陳俊成 曾 洲 楊 惺

(華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院土木工程系，廣東 廣州 510510)

1 概述

城市為了滿足人口、交通和經(jīng)濟(jì)等各方面的需求不斷地開發(fā)地下空間，而深基坑順應(yīng)這種趨勢(shì)應(yīng)運(yùn)而生。深基坑的施工存在很多風(fēng)險(xiǎn)，為了防患于未然，有必要對(duì)深基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和受力進(jìn)行研究。王超、丁海濤[1]采用MIDAS對(duì)樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了各個(gè)工序下基坑的隆起情況和支護(hù)樁的內(nèi)力，并對(duì)基坑進(jìn)行了優(yōu)化。周勇、李康[2]采用ADINA對(duì)樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行基坑開挖數(shù)值模擬，得到了不同因素對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)位移的影響。

本文以廣東省惠州市惠城區(qū)水口鎮(zhèn)尚東公館基坑西側(cè)樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，運(yùn)用理正深基坑7.0PB4和MIDAS-GTS分別計(jì)算基坑西側(cè)不同施工階段支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移和彎矩，對(duì)比分析得出了支護(hù)樁的變形和內(nèi)力變化特點(diǎn)。

2 工程概況

2.1 工程簡(jiǎn)介

尚東公館基坑工程位于惠州市惠城區(qū)水口鎮(zhèn)，地下室為地下2層，基坑周長(zhǎng)約252.55 m，基坑深度8.00 m～8.68 m，基坑安全等級(jí)為二級(jí)，基坑使用年限為1年。

2.2 基坑支護(hù)方案

基坑西側(cè)采用上部1∶1.5放坡，下部采用φ800@1 200灌注樁+2道錨索支護(hù)；基坑的外側(cè)采用φ800@600攪拌樁止水。

2.3 土層基本力學(xué)參數(shù)

表1 基坑西側(cè)土層的基本力學(xué)參數(shù)

基坑西側(cè)設(shè)計(jì)用到的土層基本學(xué)參數(shù)如表1所示。

2.4 施工工況

基坑西側(cè)的施工工況如表2所示。

表2 基坑西側(cè)的施工工況

3 解析法

對(duì)尚東公館基坑西側(cè)樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)采用理正深基7.0PB4軟件進(jìn)行解析計(jì)算模擬。

3.1 靜力計(jì)算模型

理正深基坑計(jì)算系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算中將地下排樁簡(jiǎn)化為彈性地基豎直梁[3]，并采用m法計(jì)算。

3.2 計(jì)算參數(shù)及模型

地面超載取20 kPa；不考慮地下水的影響；按JGJ 120—2012建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程[4]和JGJ 94—2008建筑樁基技術(shù)規(guī)范[5]相關(guān)規(guī)范取m值，見表3。

表3 基坑西側(cè)土層的基本力學(xué)參數(shù)

尚東公館基坑西側(cè)樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的解析法計(jì)算模型如圖1所示。

4 數(shù)值分析方法

對(duì)尚東公館基坑西側(cè)樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)采用MIDAS-GTS進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。

4.1 模型單元及計(jì)算參數(shù)的選定

1)土體：平面應(yīng)變單元；灌注樁：直線梁?jiǎn)卧?樁土接觸單元；錨索自由端：桁架單元；錨索固定端：植入式桁架單元。

2)計(jì)算模型：土體—摩爾庫(kù)侖模型；灌注樁和錨索—彈性模型。

3)計(jì)算參數(shù)：灌注樁采用直徑為800 mm的圓形截面；第一根錨索采用3×7φ5的鋼絞線，第二根錨索采用4×7φ5的鋼絞線；錨固體直徑均為150 mm。

4)邊界約束條件：左右：水平約束；底部：豎向約束+轉(zhuǎn)動(dòng)約束；其他位移邊界自由。

5)地面超載取20 kPa。

4.2 模型網(wǎng)格的劃分

以0.5 m的間距劃分模型網(wǎng)格，基坑西側(cè)樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬圖形如圖2所示。

5 結(jié)果分析

5.1 樁身位移對(duì)比分析

理正深基坑7.0PB4采用的是解析法，而MIDAS-GTS采用的是有限元數(shù)值模擬法，兩種不同的方法計(jì)算出不同工況下灌注樁樁身位移分別如圖3a),圖3b)所示。

兩種方法得到的支護(hù)樁在不同工況下的樁身最大位移、位置以及位移特點(diǎn)如表4所示。

表4 兩種方法計(jì)算灌注樁樁身最大位移位置，大小及特點(diǎn)

分析解析法得到的灌注樁樁身位移隨施工階段的變化可以發(fā)現(xiàn)，樁身位移呈現(xiàn)樁中部位移最大，樁底位移較小的特點(diǎn)。原因?yàn)椋弘S著基坑逐漸開挖，由于有冠梁將灌注樁連在一起和受到了錨索的約束，故樁頂?shù)奈灰茣?huì)較樁中部的位移小，而樁的中部沒(méi)有約束，故樁的最大位移出現(xiàn)在樁的中部；樁底由于是錨固端，故幾乎沒(méi)有位移。 分析數(shù)值模擬法得到的灌注樁樁身位移隨施工階段的變化可以發(fā)現(xiàn)，樁身位移呈現(xiàn)樁頂位移最大，樁底位移較小的特點(diǎn)。原因?yàn)椋簲?shù)值模擬法考慮了開挖2 m邊坡對(duì)樁身側(cè)向位移的影響，故數(shù)值模擬法的樁身位移會(huì)相較于解析法得到的樁身位移偏大；此外由于模型采用的是2D模型，并未考慮冠梁的存在及作用，故樁頂在未施作錨索時(shí)是無(wú)約束條件的，故支護(hù)樁的位移會(huì)呈現(xiàn)上大下小的特點(diǎn)。施作錨索后只能減小樁中上部的位移，但是上大下小的特點(diǎn)依舊沒(méi)變。

對(duì)比分析解析法和數(shù)值模擬法得到的灌注樁樁身側(cè)向位移，我們可以發(fā)現(xiàn)深度10 m以上的樁身側(cè)向位移有較大的差異，深度10 m以下的樁身側(cè)向位移只有較小的差異。

5.2 樁身彎矩對(duì)比分析

兩種不同的方法計(jì)算出不同工況下灌注樁彎矩分別如圖4，圖5所示。兩種方法得到的支護(hù)樁在不同工況下的樁身最大正負(fù)彎矩大小和位置如表5所示。

從以上兩種方法計(jì)算所得的對(duì)比圖表可以得出以下的規(guī)律：

1)分析解析法計(jì)算得到的樁身彎矩圖可以發(fā)現(xiàn)，不同的工況下，樁身的彎矩呈現(xiàn)上部大下部小的S型曲線。原因?yàn)椋涸诨拥拈_挖過(guò)程中，基坑外側(cè)的主動(dòng)土壓力不斷增加，而基坑內(nèi)側(cè)的土被挖走，被動(dòng)土壓力減小，而且樁頂有冠梁和錨索的約束條件，故在基坑的上部呈現(xiàn)向基坑內(nèi)側(cè)凸出的彎矩曲線；而在基坑的下部，由于基底以下的土層不被挖除，故仍有被動(dòng)土壓力作用在樁的下部，而且被動(dòng)土壓力的增長(zhǎng)速度比主動(dòng)土壓力的大，故樁的下部呈現(xiàn)向基坑外側(cè)凸出的彎矩曲線。

表5 兩種不同方法計(jì)算灌注樁彎矩結(jié)果

2)分析數(shù)值模擬法計(jì)算得到的樁身彎矩圖可以發(fā)現(xiàn)，不同的工況下，樁身的彎矩符合樁頂自由樁底錨固的拋物線彎矩特點(diǎn)。原因?yàn)椋涸诨拥拈_挖過(guò)程中，基坑外側(cè)的主動(dòng)土壓力不斷增加，而基坑內(nèi)側(cè)的土被挖走，被動(dòng)土壓力減小，而且樁頂有錨索的約束條件，故在基坑的上部呈現(xiàn)向基坑內(nèi)側(cè)凸出的彎矩曲線；而樁底位于中粗砂層，相當(dāng)于樁底是錨固的，故會(huì)在樁底產(chǎn)生樁端彎矩。總體而言用數(shù)值模擬法計(jì)算得到的樁身彎矩符合懸臂梁的彎矩分布規(guī)律。

3)對(duì)比分析解析法和數(shù)值模擬法得到的灌注樁樁身彎矩，我們可以發(fā)現(xiàn)深度15 m以上的樁身彎矩只有較小的差異；深度15 m以下的樁身彎矩存在較大的差異，這與模型建立時(shí)在樁底采用的固端約束有很大的關(guān)系。

6 結(jié)語(yǔ)

本文分別采用理正深基坑7.0PB4和用MIDAS-GTS對(duì)尚東公館基坑西側(cè)的樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行位移和彎矩計(jì)算，分析總結(jié)出了不同計(jì)算方法得出的樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移和彎矩隨不同施工階段的變化特點(diǎn)。但是由于沒(méi)有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為對(duì)比數(shù)據(jù)，所以不能夠確定兩種計(jì)算方法的合理性，這仍需作者本人進(jìn)一步研究分析，從而驗(yàn)證解析法和數(shù)值模擬法對(duì)計(jì)算樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)樁身側(cè)向位移和彎矩的合理性。