微型桩—锚杆联合支护体系加固基坑效果的数值分析

陈理恒

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，广东 佛山 528200)

0 引言

城市发展至今，建设用地已愈发紧张，因此探索地下空间的应用已经成为世界范围内较大城市的通用策略。地下空间的发展必然会涉及基坑工程。在我国，基坑工程的发展已经较为成熟，基坑支护方面也在借鉴国外经验的基础上渐渐形成自有理论体系。各类支护结构的复合使用已经是未来我国基坑支护发展的大趋势。微型桩—锚杆联合支护结构是我国近年来发展起来的一种有效的基坑复合支护，因其能够充分发挥微型桩和锚杆各自的优点，因此，在保证基坑壁稳定及限制基坑底部稳定方面有独特优势。

然而，专门针对微型桩—锚杆联合支护的支护效果的文献并不多见，实际施工监测尽管可以监测基坑施工过程中基坑支护结构及周边地层的变化，但无法为设计提供有力参考。有限元分析恰恰可以解决这一问题，能够根据实际地质条件，研究设计中所采用的支护结构是否有效。本文采用Geostudio 软件探索微型桩—锚杆联合支护体系在基坑支护中的效果，其分析方法可供广大同行参考。

1 Geostudio 简介

目前，国内能够用于研究岩土工程分析的软件很多，如ABAQUS，FLAC3D 等均有着广泛的应用，但其均属大型通用软件，建模较繁琐。本文选用Geostudio 专业岩土工程分析软件，能够较方便的实现大部分岩土工程研究的模拟，且结果的稳定性已得到广大同行的验证。

Geostudio 软件中包含的模块较多，本文主要用到里面的SIGMA/W 来分析基坑开挖对周边地层的影响。SIGMA/W 是完全基于岩土体本构模型关系基础上建立的专业分析模块，对应力和变形分析效果较好。

2 模型的建立

某基坑最大深度为10 m，宽度为40 m。根据地质钻探资料，在地表以下4 m 之内为填土，4 m～8 m 为强风化板岩，下部为中风化板岩(见图1)。施工过程中，对基坑壁采用微型桩+锚杆(两排)进行支护。考虑到基坑开挖前以施作降水，分析中暂未考虑地下水的影响。

2.1 模型材料参数

因考虑到基坑的对称性，取其一半建立模型。模型中所取材料的参数见表1。

另外，分析中将微型桩和锚杆分别看成梁和杆单元，并且锚杆中存在锚固预应力。锚杆分为锚固段和自由段，其中，锚固段由于注浆的缘故，有效作用区域增大，经过换算可得到微型桩和锚杆的力学参数如下:

微型桩:弹性模量为E=2.0×108kPa，横截面面积为A=2.93×10－4m2，惯性矩为M=8.64×10－6m4。

锚杆锚固段:弹性模量为E=2.5×107kPa，横截面面积为A=2.93×10－3m2。

锚杆自由段:弹性模量为E=2.0×108kPa，横截面面积为A=2.0×10－4m2。

图1 土层示意图

表1 土体力学参数表

2.2 边界条件

分析采用二维平面应变模型，假设模型底部足够深，不受基坑开挖的影响，因此，可取其水平位移和竖直位移均为0;模型左侧无水平位移，右侧位于基坑的中心线上，仅存在竖直方向上的位移，水平位移取0，另外，在基坑周边无其他附加荷载作用。

3 结果分析

土体开挖及锚杆施加过程中，土体内部的应力场和位移场均在发生变化，要确定土体开挖及微型桩+锚杆的支护效果，有必要对土体的应力场和位移场进行分析。

3.1 竖向应力场分析

土体内部的竖向应力对基坑稳定性有重要影响，对于研究坑内土体凸起有重要意义。当基坑内外土体的竖向应力相差较大时，往往会引起坑内较大竖向位移。图2 为不同时刻基坑内外土体的竖向应力场云图。

对比图2 中的不同开挖时刻的云图可知，在基坑逐渐开挖过程中，基坑内外的竖向应力差逐渐增大。另外，锚杆的施作对于局部应力场有轻微的影响，主要是因为锚杆中锚固力所导致。

3.2 竖向位移场分析

图2 土体内部竖向应力场云图

竖向位移场分析可以研究基坑开挖对周边的影响范围。图3为第一层锚杆施作前后土体的竖向位移云图。

图3 地层竖向位移云图

从图3a)可以看出，当基坑开挖至2 m 深时，距离基坑较远区域内土体产生轻微沉降，坑内则存在较大的向上位移，最大达到了1.4 cm;如图3b)所示，在施作锚杆后，由于锚固力的作用，基坑外部沉降区域有所变化，且在靠近微型桩附近的区域土体存在轻微的凸起，约0.2 cm，微型桩周边的位移场有所改变，但范围很小。

3.3 水平位移场分析

水平位移场对于分析基坑稳定性有着重要作用，同时也是基坑稳定监测的最主要内容之一。在实践中，往往可以通过监测基坑围护结构的水平位移来判定其是否处于稳定状态。图4 为基坑开挖过程中不同时刻地层内部的水平位移场云图。

从图4 中可以清楚的看到，基坑开挖时，基坑壁周围的水平位移较大，并且影响范围较广，在未施作第一层锚杆时，影响深度达到了16 m，宽度达到约20 m，最大水平位移发生在微型桩上部因土体开挖导致的采空区。对比锚杆施作前后，可以看出，锚杆对于控制土体的水平位移效果显著。由于锚杆的施加，不仅仅使得水平位移场的范围大幅缩小，而且水平位移幅值也减小，因此，可以判定，锚杆对于基坑壁的稳定性有着重要影响。图5 为不同施工阶段微型桩结构的水平位移图。

对比图中各曲线也可发现，第一层锚杆施作前，桩体的最大水平位移发生在桩顶，为6 mm 左右，施加锚杆后，微型桩的最大水平位移下移，约为2 m 深度附近，其值为3 mm 左右。同样，在第二层锚杆施加前后微型桩的水平位移也存在类似规律。

图4 地层水平位移场云图

图5 微型桩水平位移

4 结语

通过以上微型桩—锚杆支护的分析，可以得到以下结论:

1)基坑开挖对基坑周边的应力场影响较大，基坑内外的应力差往往会导致基坑的失稳及坑内土体隆起，锚杆对于竖向应力场有影响，但是影响较小，范围较窄。

2)随着基坑的开挖，距离基坑一定范围之外的土体会发生向下的沉降，因分析中基坑的深度不大，基坑外部的土体沉降不足1 mm，但坑内土体上隆较为严重，达到14 mm 左右。

3)水平位移对于基坑壁的稳定性有重要影响，锚杆对于加固基坑壁效果显著，能够有效减少水平应力场范围及幅值。

［1］谢康和，周 健.岩土工程有限元分析理论与应用［M］.北京:科学出版社，2002.

［2］王建军.基坑支护现场试验研究与数值分析［D］.北京:中国建筑科学研究院博士学位论文，2007.

［3］Micro-pile Design and Construction Guidelines［M］.2000，FHWA，USA.

［4］李海深.复合型土钉支护工作性能的研究［D］.长沙:湖南大学土木工程学院博士学位论文，2004.