王占武

(遼寧省交通高等?？茖W校，遼寧沈陽110122)

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軟土深基坑雙排樁-錨耦合支護技術(shù)研究

王占武

(遼寧省交通高等?？茖W校，遼寧沈陽110122)

基于數(shù)值軟件FLAC3D，以某軟土深基坑為例，對雙排樁-錨耦合支護進行數(shù)值計算，分析耦合支護結(jié)構(gòu)力學變形特性，并與現(xiàn)場監(jiān)測進行對比分析。計算結(jié)果顯示，前排樁最大水平變形位于樁長8 m處；樁長小于 8 m時，其水平變形與開挖深度呈正相關(guān)；樁長8～16 m時，其水平變形與開挖深度呈負相關(guān)。后排樁最大水平變形位于其頂部，約23.6 mm；樁長小于16 m時，支護結(jié)構(gòu)水平變形與開挖深度呈負相關(guān)。數(shù)值計算表明，在軟土深基坑開挖中，采用耦合支護結(jié)構(gòu)是可行的。

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

0　引　言

隨著地下空間的開發(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，變形過大會影響建筑物的正常使用，甚至導致建筑物結(jié)構(gòu)破壞，造成嚴重的后果[4]。目前，對深基坑多采用放坡-土釘墻支護結(jié)構(gòu)[5]、樁錨支護結(jié)構(gòu)[6- 8]、雙排樁支護結(jié)構(gòu)[9- 11]、錨桿復合土釘支護[12- 14]等支護方法，但對雙排樁-錨耦合支護結(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，對雙排樁-錨耦合支護結(jié)構(gòu)進行研究，分析雙排樁-錨耦合支護結(jié)構(gòu)的力學變形特性。

1　工程概況

某基坑支護工程東側(cè)采用雙排樁+錨桿的耦合支護結(jié)構(gòu)，基坑開挖深度為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18 m，傾角15°、13°；第3層長21 m，傾角15°，距離地面高度分別為2.5、6 m和9.5 m。基坑分4步開挖至基底，分步開挖深度分別為3、3.5、3.5 m和2.8 m。每層開挖預留0.5 m作為錨桿的施工作業(yè)面，每開挖一層后緊接進行該層的錨桿施工，盡量減少土體無約束應力釋放的時間。基坑開挖示意見圖1。

圖1　基坑開挖示意

根據(jù)軟土深基坑開挖揭露地層情況，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。該工程場地平均地下水埋深約為2 m，屬軟土基坑支護范疇。各土層物理力學指標見表1。

表1土體物理力學參數(shù)

層號層度/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計算模型及參數(shù)

采用FLAC3D數(shù)值軟件進行計算。考慮到基坑近似于對稱結(jié)構(gòu)，計算范圍取整體工程的1/4建模，為均勻土體。參照類似基坑計算得知，基坑開挖的影響范圍一般為開挖深度的2～3倍，基坑模型尺寸為80.0 m×100.0 m×40.0 m(長×寬×高)。采用彈塑性模型進行計算分析，采用Mohr-Coulomb屈服準則。模型上部設定為自由面，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，抗壓極限強度為21 MPa，彎曲抗壓極限強度為23 MPa，抗拉極限強度為2.1 MPa。計算模型共有32 400個實體單元，36 554個實體單元節(jié)點。

2.2模擬開挖方案

為使模擬和實際工程開挖支護過程更為接近，本模型分4步開挖至基底，第1步開挖3 m，隨后立即施加錨桿預應力，求解至平衡狀態(tài)后進行第2步開挖3.5 m，依次進行第3、4步開挖，在第3步開挖后施加最后1層錨桿預應力。模擬開挖過程見圖2。

圖2　模擬開挖模型

3　數(shù)值計算結(jié)果與分析

3.1前后排樁彎矩對比

支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化隨基坑開挖深度的增加處于動態(tài)的變化過程，前后排樁樁身內(nèi)力隨開挖深度的增加表現(xiàn)出各自不同的特點。前后排樁隨基坑分步開挖時樁身彎矩見圖3。

從圖3可知，每步開挖后，前排樁出現(xiàn)2次反彎點，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，對彎矩整體的改變較為明顯；前2步開挖也可看出錨桿作用力對樁身彎矩的影響，對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。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。每步開挖后彎矩逐漸增大，但幅度較為緩和，并沒有發(fā)生回縮，說明錨桿作用對支護結(jié)構(gòu)的影響只作用在前排樁上。

圖3　分步開挖樁身彎矩

3.2支護結(jié)構(gòu)水平變形

隨基坑分步開挖，前后排樁水平位移階段性增長，雙排樁-錨耦合支護結(jié)構(gòu)水平變形情況見圖4。

圖4　分步開挖樁身水平位移

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8 m處，在第4步開挖時最大水平變形值約32.4 mm；樁長小于8 m時，支護結(jié)構(gòu)水平變形與開挖深度呈現(xiàn)正相關(guān)，顯著性較高；樁長為8～16 m時，其水平變形與開挖深度呈現(xiàn)負相關(guān)，顯著性較高；樁長為16～20 m時，支護結(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；樁長為0～16 m時，支護結(jié)構(gòu)水平變形與開挖深度呈現(xiàn)負相關(guān)，第2、3、4步開挖顯著性突出，第1步開挖顯著性較弱；樁長為16～20 m時，支護結(jié)構(gòu)水平位移基本趨于穩(wěn)定，均在8.0 mm以內(nèi)，滿足實際施工安全要求。

3.3前后排樁水平變形對比

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

圖5　分步開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，帶動前后排樁協(xié)同受力；前排樁最大水平位移隨開挖深度的增加由中部向上移動，穩(wěn)定在距樁頂8 m處，此時與后排樁最大水平位移差約為10 mm，說明樁頂連系梁和錨桿均對前排樁的側(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，隨開挖的進行逐漸減小直至趨于穩(wěn)定，與單純雙排樁支護結(jié)構(gòu)后排樁的變化規(guī)律相似，說明耦合結(jié)構(gòu)錨桿的作用對后排樁側(cè)移的影響不大；基坑完成第2步開挖時，前排樁位移已經(jīng)接近最大值，此時后排樁的側(cè)移仍很小；基坑開挖至基底，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，可見增加錨桿后的耦合結(jié)構(gòu)對于控制側(cè)移效果更好。當基坑開挖至基底時，仍存在一定位移，但數(shù)值很小并逐漸趨于穩(wěn)定，說明結(jié)構(gòu)設計樁長較為合理，沒有出現(xiàn)樁底嵌固長度不足的現(xiàn)象，也沒有樁長浪費。

4　與監(jiān)測數(shù)據(jù)對比

在本基坑東側(cè)雙排樁耦合支護結(jié)構(gòu)施工區(qū)域，施工過程中每隔20 m在前后排樁中分別布設1根全長20 m的測斜管，對其水平位移進行動態(tài)監(jiān)測。提取第2、4步開挖完成后水平位移監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值計算結(jié)果進行比較(見圖6)。

圖6　前后排樁位移計算值和實測值對比

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

5　結(jié)　論

基于數(shù)值軟件FLAC3D，對軟土深基坑雙排樁-錨耦合支護結(jié)構(gòu)支護效果進行數(shù)值分析，并與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果進行比較分析。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8 m的位置處，第4步開挖時最大水平變形約32.4 mm；樁長小于8 m時，支護結(jié)構(gòu)水平變形與開挖深度呈現(xiàn)正相關(guān)；樁長為8～16 m時，其水平變形與開挖深度呈現(xiàn)負相關(guān)。

(2)后排樁的最大水平變形位于其頂部，約23.6 mm；樁長小于16 m時，支護結(jié)構(gòu)水平變形與開挖深度呈負相關(guān)；樁長為16～20 m時，支護結(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)值計算與監(jiān)測結(jié)果表明，雙排樁-錨耦合支護方法能有效地控制軟土深基坑開挖卸荷產(chǎn)生的水平變形，且耦合支護結(jié)構(gòu)受力特性良好。

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(責任編輯楊健)

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

國家自然科學基金項目(51504125)

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

TU473

A

0559- 9342(2016)05- 0085- 05