郭玉君 王 雷 劉 帆

(1.江蘇南京地質(zhì)工程勘察院，江蘇 南京 210041; 2.江蘇省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司,江蘇 南京 210019)

基坑工程樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)受力性能數(shù)值分析

郭玉君1王 雷2劉 帆1

(1.江蘇南京地質(zhì)工程勘察院，江蘇 南京 210041; 2.江蘇省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司,江蘇 南京 210019)

目前樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)常用于基坑工程中，但其受力分析并不完善,結(jié)合實(shí)際工程案例，應(yīng)用FLAC3D軟件分析樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)中錨桿和支護(hù)樁的受力，模擬基坑開(kāi)挖過(guò)程中位移、沉降、坑底回彈及支護(hù)樁受力情況，可為今后類似工程提供借鑒。

樁錨支護(hù)，數(shù)值分析，支護(hù)結(jié)構(gòu)受力，水平位移

0 引言

錨桿作為一種支護(hù)形式用于基坑工程已近五十年。其與內(nèi)支撐的支護(hù)形式相比，坑內(nèi)土方開(kāi)挖空間開(kāi)闊，施工效率高，工程質(zhì)量有保障，被廣泛地應(yīng)用于基坑支護(hù)工程中[1,2]。錨桿結(jié)合排樁的支護(hù)方式可有效控制基坑水平位移，確?；蛹爸?chē)ㄖ锖偷叵鹿芫€的安全，亦大量的應(yīng)用于基坑支護(hù)工程中[3]。

目前對(duì)于樁錨支護(hù)的深基坑，設(shè)計(jì)計(jì)算尚未完全成熟，存在若干問(wèn)題。韓軍等[4]分析了這些問(wèn)題，并提出一些有益的處理措施。陶西貴等[5]現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)了樁錨支護(hù)的水平位移、錨桿軸力以及支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力等，得出了有益的結(jié)論。張欽喜等[6]對(duì)錨桿受力進(jìn)行原位測(cè)試，研究分析了土壓力的分布規(guī)律，并采用數(shù)值分析方法進(jìn)行了擬合驗(yàn)證，證明計(jì)算方式的正確性。賈金青等[7]采用FLAC程序?qū)舆M(jìn)行了數(shù)值模擬分析，得出了不同錨桿預(yù)應(yīng)力大小對(duì)基坑塑性區(qū)和變形的影響，實(shí)際監(jiān)測(cè)最大水平位移與數(shù)值模擬值整體上比較吻合。武崇福等[8]運(yùn)用有限差分法，采用FLAC3D軟件建立了深基坑樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的模型，并對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)中錨桿的內(nèi)力與變形進(jìn)行數(shù)值模擬。分析結(jié)果表明:理論計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與數(shù)值模擬得到的結(jié)果基本吻合。黃敏等[9]針對(duì)典型樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)型式的土巖組合基坑，通過(guò)有限元模擬，在地表沉降模式、灌注樁的嵌巖比、基坑開(kāi)挖影響范圍、地表沉降與樁體水平位移的關(guān)系等方面得到了一些定性和定量的基本規(guī)律。

雖然上述三種計(jì)算方式中，數(shù)值方法能更全面的反映實(shí)際工程情況，但基坑開(kāi)挖是變化過(guò)程，具有多種影響因素。數(shù)值分析計(jì)算模型的建立與基坑周?chē)h(huán)境及土層力學(xué)參數(shù)的選擇，以及計(jì)算產(chǎn)生的小誤差，使數(shù)值分析結(jié)果類似。支護(hù)樁、錨桿與地層土體互相作用的難題，通常是因?yàn)楸緲?gòu)模型和地質(zhì)參數(shù)的選取不符合實(shí)際而出現(xiàn)病結(jié)論。若數(shù)值分析法用于指導(dǎo)實(shí)際工程支護(hù)方案設(shè)計(jì)，我們還需做很多研究性工作。本文分析了樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)中錨桿和支護(hù)樁的受力,通過(guò)基坑開(kāi)挖各工況數(shù)值分析，得到一些有益的數(shù)據(jù)，值得設(shè)計(jì)同行參考。

1 樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)值模型簡(jiǎn)介

將基坑土方分3層卸土至11.0 m。第1層卸土至-3.5 m，第2層卸土至-8.0 m、第2層卸土至坑底。建立長(zhǎng)100 m，高45 m的模型，模擬用平面應(yīng)變法。采用Mohr-Coulomb土體破壞準(zhǔn)則。錨桿長(zhǎng)度取10 m,12 m,14 m，傾角取10°，15°，20°三個(gè)角度，分析基坑開(kāi)挖過(guò)程中樁身軸力、彎矩變化情況，錨桿抗力、基坑位移和坑底回彈情況。

錨桿外徑150 mm，截面面積17 673 mm2，彈性模量200 GPa，泊松比0.26，內(nèi)摩擦角28°，砂漿粘結(jié)力17.5 kPa，粘結(jié)剛度1.1×109N/m2。水平向粘結(jié)力1.75×105N/m，水平向粘結(jié)剛度1.0×109N/m2，水平向摩擦角30°，垂直向粘結(jié)力1.85×108N/m，垂直向粘結(jié)剛度1.2×109N/m2，E=39.0 GPa；v=0.30。土體容重19.7 kN/m3，內(nèi)摩擦角23°，彈性模量20.5 MPa，泊松比0.25，粘聚力30.0 kPa。

2 樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)受力數(shù)值分析

2.1錨桿受力數(shù)值分析

圖1顯示錨桿傾角為15°時(shí)，軸向錨固力沿長(zhǎng)度方向的變化情況。

圖2為12 m錨桿在傾角15°時(shí)，上下2層錨桿受力情況。由圖2可以看出下層錨桿的貢獻(xiàn)力加大。

2.2支護(hù)樁受力數(shù)值分析

圖3為錨桿傾角15°不同長(zhǎng)度時(shí)，支護(hù)樁的內(nèi)力變化情況。圖3a)中顯示，支護(hù)樁軸向壓力最大值發(fā)生在離坑頂一倍基坑挖深范圍處，然后又逐漸縮小。而錨桿長(zhǎng)度變化對(duì)樁身受力影響不大。

圖3b)顯示了樁身彎矩受不同錨桿長(zhǎng)度的影響，彎矩先沿樁體逐步增大，彎矩最大值在離樁頂約9.0 m～10.0 m處，然后又開(kāi)始降低，支錨長(zhǎng)度的增加使樁身反彎點(diǎn)稍微下移。

模擬中錨桿取14.0 m，從圖4a)看出，在離樁頂約1倍基坑挖深位置處樁身軸力達(dá)到最大值，然后又急劇下降；從圖4b)看出，約于樁身9 m～10.0 m處支護(hù)樁剪力出現(xiàn)正負(fù)轉(zhuǎn)變，傾角變化對(duì)樁身剪力影響較??；從圖4c)看出，支護(hù)樁彎矩變化趨勢(shì)同支護(hù)樁軸力。

2.3開(kāi)挖過(guò)程中支護(hù)樁受力分析

圖5為基坑開(kāi)挖過(guò)程中，支護(hù)樁樁身內(nèi)力變化情況。如圖5a)所示，剛開(kāi)挖時(shí)，因錨桿對(duì)支護(hù)樁拉力大于土壓力，樁身承受拉力，隨著開(kāi)挖深度加大，樁身力模型發(fā)生變化。從圖5b)看出，支護(hù)樁剪力分布雜亂規(guī)律難尋。從圖5c)看出，卸土至坑底時(shí)，彎矩急劇增大，且有反彎點(diǎn)，表明卸土至坑底時(shí)，基坑開(kāi)挖涉及的幾種參數(shù)變化較大，這與工程實(shí)際相符。

2.4基坑水平位移分析

圖6為開(kāi)挖過(guò)程中基坑水平位移變化情況，圖6顯示，隨著基坑開(kāi)挖深度的增加，二道錨桿的施工，基坑在開(kāi)挖到底時(shí)，基坑水平位移值達(dá)到最值。

2.5基坑頂部沉降分析

基坑頂?shù)某两登€如圖7所示，圖7顯示，隨著基坑開(kāi)挖深度的增加，基坑在開(kāi)挖到底時(shí)，基坑坡頂沉降量達(dá)到最值，這個(gè)最值出現(xiàn)在距基坑1/2挖深處。

2.6基坑底部回彈變形分析

圖8為基坑坑底回彈變量圖，從圖8得出：在基坑開(kāi)挖深度范圍內(nèi)，距離坑邊越遠(yuǎn)反而回彈量越大。

3 結(jié)語(yǔ)

1)同一基坑，錨桿長(zhǎng)度增大，支護(hù)樁樁身所受的軸向壓力減小，剪力變化復(fù)雜，彎矩變化較顯著，表明基坑深度增加，對(duì)基坑穩(wěn)定性影響增大。

2)基坑圈梁頂是基坑最大水平值發(fā)生處，開(kāi)挖深度越大水平位移也加大；隨基坑開(kāi)挖深度增加，基坑坡頂部沉降量出現(xiàn)最值，出現(xiàn)在距基坑1/2挖深處；隨著基坑開(kāi)挖深度增加基坑底部回彈變形逐漸增大?；娱_(kāi)挖面以內(nèi)，離坑邊越遠(yuǎn)回彈變形越大。

3)通過(guò)本文有限差分計(jì)算方法得出，數(shù)值模擬可以很好的分析錨樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力，在土質(zhì)參數(shù)較好的基坑設(shè)計(jì)中可做良好的方案選擇。

[1] 劉國(guó)斌,王衛(wèi)東.基坑工程手冊(cè)[M].第2版.北京:建筑工業(yè)出版社,2009:21-25.

[2] 劉贊玉.錨桿支護(hù)在深基坑開(kāi)挖中的應(yīng)用[J].建筑結(jié)構(gòu),2003,33(8):54-56.

[3] 檀西樂(lè),鞏玉志,趙占山.樁錨支護(hù)體系在深基坑工程中的應(yīng)用[J].工業(yè)建筑,2009,39(sup):772-774.

[4] 韓 軍,張智浩,艾 凱.影響巖土錨固工程安全性的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2006,25(S2):3874-3878.

[5] 陶西貴,譚躍虎.錨拉樁深基坑支護(hù)預(yù)應(yīng)力錨桿的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試研究[J].巖土工程技術(shù),2004,18(2):83-85.

[6] 張欽喜,樊紹峰,王 磊.土城住宅樓工程錨桿拉力監(jiān)測(cè)及數(shù)值模擬分析[J].巖土工程技術(shù),2008,22(2):67-70.

[7] 賈金青,涂兵雄.預(yù)應(yīng)力錨桿柔性支護(hù)法在超深基坑中的實(shí)踐[J].巖土工程學(xué)報(bào),2012,34(sup):350-355.

[8] 武崇福,李長(zhǎng)洪,畢 鑫.深基坑預(yù)應(yīng)力錨桿軸力分布研究[J].建筑結(jié)構(gòu),2011,41(8):134-137.

[9] 黃 敏,劉小麗.土巖組合地區(qū)樁錨支護(hù)基坑開(kāi)挖地表沉降分析[J].巖土工程學(xué)報(bào),2012,34(sup):571-575.

Numericalanalysisofthebehaviorofpile-anchorretainingstructureinfoundationpitengineering

GuoYujun1WangLei2LiuFan1

(1.JiangsuNanjingGeo-EngineeringInvestigationInstitute,Nanjing210041,China;2.JiangsuPosts&TelecommunicationsPlanningandDesigningInstituteCo.,Ltd,Nanjing210019,China)

Pile-anchor structure is often used in the foundation pit engineering, but the stress analysis is not perfect. With an example, applied FLAC3D software to analyze the pile anchor retaining structure anchor and the supporting force of pile, and the simulation of the excavation process, the horizontal displacement of supporting structure of foundation pit, the pit bottom rebound, the top settlement and excavation supporting pile force, provide reference for future similar projects.

pile-anchor support, numerical analysis, behavior of retaining structure, horizontal displacement

TU942

A

1009-6825(2017)26-0081-03

2017-07-05

郭玉君(1983- )，女，工程師