劉華東

(中國水利水電第十一工程局有限公司，鄭州 450001)

基坑開挖是基礎工程施工過程中的難題，也是工程界研究的重點課題之一。在不同的工程地質(zhì)條件和現(xiàn)場環(huán)境下選擇適合的施工方案和邊坡支護手段成為基礎工程施工的決定性因素，如何更為有效、更為經(jīng)濟合理的選取邊坡支護方案成為開發(fā)商、設計單位以及施工單位聚焦的熱點問題。

基坑支護結構的安全和穩(wěn)定受到工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、場區(qū)建筑物分布情況、降雨條件下雨水入滲等因素影響，使得設計考慮的因素較多而使有限元分析較為復雜.李青青[1]從研究臨近建筑物對基坑變形、支護結構位移出發(fā)，確定了建筑荷載作用下應力有效影響范圍，對于實際工程具有一定的參考價值，劉天水[2]通過建立合理的三維邊坡降雨入滲模型，綜合考慮地表徑流與地下流，并進行了流固耦合計算，對不同降雨強度下三維邊坡的變形進行分析。

錨拉支護是當下基坑支護常用的一種支護方式，針對錨拉支護的應用，王鄧峮[3]通過數(shù)值模擬研究了預應力錨桿支護方式，由此說明了錨拉支護能夠更好的控制基坑的水平位移與坡頂沉降，同時，錨桿的安放位置對支護結構的穩(wěn)定性也有一定的影響。

本文通過ABAQUS有限元模擬，直觀的從邊坡塑形應變分布圖中觀察了邊坡滑動面的位置和形狀；同時通過數(shù)值模擬計算知，采用了錨拉支護方式能夠更好的維持邊坡的穩(wěn)定，且計算精度更高。

1 工程概況

1.1 工程現(xiàn)場狀況

中?？党蔷幼?、商業(yè)四期項目位于遼寧省沈陽市渾南區(qū)沈中大街，總建筑面積74478.9平方米，其中，61#樓、62#樓、67#樓為高層框架結構，56#樓、57#樓為多層建筑，以上項目正處于結構封頂，78#為小學教學樓，正處于基礎工程施工階段，基礎形式采用柱下獨立基礎，基坑為深基坑形式，為防止邊坡失穩(wěn)，因此采用放坡開挖，開挖深度為5m，坡角為60°。其中61#、62#在基坑附近，距離基坑邊緣4.5米處為施工道路。

1.2 工程地質(zhì)條件

勘測過程中共布置鉆孔66個，補充鉆孔4個(查明場地雜填土分布情況)，間距約20～25m，孔深10～15m。報告顯示，場地除1層雜填土外，其余主要地層均可做天然地基，并且在勘探區(qū)內(nèi)，工程地質(zhì)條件較好，地層分布較均勻，局部地基具有不均勻性。

2 既有邊坡支護存在的問題

2.1 程地質(zhì)條件分析

針對既有邊坡支護方案，從工程地質(zhì)條件進行分析，主要體現(xiàn)在基坑西側場地地質(zhì)條件較差并且土質(zhì)不均勻，根據(jù)地勘報告相關資料顯示，西側邊坡主要由層狀松散土構成。

2.2 荷載作用下的邊坡穩(wěn)定分析

從邊坡所受荷載進行分析，主要包括周邊建筑物建筑荷載作用下對側向土體的擠壓作用和因施工道路車輛通行造成的振動荷載。針對建筑荷載下邊坡穩(wěn)定性的問題，通過研究臨近建筑物對基坑邊坡的影響，得到了建筑荷載和土體雙重作用水平應力分布、豎向應力分布、剪應力分布圖，分析結果見圖1。

由圖1對比可知：(1)在建筑荷載的作用下，地層中的水平應力、豎向應力、剪應力主要集中分布在建筑基礎的正下方，并且向四周擴散，行成了一定的影響范圍，與此同時，三組應力在分布形式上來看，都呈現(xiàn)出了一定規(guī)則的形狀；(2)建筑物影響下的水平應力值與豎向應力值變化范圍是一定的。

根據(jù)現(xiàn)階段研究發(fā)現(xiàn)，建筑荷載P值越大，基礎寬度B越大，在土體介質(zhì)中應力影響深度范圍也就越廣，并且對于影響范圍內(nèi)的任意一點，土壓力值與建筑荷載值成正比。

圖1 建筑荷載及應力圖

3 錨拉支護在基坑邊坡支護中的應用

本文介紹的錨拉支護是將水平擋土板支在柱樁內(nèi)側，柱樁一端打入土體當中，另一端用拉桿與錨樁拉緊，在擋土板內(nèi)側回填土。其支護形式見圖2，其主要也適用于開挖深度不大的基坑。針對該種形式的錨拉支護，主要借助拉桿和錨樁之間的相互作用以及拉桿和土體之間的摩阻力來傳遞作用力。

圖2 錨拉支護簡圖

由圖2可知，拉桿根據(jù)主動滑動面，分為自由段(非錨固段)和錨固段。自由段處于不穩(wěn)定土層當中，拉桿與土層脫離，一旦土層滑動，可以自由伸縮，其作用是將錨頭承受的荷載傳遞到錨固段，錨固段處在穩(wěn)定土層當中，其與周圍土層牢固結合，將拉桿所承受的荷載分布到周圍土層中去；錨拉支護的承載力取決于拉桿強度、拉桿與錨固體之間的握裹力、錨固體與土壁之間的摩阻力等諸多因素。如若要增加錨桿的承載力，不僅需要增大錨固體的直徑，而且應增加錨固體的長度[4]，根據(jù)相關理論研究，錨固體的錨固深度要超過滑動面的位置，只有這樣才能保證邊坡的穩(wěn)定性。

3.1 錨拉支護下拉桿自由段長度的確定

錨桿自由段長度應該根據(jù)滑動面的實際距離與錨桿在土體中的錨固角度來確定。

(1)

式中：lt為拉桿端部至面壁底端之間的距離；ψ為土體內(nèi)摩擦角；θ為拉桿與水平方向之間的夾角。根據(jù)相關規(guī)范和相關學者的研究，拉桿自由段的長度一般不宜小于5m。

3.2 錨拉支護下拉桿錨固段長度的確定

從地勘報告顯示，基坑土質(zhì)為粉質(zhì)粘土，根據(jù)GB50007-2002規(guī)范得知，粉質(zhì)粘土其塑形指數(shù)介于10～17之間，屬于粘性土。因此，在對錨固段進行確定時，應該用式(2)進行計算。

(2)

式中：D為錨固體的直徑；K為安全系數(shù)，可取1.6；qs為土體與錨固體的粘結強度；π為常數(shù)；N為相應于作用的標準組合時，錨桿所承受的拉力值。

4 基于強度折減法的有限元邊坡分析

4.1 模型基本假設與土體本構關系選取及基本參數(shù)的確定

為深入研究邊坡支護方案的相關力學性能，用應用ABAQUS有限元進行數(shù)值分析。在進行有限單元法的分析時，簡化計算的同時要符合工程的實際狀況，本文對模型進行如下簡化：(1)忽略支護結構施工和排降水對土體原有性質(zhì)的影響；(2)剪脹角等于零；(3)利用對稱性，采用三維有限元模擬對邊坡的穩(wěn)定性進行分析；(4)針對錨拉支護，錨桿和柱樁之間采用約束。

與此同時，應該考慮模型與周圍土體有一定的相互約束作用，以此對模型左右、前后以及基底各方向進行約束，邊坡模型的底部，Ux=0、Rx=0、Uy=0、Ry=0；邊坡模型的兩側，在水平方向上進行固定，豎直方向上Ux=0、Rx=0。

針對既有邊坡支護方案，從工程地質(zhì)條件進行分析，主要體現(xiàn)在基坑西側場地地質(zhì)條件較差并且土質(zhì)不均勻，根據(jù)地勘報告相關資料顯示，西側邊坡主要由層狀松散土構成，其主要特點是物質(zhì)結構疏松、空隙較大、土體顆粒之間黏聚力較差、透水性較強，并且容易在邊坡后壁出現(xiàn)張裂縫。

4.2 自然放坡下的有限元分析

在邊坡穩(wěn)定分析中，我們需要確定滑動面的位置，圖3與圖4為計算終止時的位移等值云紋圖。

圖3 強度折減系數(shù)Fs=1.4等效塑形應變分布區(qū)

圖4 強度折減系數(shù)Fs=1.65等效塑形應變分布區(qū)

由圖3與圖4可以清楚的判斷出滑動面的位置，與極限平衡分析法中的一樣，呈大致的圓弧狀[5]，并且通過坡角點?；贏BAQUS軟件，在某些情況下，根據(jù)總位移等值線無法判斷滑動面位置，在這種情況下縮減積分單元得到位移等值線，由于位移中包含了第一步中由重力荷載引起的位移，無法得到滑動面位置，因此，此處需要考慮一個事實，土坡有失穩(wěn)的趨勢需要在增量位移中得到反映，因而通過計算終止的最后一個增量步的增量位移來判斷[6]。

4.3 錨拉支護條件下的邊坡有限元分析

經(jīng)過ABAQUS后處理，錨拉支護下的邊坡應力云紋圖如圖5所示。

圖5 錨拉支護塑形應變示意圖

錨拉支護的作用機理與當下被應用到工程領域的斜撐支護相似，其主要采取相應的加固方式對柱樁進行加固，通過對錨拉支護進行有限元分析及拉桿軸力驗算，證明了錨拉支護有足夠承載能力來保證邊坡的穩(wěn)定性，但是，錨桿設置的位置不同，其支護效果也不同，根據(jù)王鄧峮[4]關于錨桿預應力作用的錨固邊坡穩(wěn)定性研究發(fā)現(xiàn)，當施加預應力的錨桿(實際工程中，通常施加的預應力取80～150kN)置于邊坡上部(距離坡頂1.5m處)時，邊坡安全系數(shù)較無支護情況下有明顯的提高。

由于錨拉支護下支護結構的受力較為復雜，因此，采用彈性地基梁法對模型進行簡化，其計算簡圖如圖6所示。

圖6 平面彈性地基梁法計算簡圖

根據(jù)彈性地基梁法的相關理論，土體由于產(chǎn)生橫向抗力而導致柱樁產(chǎn)生一定的位移，二者成正比例關系，其關系式可表示為

p=kxyb0

(3)

式中：p為土體產(chǎn)生的橫向抗力；kx為土的水平反力系數(shù)；y為柱樁在土體作用下的橫向位移；b0為柱樁的計算寬度。

本文在對錨拉支護的研究中，主要采用彈性地基梁m法[7]，橫向荷載集中在豎向彈性處，以水平力H0和彎矩M0為主，當樁身有水平荷載q(z)時，可以得到如下關系

(4)

(5)

任意深度處的彎矩為

(6)

任意深度處的剪力為

H=a2EI(ay0A3+φ0B3)+aM0C3+H0D3

(7)

式中：H0和D0為柱樁上承受的荷載；y0和φ0為接近地面處的位移與轉角；A1、A2、A3、B1、B2、B3、C1、C2、C3、D1、D2、D3、D4為常數(shù)，在計算過程中，以上常數(shù)可以通過查表獲得；EI為維護結構的抗彎剛度。

本文根據(jù)實際工程狀況，在距離坡頂1.5m處設置拉桿，進一步維持邊坡的穩(wěn)定性，通過樁身位移分布發(fā)現(xiàn)，錨拉支護下樁身位移為12.5mm，符合我國基坑支護規(guī)范[8]中對支護結構側向位移的限定值(樁長的范圍為11.25～13.5mm)，錨桿支護下樁身位移分布圖如圖7所示。

圖7 錨拉支護下樁身位移分布圖

5 結論

(1)強度折減的有限元分析比傳統(tǒng)的極限平衡法更加方便簡潔，計算結果與實際狀態(tài)符合的更好。采用了錨拉支護方式，通過數(shù)值模擬計算發(fā)現(xiàn)錨拉支護能有效抑制滑動面的出現(xiàn)，其分析過程具有可行性，計算結果可靠度較高。

(2)運用彈性地基梁法對錨拉支護下邊坡進行分析，研究結果表明，錨拉支護對于維持邊坡穩(wěn)定性具有良好的效果。