許 昭

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,陜西 西安 710043)

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北京某深基坑樁錨支護(hù)體系穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究

許 昭

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,陜西 西安 710043)

對(duì)北京市某自來水搶險(xiǎn)中心地下工程進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，并通過FLAC3D建立了數(shù)值計(jì)算模型，采用Cable單元模擬錨桿，Beam及Pile分別模擬腰梁及支護(hù)樁，分析得出了不同施工階段下基坑側(cè)壁位移、樁頂位移及錨桿軸力的變化規(guī)律,可為類似基坑工程提供參考。

基坑，樁錨支護(hù)，數(shù)值模擬，穩(wěn)定性

0 引言

隨著城市地下工程的增多，如何有效地利用這些地下空間引起了人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注。地下空間的利用也從最早的防空工程發(fā)展成地下停車場(chǎng)、地下超市、車站等。地下空間工程的規(guī)模也隨經(jīng)濟(jì)發(fā)展越來越大，地下空間的開發(fā)利用越來越受到重視，極大地推動(dòng)了基坑工程理論與技術(shù)水平的快速發(fā)展，然而基坑尺度的大深化、變形控制的嚴(yán)格化、支護(hù)形式的多樣化及場(chǎng)地工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、基坑周邊環(huán)境等因素使基坑支護(hù)的難度越來越大，因此基坑工程具有較大的風(fēng)險(xiǎn)性，對(duì)設(shè)計(jì)、施工和管理的各個(gè)環(huán)節(jié)提出了更高的要求[1-5]。張欽喜等[6]學(xué)者結(jié)合工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及土壓力反分析驗(yàn)證了其提出的土壓力反算的可行性；文獻(xiàn)[7]以實(shí)際工程為背景，通過數(shù)值模擬對(duì)深基坑支護(hù)樁水平位移及樁頂位移進(jìn)行分析，及時(shí)提前預(yù)警，以達(dá)到安全、高效、經(jīng)濟(jì)的施工目的。

1 深基坑工程概況及地質(zhì)條件

1.1 工程地質(zhì)條件

北京市自來水搶險(xiǎn)中心地基基礎(chǔ)工程位于北京市四季青鎮(zhèn)，最高地下水位標(biāo)高為27.2 m左右，擬建基坑地下水位埋藏較深，可不考慮其水質(zhì)對(duì)擬建建筑物基礎(chǔ)的腐蝕問題。勘探22 m范圍分布土層主要分為三大類：人工堆積層、新近沉積層及第四紀(jì)沉積層。人工堆積層為碎石素填土①層和人工堆積的房渣土，有機(jī)質(zhì)粘土素填土、粉質(zhì)粘土素填土、粘質(zhì)粉土素填土①層及有機(jī)質(zhì)重粉質(zhì)粘土素填土①層。新近沉積層細(xì)分為重粉質(zhì)粘土、粘土②層，粉質(zhì)粘土、粘質(zhì)粉土②層及砂質(zhì)粉土、粘質(zhì)粉土②層；卵石、圓礫③層及細(xì)砂、中砂③層。第四紀(jì)沉積層分布于新近沉積層之下，為一般第四紀(jì)沉積之卵石④層，砂質(zhì)粉土、粘質(zhì)粉土④層及粉質(zhì)粘土、粘質(zhì)粉土④層；卵石⑤層及中砂⑤層；粉質(zhì)粘土、粘質(zhì)粉土

⑥層，砂質(zhì)粉土⑥層，中砂⑥層及卵石⑥層。

1.2 支護(hù)方案

基坑采用鉆孔灌注樁加錨桿支護(hù)方式，樁徑0.8 m，樁間距1.6 m，樁長(zhǎng)16.8 m，嵌固深度5.2 m，樁頂標(biāo)高53.4 m，樁配主筋1522，箍筋φ8@200，加強(qiáng)筋16@2 000連梁主筋822,216，箍筋φ6.5@200，有φ8@400鋼筋鉤。連梁尺寸為0.9 m×0.6 m，樁/連梁混凝土強(qiáng)度為C25；預(yù)應(yīng)力錨桿采用鋼絞線，自由段長(zhǎng)度7 m，錨固段長(zhǎng)度15 m，鎖定錨固力340 kN。

2 FLAC3D數(shù)值模擬

2.1 模型的建立

本文選擇基坑?xùn)|南側(cè)鄰近建筑物部分的基坑進(jìn)行數(shù)值模擬分析。同時(shí)，為保證模擬效果，模型還應(yīng)該足夠大，根據(jù)基坑開挖11.4 m，設(shè)定模型高度為20 m，根據(jù)最長(zhǎng)錨桿長(zhǎng)度為22 m，設(shè)定模型長(zhǎng)度為50 m，并設(shè)定模型寬度為13 m，以消除邊界條件的影響。此模型范圍涵蓋42根雙排樁，8根單排樁，62根錨桿，支護(hù)結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

模型由27 895個(gè)節(jié)點(diǎn),24 320個(gè)單元體所組成。共分三步進(jìn)行開挖，第一步,第二步分別挖3.5 m，第三步挖4.4 m。詳細(xì)土層物理指標(biāo)及支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1～表3。

表1 土層參數(shù)

表2 護(hù)坡樁參數(shù)

表3 預(yù)應(yīng)力錨桿參數(shù)

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

1)基坑水平位移分析。從圖2可以看出：a.隨著基坑不斷挖深，基坑的水平位移及其影響范圍逐漸增大且位移均指向基坑內(nèi)部。第三次開挖時(shí)水平位移的數(shù)值達(dá)到最大16 mm，符合規(guī)范要求。b.從坡頂邊緣沿基坑側(cè)壁向下，基坑四周土體的水平位移值不斷減小。因?yàn)榛悠马敒槿斯ざ逊e層，而往下走為卵石層，人工堆積層物理力學(xué)性質(zhì)較差，導(dǎo)致坡頂水平位移值大于基坑下側(cè)水平位移值。c.從基坑坡頂邊緣向外，水平位移值漸漸變小，表明臨空面?zhèn)葦_動(dòng)大。d.基坑開挖會(huì)對(duì)基底下方區(qū)域產(chǎn)生影響，尤其是第一次開挖時(shí)影響更明顯。

2)基坑豎向位移分析。對(duì)近幾年來基坑失穩(wěn)破壞的案例進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，基坑水平位移是導(dǎo)致基坑失穩(wěn)的一個(gè)重要因素，因此，在基坑數(shù)值模擬計(jì)算中，對(duì)基坑水平位移的研究是很有必要的。通過基坑水平位移云圖可得，基坑各施工工序進(jìn)行時(shí)周圍土體水平位移量的大小及影響范圍，并對(duì)變形較大的工序施工予以重視，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，對(duì)于變形較大的地方施工時(shí)可適當(dāng)增加樁錨密度等，從而為基坑的施工提供一定幫助。

由圖3可以看出：a.三次開挖產(chǎn)生基底隆起最大值依次為7 mm,14 mm,17.5 mm，且發(fā)生在基坑的中間部位，開挖產(chǎn)生的應(yīng)力釋放是影響基底隆起的主要因素。b.基底平面處隆起值最大，且離基底處越遠(yuǎn)隆起值越小。c.基坑沉降的最大值為第三次開挖時(shí)的5.74 mm，沉降值極值發(fā)生在離基坑側(cè)面一定距離處。

3)護(hù)坡樁水平位移分析?；硬粩嚅_挖，護(hù)坡樁受到的土壓力逐漸增加，必然引發(fā)樁體發(fā)生水平位移和變形，當(dāng)變形大到一定程度后支護(hù)結(jié)構(gòu)就會(huì)失穩(wěn)破壞且易造成安全事故，所以對(duì)護(hù)坡樁在開挖過程中的變形進(jìn)行研究是必要的。

從圖4可以得出：a.整體而言，護(hù)坡樁水平位移隨開挖深度的增大而單調(diào)遞增；b.第一步開挖進(jìn)行時(shí)，護(hù)坡樁的水平位移突然增大，最大位移達(dá)到5 mm，第二、三次開挖時(shí)位移也是突然增大；c.當(dāng)每次施加錨桿工序完成時(shí)，樁頂水平位移均有所回彈，這說明了預(yù)應(yīng)力錨桿起了作用。

4)錨桿軸力分析。該基坑工程施加了兩排預(yù)應(yīng)力錨桿，分三次開挖，圖5為第一排，第二排錨桿隨基坑開挖而產(chǎn)生的軸力變化圖。

從圖5可以看出：a.錨桿在張拉鎖定后，隨著基坑不斷開挖，土體發(fā)生卸荷作用及相對(duì)位移，形成摩擦力并傳給錨桿，所以作用于錨桿的拉力逐漸增大，逐步發(fā)揮了作用；b.在施加第二道錨桿后，第一道錨桿軸力有所減小，可能是因?yàn)榈诙厘^桿承擔(dān)了部分土壓力；c.隨著開挖的進(jìn)行，錨桿所承受的拉力逐步趨于穩(wěn)定，F(xiàn)LAC3D數(shù)值模擬對(duì)基坑工程的施工具有指導(dǎo)意義。

3 結(jié)論

本文結(jié)合北京市自來水搶險(xiǎn)中心深基坑支護(hù)項(xiàng)目，應(yīng)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)基坑開挖和支護(hù)過程進(jìn)行分析，探討了基坑位移、樁頂位移及預(yù)應(yīng)力錨桿軸力隨基坑開挖的變形情況，主要結(jié)論總結(jié)如下：

1)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形量都在警戒值范圍內(nèi)，在基坑地板施工完成后，變形量明顯減小，且變形趨于穩(wěn)定。2)基坑水平位移隨著基坑開挖深度的增加而增大，在第三次開挖時(shí)水平位移達(dá)到最大；基底隆起最大值發(fā)生在基坑中間部位，沉降最大值出現(xiàn)在離基坑側(cè)面一定距離處，且由于數(shù)值模擬時(shí)未考慮時(shí)間效應(yīng)，隆起值明顯比沉降值要大的多；樁頂水平位移在每次開挖時(shí)均會(huì)突然增大，且在每次施加預(yù)應(yīng)力錨桿時(shí)位移值均會(huì)有所回彈；在施加第二道錨桿后第一道錨桿的軸力值有所減小。

[1] 陳 娟.基坑樁錨支護(hù)體系現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究[D].長(zhǎng)沙:中南大學(xué),2008.

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[5] 王立明,高廣運(yùn),郭院成.單支點(diǎn)樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)移計(jì)算[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2005,1(4):510-513.

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The numerical simulation of pile-anchor system in deep foundation pit of Beijing rescue center

Xu Zhao

(ChinaRailwayFirstSurvey&DesignInstituteGroupCo.,Ltd,Xi’an710043,China)

This paper monitored the underground engineering of a tap water rescue center in Beijing, and through the FLAC3D established the numerical calculation model, using Cable element simulation bolt, Beam and Pile respectively simulation material requirements and retaining pile, analyzed and gained the variation of foundation pit side wall displacement, pile top displacement anchor axial force calculation, could provide reference for similar foundation pit engineering.

foundation pit, pile anchor support, numerical simulation, stability

1009-6825(2017)07-0047-03

2016-12-25

許 昭(1979- )，男，工程師

TU463

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