王立學(xué)

（甘肅省蘭州市政建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，甘肅蘭州730000）

預(yù)應(yīng)力錨索咬合樁深基坑支護(hù)設(shè)計與施工三維數(shù)值模擬分析

王立學(xué)

（甘肅省蘭州市政建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，甘肅蘭州730000）

以天水市成紀(jì)地下污水處理廠基坑支護(hù)工程為背景，采用三維有限元方法對預(yù)應(yīng)力錨索咬合樁支護(hù)結(jié)構(gòu)及施工過程進(jìn)行了三維數(shù)值模擬分析。首先，考慮各種工況及復(fù)雜環(huán)境，建立三維有限元計算模型，建模時可以依據(jù)等效剛度原則將咬合樁加組合型鋼腰梁共同受力圍護(hù)體系用地下連續(xù)墻替代；其次，分別設(shè)置與實際情況相符的有超挖工況和正常施工的無超挖工況進(jìn)行對比，分析了超挖對圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移、基坑變形及錨索拉力變化帶來的不利影響。研究結(jié)果得到了基坑開挖過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形、彎矩及錨索拉力等數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，對該圍護(hù)型式下的基坑設(shè)計和施工具有一定的參考意義。

咬合樁；預(yù)應(yīng)力錨索；地下連續(xù)墻；數(shù)值分析

0 引言

咬合樁具有施工速度快、安全性高、經(jīng)濟節(jié)約等諸多優(yōu)點[1]。當(dāng)前，在基坑設(shè)計中，咬合樁用作臨時支護(hù)結(jié)構(gòu)時是不考慮素樁對抗彎的作用。廖少明等通過模型試驗和現(xiàn)場試驗證明了咬合樁設(shè)計中應(yīng)考慮素樁對抗彎的貢獻(xiàn)[2]。咬合樁與預(yù)應(yīng)力錨索組合而成的支護(hù)結(jié)構(gòu)更是比樁加鋼支撐等基坑支護(hù)方法在大面積深基坑支護(hù)應(yīng)用時，擁有更多的施工作業(yè)空間。本文所述天水成紀(jì)新城地下凈水廠深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)便采用鉆孔咬合樁加預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)型式?？紤]該工程復(fù)雜的地質(zhì)情況，為獲得深基坑開挖過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力變形、土體變形、滲流等變化規(guī)律，基于三維有限元方法對預(yù)應(yīng)力錨索咬合樁深基坑支護(hù)設(shè)計與施工進(jìn)行數(shù)值計算，以期其分析對該基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工具有一定的指導(dǎo)和參考。

1 工程概況

1.1 工程簡介

天水成紀(jì)新城地下凈水廠工程位于天水市成紀(jì)新城東南角，北臨渭河大橋，東鄰渭河，西臨渭河大橋連接線，南臨藉河。地下凈水廠深基坑呈一近似矩形，長約173.2 m，寬約102.5 m，面積約17 395 m2，基坑周長約537 m，開挖深度約為9～14 m，其平面圖如圖1所示。

圖1 基坑平面圖

1.2 工程水文地質(zhì)概況

天水成紀(jì)新城地下凈水廠施工場地內(nèi)地下水屬第四系孔隙潛水，主要含水層為②層圓礫、③層卵石，水位埋深為7.1～8.5m。土層主要由第四系人工堆積物、第四系沖洪積物，以及第三系中風(fēng)化巖所組成。根據(jù)地質(zhì)勘查報告中各地層變化情況分析并簡化總結(jié)為四層，從上而下依次為粗砂、圓礫、卵石、中風(fēng)化巖，詳細(xì)力學(xué)參數(shù)如表1所列。

1.3 支護(hù)體系

凈水廠基坑支護(hù)主要采用咬合樁加預(yù)應(yīng)力錨索的支護(hù)型式。咬合樁葷素搭配，整個場地內(nèi)分為樁徑1.2 m和樁徑1.0 m兩種，咬合量均為0.3 m。預(yù)應(yīng)力錨索大多數(shù)為4束直徑15.2 mm的鋼絞線，少部分為5束直徑15.2 mm的鋼絞線，處在相同水平層位置的預(yù)應(yīng)力錨索張拉鎖定時，鎖于同一型鋼組合腰梁上。預(yù)應(yīng)力錨索在不同開挖位置處，其排數(shù)、間距各不相同。

表1 各地層力學(xué)參數(shù)表

2 建立數(shù)值模型

2.1 模型簡化

在施工場地內(nèi)，其基坑內(nèi)外均采用降水井降水，只考慮坑內(nèi)外水壓對咬合樁的水平壓力作用，不考慮水的滲流。咬合樁整體受力形式類似地下連續(xù)墻，通過理論計算咬合樁可以等效為具有一定厚度的地下連續(xù)墻。

2.2 計算參數(shù)選取

數(shù)值計算模型中土體均以實體單元來模擬。摩爾-庫倫破壞準(zhǔn)則簡單、準(zhǔn)確，對于巖土材料的適用性最廣泛，故本文中土體材料選取摩爾-庫倫本構(gòu)模型。模型中的錨索單元類型為植入式桁架，材料性質(zhì)為彈性；依據(jù)剛度等效原則，以合理厚度的地下連續(xù)墻模擬咬合樁、冠梁、組合型鋼腰梁共同構(gòu)成的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，單元選為板。

2.3 咬合樁等效為地下連續(xù)墻理論計算

咬合樁受力機理極為復(fù)雜，現(xiàn)行設(shè)計中用作臨時支護(hù)結(jié)構(gòu)時是不考慮素樁的對抗彎的作用，將素樁對抗彎的貢獻(xiàn)作為安全儲備。咬合樁本身是樁墻結(jié)構(gòu)，作為擋土維護(hù)結(jié)構(gòu)受力類似于地下連續(xù)墻，然而因為素樁的存在不能像連續(xù)墻一樣承受很大的橫向分布的彎矩，但腰梁的加入在一定程度上彌補了這一缺陷，因此咬合樁加組合型鋼腰梁共同受力圍護(hù)體系在模擬中可以用地下連續(xù)墻替代。咬合樁轉(zhuǎn)換為地下連續(xù)墻主要依據(jù)是剛度等效原則，咬合樁中素樁的截面慣性矩計算示意圖如圖2所示（I1、I2、I3分別為素樁減去咬合部分、完整葷樁、咬合部分一半的截面慣性矩）。

圖2 素樁慣性矩計算示意圖

式中：R為素樁半徑，a為咬合量，h為咬合面寬度的一半。

式中：D為葷樁直徑。

按等效剛度理論有：

式中：E1I1為素樁減去咬合部分混凝土的抗彎剛度，E2I2為鋼筋混凝土樁抗彎剛度，E3為等效地下連續(xù)墻彈性模量，D為咬合樁直徑，a為咬合量。

將 I1、I2、I3代入式（3），即可求得等效地下連續(xù)墻的厚度t。

2.4 整體模型的建立

依據(jù)該基坑的真實情況，建造模型尺寸取287 m×216 m×50 m，保證了模型邊緣至基坑邊緣的距離在3倍最大開挖深度以上，基坑最低處至模型底部高度在2.5倍最大開挖深度以上。圍護(hù)體系和開挖全部完成的三維計算模型分別如圖3、圖4所示。

圖3 圍護(hù)體系模型

圖4 開挖完成模型

2.5 工況模擬

實際現(xiàn)場施工的程序極其復(fù)雜，數(shù)值模擬軟件是難以模擬施工全部情況的，因此將工況適當(dāng)簡化。限于篇幅只列出土體開挖、地下連續(xù)墻及錨索施工步驟：（1）施工西面地下連續(xù)墻；（2）施工第1層錨索；（3）第1階段開挖，開挖深度0～4 m；（4）施工北、東、南三面地下連續(xù)墻；（5）施工第2層錨索；（6）第 2 階段開挖，開挖深度 4～7 m；（7）施工第3層錨索；（8）第3階段開挖，開挖深度7～11 m；（9）第 4 階段開挖，開挖深度 11～14m；（10）施工第4層錨索。

3 數(shù)值模擬運行結(jié)果及分析

3.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移

東西兩側(cè)維護(hù)結(jié)構(gòu)在4個主要開挖階段的水平位移云圖如圖5所示。

圖5 東西兩側(cè)水平位移云圖

選取基坑?xùn)|西兩側(cè)的 W2、W3、E2、E3四個位置進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移分析，不同工況下的樁體側(cè)移在深度方向的分布規(guī)律如圖6所示。從圖6可以看出，在基坑開挖初期，東西兩側(cè)的維護(hù)結(jié)構(gòu)受到頂層預(yù)應(yīng)力錨索的強制約束作用較強，在樁頂出現(xiàn)了向坑外的微量位移，但隨著開挖的進(jìn)行，在后面幾個主要工況中，樁體上部位移都指向坑內(nèi)且逐漸增大。對比東西兩側(cè)的樁體水平位移可知，在開挖后期及開挖完成時，西側(cè)樁頂位移明顯大于東側(cè)。這主要是因為基坑?xùn)|面采取放坡開挖，因此在進(jìn)行深基坑開挖設(shè)計時，如現(xiàn)場條件允許則采用放坡開挖可以減小維護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移，增加施工過程中的安全保障。

在實際施工中，在b區(qū)和c區(qū)存在超挖現(xiàn)象：第3階段開挖完成而尚未對第4層錨索進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉錨固隨即進(jìn)行第4階段開挖。模擬將該超挖現(xiàn)象考慮在內(nèi)，因此工況4較工況3樁頂水平位移和樁身最大水平位移增幅明顯。超挖會造成基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形過大甚至基坑失穩(wěn)，因此基坑開挖階段要及時對相應(yīng)層次的錨索進(jìn)行預(yù)應(yīng)力錨索張拉錨固，而后再進(jìn)行下部土體的開挖，切不可為趕進(jìn)度而超挖，給施工安全帶來重大隱患。

圖6 W2、W3、E2、E3位置水平位移曲線圖

3.2 咬合樁樁身彎矩分析

咬合樁在模擬中已按豎向剛度等效原則轉(zhuǎn)化為具有一定厚度的地下連續(xù)墻，因此考察地下墻的豎向彎矩代表基坑開挖過程的咬合樁彎矩，樁身彎矩在不同開挖階段的云圖如圖7所示。

選取西面W2、W3兩處斷面進(jìn)行分析，其彎矩隨施工過程的變化規(guī)律如圖8所示。在第1階段開挖時，樁體受到第1層預(yù)應(yīng)力錨索的約束影響最大彎矩出現(xiàn)在中部，而上部和下部彎矩均較小。隨著基坑土體開挖與預(yù)應(yīng)力錨索施工的交替進(jìn)行，維護(hù)結(jié)構(gòu)的受力發(fā)生變化，樁體彎矩逐漸變?yōu)椤安ɡ诵巍薄＞S護(hù)結(jié)構(gòu)受錨索拉力影響在錨索位置處彎矩發(fā)生突變，彎矩零點則一般出現(xiàn)在開挖面附近。隨著基坑開挖的進(jìn)行，圍護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩是逐漸增大的，尤其是第3開挖階段～第4開挖階段的過程，因為超挖而造成的彎矩增幅明顯，實際施工中應(yīng)盡量避免超挖。

圖7 不同開挖階段的樁身彎矩云圖

圖8 西面W3、W2位置樁身彎矩曲線圖

3.3 錨索拉力分析

錨索拉力變化對基坑開挖過程中的安全性有著至關(guān)重要的影響，不同工況下的錨索拉力云圖如圖9所示。

所選取的四組斷面的錨索拉力隨著工況變化的趨勢如圖10所示，從圖10可以看出，下一層預(yù)應(yīng)力錨索的錨固會使上一層錨索拉力減小，錨索拉力隨開挖深度的增加整體呈增大趨勢。

圖9 不同工況下錨索拉力云圖

圖10 錨索拉力曲線圖

3.4 樁后地表沉降

F’G段是整個基坑開挖深度最深、錨索層數(shù)最多的部分，其樁后地表沉降是最具有代表性的，因此取該段進(jìn)行分析。W3斷面沉降變化趨勢如圖11所示。隨著基坑開挖深度的增加，樁后地表沉降量也隨之迅速增大，至最大值后逐漸衰減，地表沉降的最大值位置由距坑邊5 m逐漸增加到15 m，與開挖深度相當(dāng)。地表沉降增長較快的是第3開挖階段至第4開挖階段，該過程中因未進(jìn)行第4層錨索的預(yù)應(yīng)力張拉錨固便進(jìn)行第4階段開挖，超挖顯然使得地表沉降迅速增大，這在實際工程中是非常危險的，應(yīng)盡量予以避免。該工程周圍并無重要建筑物及管線，因此未帶來嚴(yán)重后果。

圖11 W3斷面沉降曲線圖

4 結(jié)論

（1）通過理論分析可知：咬合樁加組合型鋼腰梁共同組成的圍護(hù)體系可以按等效剛度原則以合理厚度的地下連續(xù)墻模擬，對基坑整體而言可以得到較理想的結(jié)果。

（2）通過計算，得到了基坑開挖過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形、彎矩及錨索拉力等數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，對該圍護(hù)型式下的基坑設(shè)計和施工具有一定的參考意義。

（3）在尚未進(jìn)行預(yù)應(yīng)力錨索的張拉錨固就進(jìn)行下部土體的開挖對基坑變形、圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力及錨索拉力等的影響是非常明顯的。基坑變形過大很容易發(fā)生基坑失穩(wěn)坍塌事故，安全隱患重大，因此在實際施工中要堅決避免超挖。

[1]高新南,王占生,童立元,方磊.咬合樁在蘇州地鐵南施街站中的應(yīng)用[J].巖土工程學(xué)報,2010,（S2）:463-466.

[2]廖少明,周學(xué)領(lǐng),宋博，等.咬合樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的抗彎承載特性研究[J].巖土工程學(xué)報,2008,(01):72-78.

TU473

A

1009-7716（2017）12-0102-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.12.029

2017-09-05

王立學(xué)（1970-），男，甘肅蘭州人，高級工程師，從事市政工程施工技術(shù)工作。