深基坑桩锚支护土拱效应及稳定性分析

张主华 王大柱

(株洲市规划设计院，湖南 株洲 412007)

深基坑桩锚支护土拱效应及稳定性分析

张主华 王大柱

(株洲市规划设计院，湖南 株洲 412007)

以株洲市中央商业广场深基坑为研究对象，采用人工挖孔灌注桩加两道预应力锚杆支护方案，利用FLAC3D对深基坑开挖过程进行三维数值模拟，分析了桩间土拱效应形成机理，并对该基坑开挖过程中支护结构的变形和桩间土拱效应随开挖深度的变化规律进行了研究，为类似基坑工程的支护设计提供参考。

深基坑，土拱效应，稳定性，桩间距

在岩土工程中，土拱效应是广泛存在的，它是由介质的不均匀变形所产生的一种应力转移与重分布现象。近年来有关抗滑桩桩后土拱效应研究逐渐增多，但对深基坑开挖过程所引起桩间土体的土拱效应及其稳定性方面的研究相对较少，因此，本文以株洲市中央商业广场深基坑为研究对象，选用人工挖孔灌注桩加两道预应力锚杆支护结构方案，利用FLAC3D对深基坑开挖过程进行三维数值模拟，分析了桩间土拱效应形成机理，并对该基坑开挖过程中支护结构的变形和桩间土拱效应随开挖深度的变化规律进行了研究，为类似基坑工程的支护设计提供参考。

1 工程概况

株洲市中央商业广场位于钟鼓岭步行街与新华西路交叉口东南角。由A，B，C三栋连体高层建筑组成，地上29层，地下3层，框架—剪力墙结构。地下室基坑约为87.5 m×76.5 m，基坑深度6.6 m～12 m，基础形式为桩筏基础。施工场地东向和南向紧邻高层建筑物，西向紧邻钟鼓岭步行街、北向紧邻新华西路。采用人工挖孔灌注桩加两道预应力锚杆进行支护。

2 数值计算模型

2.1 基坑开挖工况模拟

基坑挖深10 m，分三个工况：工况一：开挖至-4 m，安装第一道锚杆；工况二：开挖至-7.5 m，安装第二道锚杆；工况三：开挖至-10 m。

2.2 三维计算模型及网格划分

本文对支护结构进行简化，根据对称性取9根桩共8跨部分，沿x方向总长为40 m，桩前为20 m、桩后为20 m，沿y方向宽为16 m，沿z方向高为20 m，模型桩直径为1 m，桩间距为2 m，桩总长13 m，其中嵌固深度长3 m。支护桩和岩土体采用实体单元，锚杆采用锚索结构单元进行计算，桩土接触面采用无厚度接触面单元“Interface单元”进行模拟。模型底部施加x，y，z方向的约束，模型两侧施加y方向约束，模型前、后方施加x方向约束。

2.3 计算参数

根据地质勘察报告提供的参数和通过对该地区同类工程的类比，岩土体和支护桩主要物理力学参数的取值见表1，锚杆参数为:弹性模量200 GPa，泊松比0.25，截面积982 mm2，水泥浆外圈周长408 mm，内摩擦角25°，粘结刚度2×109N/m2，水泥砂浆粘结力2×105N/m；桩土接触面的切向刚度ks和法向刚度kn分别为:ks=1×108N/m2和kn=1×108N/m2。

表1 岩土体和支护桩计算参数表

3 数值模拟结果及分析

3.1 开挖前地层初始应力状态模拟

基坑开挖前，地层土体在自重应力和地面超载作用下已处于稳定状态，因此在进行基坑开挖模拟前，需要对模型进行初始应力状态模拟，形成初始应力场后将位移重置为零。

3.2 水平位移分析

图1为基坑开挖工况水平位移等值云图，由图1可以看出桩后土体位移比桩间土体位移小，向桩后方向土体的位移逐渐减小，最后两者位移达到均匀。这说明支护桩的支挡作用很明显，后侧土体传来的水平推力传递到桩上，由桩来支承。

图2为桩间土体水平位移—深度关系曲线，图3为桩体水平位移—深度关系曲线，图4为桩—土相对水平位移—深度关系曲线(说明:桩—土相对水平位移是土体位移减去桩身位移)。

由图2可以看出，桩间土体水平位移随深度的增加逐渐减小，最大水平位移发生在基坑顶部，最小位移在基坑底部，在基坑浅部开挖过程中，沿深度方向基本上呈线性变化，但随着基坑中、深部土方开挖，相应深度处桩间土体水平位移有较大增加，当开挖到基坑底部时，基坑顶部水平位移值达到最大。每步开挖引起的最大水平位移分别为5.29 mm，9.17 mm，13.43 mm。

由图3可以看出，桩体水平位移沿深度变化规律为：水平位移桩顶大，桩底小，基本上沿深度呈线性变化。在基坑开挖过程中，水平位移值随着基坑开挖深度增加而增加，当开挖到基坑底部时，桩顶水平位移值达到最大，为13 mm，并且每开挖一步引起的水平位移增量基本相同。

国内不少学者采用二维数值方法对土拱效应问题进行研究，一般假设桩身是完全约束的，不发生任何位移，这是不合实际的，因为抗滑桩或支护桩桩间土拱效应是具有三维应力转移机制，土拱的形成与桩—土间的相对运动及土体自身的应力状态紧密联系的。无论桩顶或桩端是何种约束条件，桩身在侧向土压力作用下都会发生一定的位移，所以考虑采用桩—土相对水平位移的大小来衡量土拱效应的明显程度。从图4可以看到，桩—土相对水平

位移在浅部较小，土拱效应不太明显，随着深度的增加相对位移逐渐增大，在8 m处达到最大，为2.34 mm，土拱效应最明显，而后相对位移又急剧减小，在10 m坑底处的相对位移为-1.65 mm，此时桩身的水平位移比土体大，土拱效应基本消失。因此土拱效应的明显程度是沿深度先增强后减弱的。

3.3 最大主应力拱分析

由于基坑在开挖过程中支护结构和土体随着时间和空间的变化而产生不同的位移和变形的特性，从而使桩间土体在各工况形成的土拱效应不同，如Z=-6 m深度处桩间土体，在基坑开挖至-4 m之前，桩间大主应力拱还未形成，呈很小的三角形，是由于桩间土体受到未开挖的桩前土体的阻挡而发生的不均匀位移很小，并且土体水平位移沿深度方向是递减的，未开挖处发生的位移就更小了。这也说明土拱产生的条件之一是土体必须发生一定的不均匀位移；当开挖至-7.5 m时，桩后土体因应力释放而侧向变形突然增大，受到桩体的阻挡作用使土体相互挤压，造成大主应力方向发生偏转，在桩间形成一个大主应力拱，随着开挖深度的增加，土拱作用范围不断扩大，土拱效应一定程度的增强；当开挖到坑底-10 m时，大主应力拱很明显。但并不是桩间土体土拱效应总是随着基坑开挖逐渐增强，对于离桩顶平面深度小于4 m的桩间土体，工况一时土拱效应逐渐增强，当开挖到工况二时，桩—土相对位移较小，土拱效应变得不明显，土拱效应呈现出先增强后减弱的趋势；深度大于4 m的桩间土体，土拱效应随开挖深度的增加逐渐增强。所以，对于桩锚支护结构的土拱效应在基坑开挖过程中并不是一成不变的，随着开挖的时间和深度的发展，土拱效应也表现不同。一般来说，桩间土拱效应在该层土体开挖的工况内是逐渐增强的。

4 结语

1)通过FLAC3D三维数值模拟分析，结果表明考虑桩间土拱效应作用为支护桩设计提供依据，为类似基坑工程的支护设计提供参考。

2)土拱效应的影响因素很多，如桩的形状、桩的间距及桩土接触面性状等对其有一定影响，建议对土拱效应的影响因素开展进一步的研究工作。

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[5] 张主华,陈秋南,王建东.复杂环境条件下深基坑支护方案设计[J].西部交通科技,2010(5)：46-47.

Study on soil arching effect and stability of pile-anchor retaining in deep foundation pit

Zhang Zhuhua Wang Dazhu

(ZhuzhouPlanningandDesignInstitute,Zhuzhou412007,China)

Studying on the central commercial plaza in Zhuzhou city. The article adopts the retaining scheme of manual digging bored piles with two prestressed anchors for the deep foundation pit, and three dimensional numerical simulation was carried out by FLAC3D for deep foundation pit, the forming mechanism of arching effect between adjacent piles was analyzed, the horizontal displacement of retaining structure and variation of soil arching effect between adjacent piles in the process of excavation were further studied, so it provides reference to similar retaining design.Key words: deep foundation pit, soil arching effect, stability, spacing between adjacent piles

2015-05-22

张主华(1980- )，男，硕士，工程师； 王大柱(1972- )，男，高级工程师

1009-6825(2015)22-0065-02

TU463

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