǎng)為16～20 m時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形趨于穩(wěn)定，均在8.0 mm以內(nèi)，均滿足施工控制精度要求。

(3)耦合結(jié)構(gòu)的樁身彎矩和單純雙排樁結(jié)構(gòu)有著明顯的差別。單純的雙排樁結(jié)構(gòu)樁身彎矩變化幅度較大，而耦合結(jié)構(gòu)由于錨桿和連系梁的協(xié)同作用，結(jié)構(gòu)受力更均衡，對(duì)其工作性能的改善較為明顯，耦合結(jié)構(gòu)具有優(yōu)越性。

(4)數(shù)值計(jì)算與監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，雙排樁-錨耦合支護(hù)方法能有效地控制軟土深基坑開(kāi)挖卸荷產(chǎn)生的水平變形，且耦合支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特性良好。

[1]解磊， 董禮. 深基坑放坡-樁錨聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)及數(shù)值模擬[J]. 沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào)： 自然科學(xué)版， 2015， 31(2)： 228- 235．

[2]丁智， 王達(dá)， 王金艷， 等. 浙江地區(qū)軟弱土深基坑變形特點(diǎn)及預(yù)測(cè)分析[J]. 巖土力學(xué)， 2015， 36(S1)： 506- 512．

[3]劉杰， 姚海林， 任建喜. 地鐵車站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬[J]. 巖土力學(xué)， 2010， 31(S2)： 456- 461．

[4]王鴻運(yùn)， 姚小波， 張堯， 等. 基于雙排樁和錨索支護(hù)基坑開(kāi)挖監(jiān)測(cè)分析[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)， 2014， 36(S2)： 446- 450．

[5]岳大昌， 李明， 廖心北， 等. 膨脹土基坑復(fù)合土釘墻試驗(yàn)研究[J]. 四川建筑科學(xué)研究， 2015， 41(1)： 184- 186．

[6]許海勇， 陳龍珠， 劉全林. 樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的簡(jiǎn)化算法[J]. 巖土力學(xué)， 2013， 34(8)： 2323- 2328．

[7]李華偉， 聶慶科. 深基坑開(kāi)挖過(guò)程中樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)變形和受力狀態(tài)演化過(guò)程[J]. 煤炭學(xué)報(bào)， 2011， 36(S2)： 315- 320．

[8]張智浩， 馬凜， 韓曉猛， 等. 季節(jié)性凍土區(qū)深基坑樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)凍脹變形控制研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)， 2012， 34(S1)： 65- 71．

[9]王昱蘅， 董必昌， 馮曉臘， 等. 雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)受力參數(shù)影響分析[J]. 科技導(dǎo)報(bào)， 2009， 27(14)： 64- 68．

[10]程少彬. 軟土地區(qū)雙排樁支護(hù)模型在SAP2000中的實(shí)現(xiàn)和討論[J]. 建筑科學(xué)， 2015， 31(3)： 86- 92．

[11]周鵬華， 黃曉程. 雙排樁受力變形規(guī)律及影響因素有限元分析[J]. 施工技術(shù)， 2015， 44(11)： 96- 100．

[12]周冠南. 軟弱地層深基坑開(kāi)挖時(shí)空效應(yīng)分析及控制[J]. 地下空間與工程學(xué)報(bào)， 2014， 10(z1)： 1653- 1658．

[13]趙杰， 鄧林艷， 劉道勇. 地下水基坑預(yù)應(yīng)力錨桿復(fù)合土釘支護(hù)的穩(wěn)定性[J]. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)： 自然科學(xué)版， 2015， 34(7)： 826- 831．

[14]黃韜. 深圳濱海軟土地區(qū)深基坑雙排樁支護(hù)研究[D]. 南寧： 廣西大學(xué)， 2012．

(責(zé)任編輯楊健)

Study of Double-row Piles with Anchor Coupling Support for Deep Foundation in Soft Soil

WANG Zhanwu

(Liaoning Provincial College of Communications, Shenyang 110122, Liaoning, China)

The double-row piles with anchor coupling support for a deep foundation pit in soft soli is analyzed by using FLAC3D. The deformation characteristic of composite support structure is numerically analyzed and compared with field monitoring. The results show that, (a) the maximum horizontal deformation of front row is at the position of 8 m of pile, the connection between horizontal deformation and excavating depth is positive correlation when the length of pile is less than 8 m, but the connection between horizontal deformation and excavating depth is negative correlation within the scope of 8- 16 m of pile length; and (b) the maximum horizontal deformation of back row is at the top of pile with a maximum distance of 23.6 mm, and the connection between horizontal deformation and excavating depth is negative correlation when the length of pile is less than 16 m. The calculation results reveal that the application of double-row piles with anchor composite structure in deep foundation pit excavation is feasible．

soft soil deep foundation pit; double-row piles with anchor support structure; FLAC3D; deformation; monitoring

2016- 01- 04

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51504125)

王占武(1975—)，男，黑龍江明水人，講師，主要從事巖土工程和測(cè)量教學(xué)工作．

TU473

A

0559- 9342(2016)05- 0085- 05