预应力锚拉桩支护下的深基坑变形分析

2015-12-28李子运刘博明

重庆科技学院学报（自然科学版） 2015年2期

李子运刘博明

(1.重庆科技学院基建规划处，重庆 401331;2.重庆科技学院建筑工程学院，重庆 401331)

近年来施工中常使用钻孔咬合桩作为黏性土、冲填土、人工填土等软土层深基坑的支护结构，咬合桩作为一种新型的深基坑支护结构，其相邻桩间相互咬合形成的钢筋混凝土“桩墙”不仅具有良好的受力性和施工性，在一些地形复杂、地下水位较高的地质条件下还可兼备止水的优点［1-5］。预应力锚索加固技术在提高岩土体承载力和稳定性上有显著效果，并且被广泛应用于工程实践当中［6-7］。

本次研究将咬合桩和预应力锚索加固技术结合起来作为综合支护，通过基坑边坡的土体预变形及开挖变形将一部分土压力传递给锚头，剩余的土压力则由咬合桩承担，由此达到加固深基坑边坡的目的。研究中对深圳某深基坑在预应力锚拉桩支护下的变形趋势进行数值模拟计算［8-10］，并分析开挖过程中桩、锚的受力变化和基坑的变形情况，以验证该支护方式的可行性。

1 工程概况

深圳某工程部拟在滨海滩区涂修建250 m超高层建筑(包括3层地下室)，其基坑整体平均开挖深度约为16 m，局部坑中坑开挖深度达25.3 m。该场地原始地貌为滨海滩涂地貌，地势平坦，现在为人工回填区。本区域出露的地层主要有第四系填土层(Qs4)、第四系海陆交互相沉积层(Qmc4)、第四系残积层(Qel4)、燕山期第四期黑云母花岗岩(γ3(1)5)。地层物理力学指标见表1。

表1 地层物理力学指标

2 围护结构设计及数值模型建立

根据本工程的特点，综合考虑地质条件、周边环境、施工技术等因素，围护结构形式采用钻孔咬合桩(见图1)，A桩为素混凝土桩，B桩为钢筋混凝土桩，桩径φ1 200 mm，桩心距1 000 mm，两相邻桩咬合量200 mm，桩长17～26 m。根据开挖步骤，在冠梁上设置3层预应力锚索，腰梁上设置2层预应力锚索，在锚索前13 m自由段施加200～300 kN的预应力，后14 m为锚固段。同时，每段土层开挖后即在开挖面层喷射10 cm厚的C20喷射混凝土，以减少开挖面风化影响，加强面层土体稳定性。

图1 钻孔咬合桩平面布置图

采用FLAC 3D(Fast Lagrangian Analysis of Continua 3D)岩土介质有限差分数值模拟软件进行三维数值计算［11-13］，模型采用弹塑性的摩尔库伦模型。本次数值模拟分析采用三维模型，模型及支护结构如图2所示，在建模过程中对实际地层参数进行了一定的简化，同时基坑开挖前已进行了降水处理，在分析过程中未考虑地下水的影响。根据现场实际地质地形条件和施工方法，计算模型约束左右边界的X方向水平位移，前后边界约束Y方向的水平位移和下边界的竖向位移，上边界为自由边界。

图2 三维模型及支护结构图

由于基坑平面的不规则性，为准确定位基坑各部位的变形情况，在基坑平面内布置了20个坐标点，将各相邻两点连成直线，由此基坑平面即为19条线段组成的轮廓线，每条线的编号由基坑左下方开始逆时针顺序编号，即 L1，L2，L3，…，L19。

为更好地了解基坑开挖过程中基坑周边位移的变化情况，在基坑边缘设置4个监测点，分别监测东南西北4边中点的水平位移。各监测点位置如图3所示。

3 基坑开挖变形及围护结构受力分析

根据施工现场情况及实际要求，基坑采取分层分段的开挖方式，共分7步开挖，开挖深度分别为2.00，-1.00，-4.50，-8.00，-11.50，-16.25，-20.50m，预应力锚拉桩及面层混凝土随开挖深度的增加而分层加设。

限于篇幅，此处仅例举基坑开挖至第5层时的基坑变形云图，以及咬合桩和锚索的受力图等。

图3 监测点平面布置图

基坑的开挖卸荷会引起岩土体应力场的重新分布，从而导致基坑周围土体产生变形甚至垮塌，设计支护结构的目的就是为了减少这些变形，并将其控制在可靠变形范围内。基坑周围土体水平、竖向位移，坑底土体隆起位移和周边道路、管线变形。使用FLAC 3D数值分析软件对开挖过程中基坑周边岩土体的变形以及支护结构的受力进行监测，监测数据是评判支护结构有效性和基坑安全性的重要指标，也是寻找基坑支护结构薄弱部位并对其进行优化的重要依据。

3.1 基坑开挖变形分析

基坑开挖至第5层，其顶部四周岩土体的最大水平位移集中在L5靠近L6的端部、L7中段、L8段和L11— L13、L16— L19段，最大变形值为59.0 mm，如图4所示;基坑四周边缘土体最大沉降-26.8 mm，基坑底部土体均有隆起现象发生，其中最大的隆起部位出现在各开挖面的坡脚，最大位移32.1 mm，如图5所示。岩土体塑性区集中出现在基坑周边，塑性区分部宽度约为开挖深度的1.5～2倍，如图6所示。由各图分析可知，L10段为应力相对集中区域，应对该处支护结构进行强化;同时，施工过程中严禁超挖坡脚，应保证各施工面同时或跳槽开挖，以免局部区域因开挖深度过大而使坡脚应力过度集中，造成开挖面失稳。

3.2 支护结构受力分析

基坑开挖至第5层，基坑内侧在咬合桩的支护下形成临空面，南北侧的咬合桩受桩后剪力最大值为163.3 kN，东西侧的咬合桩受桩后剪力最大值为215.0 kN;北侧咬合桩的弯矩最大值为806.1 kN·m;南侧咬合桩的弯矩最大值为-745.4 kN·m，西侧咬合桩的弯矩My最大值为1 086 kN·m，而东侧咬合桩的弯矩My最大值为-922.9 kN·m;从图7可以看出咬合桩此时的弯矩主要集中在中上部，咬合桩整体受力呈柔性特征。

图4 基坑水平位移云图

图5 基坑竖向位移云图

图6 岩土体塑性区

第5层锚索锚固在腰梁上，并在自由段施加300 kN的预应力，经计算，第5层锚索受力最大值为348.7 kN。

图7 锚索轴力图

通过深基坑开挖过程三维数值模拟分析，发现基坑东西侧的位移和围护结构受力均较南北侧大。如L5段咬合桩的弯矩在第5层开挖时最大值为1 086 kN·m;东侧L11、L12段咬合桩的弯矩在第5层开挖时最大值为-922.9 kN·m。而南北侧咬合桩在第5层开挖时弯矩Mz最大值为806.1 kN·m。支护结构的相对薄弱部位集中在L5、L11、L12段，但是 L7、L8、L16 — L19及基坑突出段也是位移和围护结构受力较大的部位，因此为保障施工安全及基坑稳定性还应加强上述部位的支护力度。

3.3 监测数据分析

基坑开挖至第7层结束，图8为基坑西侧顶部中点的水平位移监测曲线图。可以看出，该点水平位移随开挖深度的增加而增大，直至开挖结束，其最大位移达到2.2 cm;而当基坑开挖至第5层即-11.5 m的深度时，基坑最大水平位移59.0 mm出现在基坑深度中上部;咬合桩的最大弯矩也集中在基坑开挖深度的中上部，同时，各层锚索中第3层预应力锚索(深度 -4.5 m)的受力最大，为355.6 kN;因此，预应力锚拉桩支护下的基坑最大位移及支护结构受力最大部位集中在基坑中上部，并非基坑顶部。