基坑桩锚支护结构水平位移监测及有限元分析

王绪锋　张　敏　郭海庆　艾纯斌

(1. 浙江省水利河口研究院， 杭州　310020； 2. 河海大学 岩土工程科学研究所， 南京　210098； 3. 河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室， 南京　210098； 4. 中国市政工程东北设计研究总院有限公司 海南洋浦分公司， 海南 海口　570125)



基坑桩锚支护结构水平位移监测及有限元分析

王绪锋1张敏2，3郭海庆2，3艾纯斌4

(1. 浙江省水利河口研究院， 杭州310020； 2. 河海大学 岩土工程科学研究所， 南京210098； 3. 河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室， 南京210098； 4. 中国市政工程东北设计研究总院有限公司 海南洋浦分公司， 海南 海口570125)

摘要：以深圳宝安区某基坑工程为例，运用ABAQUS有限元软件对桩锚支护结构建立三维单桩对称模型，模拟支护桩在不同工况下的水平位移，并将模拟计算值和监测值进行对比，验证该模型的合理性．同时，分析不同施工工序下桩身水平位移的变化特点，为优化基坑设计和施工提供科学依据．

关键词：桩锚支护结构；水平位移；监测；有限元分析

基坑工程一直是岩土工程领域的重要课题，由于施工条件、水文地质条件的复杂性和不确定性，使得变形的理论计算结果难以符合实际，因此现行基坑规范规定必须进行基坑监测[1]，从而做到信息化施工．随着计算机技术的发展，有限元软件得到广泛应用，其中ABAQUS具有快速处理高度非线性问题的能力，在岩土工程中得到大力推广[2]．

本文利用ABAQUS软件对基坑建模进行有限元分析，再现基坑施工过程，通过桩锚支护结构水平位移监测值和模拟计算值进行对比，验证该模型的合理性．

1ABAQUS有限元分析

1.1本构模型的选取

土体属于三相体，其应力应变关系非常复杂．ABAQUS内置多种本构模型，如M-C模型、Druker-Prager模型、剑桥模型等．本文将土体简化为理想弹塑性体，用增量关系表示为[3]：

(1)

鉴于参数易获取问题，本文屈服准则选取为M-C屈服准则，函数表达式为：

(2)

(3)

式中，I1为应力张量的第一不变量，J1、J2为应力偏量的第一、第二不变量．

对于基坑开挖卸载等问题，M-C模型不能考虑弹性模量E的变化[4]，而卸载模量一般大于加载模量，即该模型不能正确反映土体加卸载模量的变化及压硬性，导致模拟基坑开挖后土体隆起量过大．为克服这一问题，本文模型在土层开挖之前[5]，利用ABAQUS中*FIELD场变量的变化将待开挖区域内的土体弹性模量进行一定程度的折减后再进行开挖，以此来模拟应力释放的过程，模拟结果表明这样能更好的控制基底隆起，折减率由反复试算确定．

因基坑实际开挖过程中，支护桩的应力远小于其屈服应力，故假设其为线弹性体，冠梁、腰梁也假设为弹性材料．

1.2模型相互作用模拟

基坑桩锚支护模型的相互作用分为桩-土接触和桩-冠梁/腰梁接触．桩-土接触由桩周接触和桩底接触组成，接触面力学模型中切向选择罚函数，法向选择硬接触，接触对主面选桩周表面，从面选土体表面，离散方法为面对面接触，接触状态为有限滑动[6]．桩-冠梁/腰梁接触的设置与桩-土接触定义类似，也设置切向和法向接触．

2基坑工程实例

2.1工程概况

该基坑场地呈近似矩形，长边约340 m，短边约140 m，场地西侧13 m处有一7层建筑，东侧距道路最近约30 m，南侧为待建场地．基坑平面形状如图1所示．基坑西侧支护采用D800灌注桩+D600高压止水桩，桩间施加两层锚索，桩锚支护结构剖面如图2所示．

图1　基坑平面图

图2　桩锚支护侧剖面图

2.2位移监测成果分析

桩体水平位移最能直观反映支护结构的变形情况，是控制基坑支护结构安全的重要指标．但在桩体施工过程中，桩体内部预埋的监测设施极易遭到破坏，通常在支护桩外侧土体利用钻机设备成孔埋设测斜管，通过监测土体变形来近似替代桩体变形情况．在本基坑工程西部支护桩外侧土体共埋设了3个测斜管，编号为I1～I3，以监测桩体不同深度位置的水平位移情况．本文选取靠近灌注桩ZK22的测斜管I3为分析点，取该监测孔数据绘制桩体水平位移随时间及深度的变化过程曲线，如图3所示．

图3　I3水平位移-深度-时间过程曲线

根据I3水平位移过程曲线分析，桩体水平位移随基坑开挖深度的增加而增大，变形曲线自下而上整体呈平滑状，仅在预应力锚索附近出现“反弯点”，说明桩体沿深度方向变形协调．受冠梁、腰梁及各层锚索的约束作用，桩体最大水平位移出现在腰梁下部至基坑坑底的深度范围，变形曲线向基坑内侧呈“凸起”状，说明基坑底部土体对桩体水平方向变形的约束作用不明显．在桩体竖向刚度、冠梁(腰梁)横向刚度及锚索侧向约束的综合影响下，桩体变形实际受三维约束影响，而非单纯的二维约束．

2.3有限元建模

本文利用ABAQUS对基坑桩锚支护侧进行有限元分析，选取灌注桩ZK22建立三维单桩对称模型．参照以往工程经验，基坑开挖影响范围约为开挖宽度的3倍，开挖深度的4倍[7]，本基坑尺寸为140 m(长)×10.3 m(高)，桩间距1.2 m，取基坑剖面一半进行建模，利用对称性取1/2根桩范围的桩体和土体建模[8]，模型三维尺寸为210 m(长)×0.6 m(宽)×40 m(高)，基坑模型开挖前后有限元网格如图4所示．

图4　基坑开挖前后有限元网格图

模型边界条件为：基坑底面完全固定，限制X、Y、Z3个方向的位移，基坑四周及支护桩表面约束其相应法线方向的位移．据地勘报告，工程区主要地层：第四系人工填土，第四系冲洪积含砂黏性土、含砂黏性土、含黏性土粉～粗砂、残积成因的砂质粘性土，下伏基岩为震旦系片麻岩．由于各土层参数差异不是很大，为简化计算模型，将各层土体参数加权等效为一层均质土体，有限元建模参数见表1．

表1　有限元建模计算参数

建模的土体、桩、冠梁及腰梁单元均采用C3D8R[9]，支护桩与土体接触处网格划分较密，随着距离由近到远，网格划分由密到疏．建模作以下假定[10]：①基坑工程施工工期短，不考虑地下水的影响，采用总应力法进行分析．②初始应力场假定为自重应力场．③土体应力场不受温度的影响．④不考虑时间因素的影响．

2.4模拟计算和监测成果对比

为减少ABAQUS有限元计算的工作量，本文只计算到施加第二层锚索，按照实际工序，模型计算分为7个分析步，见表2．

表2　模拟开挖分析步

因建模分析不考虑时间因素的影响，故选取图2中关键施工步序完成时间的位移曲线与模型计算曲线进行对比，各关键步序下模型计算位移和实测位移曲线对比如图5所示．

图5　关键分析步下桩体监测和计算位移曲线

由以上位移曲线图可得到以下结论：

1)实测位移曲线通常假设底部测点为相对不动点，即位移为0，而理论上模拟桩体底部有一定的位移发生．

2)随着基坑开挖、冠梁(腰梁)及锚索施加，桩顶有一定位移发生，但总量不大，而桩体最大水平位移点向下变动，位移曲线向基坑内侧呈“凸起”状，模拟位移曲线在锚索施加后“反弯点”明显．

3)从图5可见，桩体模拟位移曲线和实测位移曲线变化趋势上基本一致，但模拟位移值比实测值偏大，这是由于基坑实际是空间结构，存在三维约束效应[11]，而建模时未能充分考虑这一因素，且实际监测时假设底部为不动点位移为零，模型中桩体底部是有位移的，从而使得计算值偏大，验证了模型的合理性．

4)从图(a)、(b)及图(c)、(d)的对比可见，锚索施加位置桩体的位移在后续施工过程中变化不大，可见锚索在限制桩体位移上产生了一定的效果[12]．

2.5施工工序对桩体位移影响分析

基坑支护采用桩锚结构时，桩体水平位值是衡量基坑开挖与支护是否稳定的一个关键指标，而影响桩体水平位移的因素有很多[13]，如土体模量、支护桩刚度、支护桩长度、冠梁及腰梁刚度、施工工序等．由于篇幅影响本文仅将施工工序对桩身水平位移的影响进行模拟和分析，为此将本文边挖边撑的模型做了调整，调整后模拟开挖的分析步见表3，模拟的是先挖后撑的模型，并将两者进行对比．

表3　调整后模拟开挖分析步

调整后的算例模型是先挖后撑的施工工序，不同施工工序对基坑变形有着不同的影响，模型调整前、后模拟计算桩体水平位移曲线如图6所示．由图6可看见，随挖随撑和先挖后撑两种施工工序对桩体水平位移变化有较大的影响．采取先挖后撑的施工工序，在施加锚索前，桩体一直处于悬臂状态，位移曲线自下而上整体向基坑内侧倾斜，仅在施加锚索后，位移曲线向基坑内侧呈“凸起”状；在开挖支护完成后，桩顶最大位移8 mm，而工序调整前桩顶最大位移为5 mm，说明在锚索施加前，桩顶已经有相当的位移发生；桩体最大位移约12 mm，最大位移点出现在基坑底深度范围，而随挖随撑桩体最大位移约10 mm，最大位移点出现在基坑底向上至腰梁范围，且先挖后撑工序加速了最大水平位移点向基坑底部的开展，对桩体变形和受力是不利的．因此，在基坑开挖支护过程中，采取边挖边撑的工序，能充分发挥支护桩体、冠梁腰梁、锚索的变形协调作用，充分发挥各支护材料的性能，提高基坑边坡的稳定性，同时，还可以控制桩体总体变形量．

图6　调整前后各步序桩体位移曲线

3结语

本文利用ABAQUS有限元对基坑开挖进行了模拟，通过实测成果和模拟结果的对比分析得到了以下结论：

1)对于复杂基坑问题，有限元软件在简化计算模型的基础上能再现基坑施工过程，但与工程实际存在一定的差别，模拟计算成果更多的用于支护结构变化趋势的判定和预测．

2)随着基坑开挖、支护施工，桩体最大水平位移点向下开展，最大位移点出现在基坑底至腰梁深度范围，位移曲线向基坑内侧呈“凸起”状，曲线在冠梁和腰梁位置出现“反弯点”．受三维约束效应影响，桩体位移的实测值小于模拟计算值，利用模型计算成果进行基坑设计偏于保守．

3)不同施工工序对支护结构变形有较大的影响，“边挖边撑”工序能控制桩体变形总量，减缓桩体最大水平位移点向基坑底部开展，还能充分利用支护桩、冠梁腰梁及锚索与土体之间的变形协调作用，发挥各材料的性能，提高了基坑边坡的稳定性．

4)桩体水平位移变化受建筑材料性能、工程水文地质及边界约束等多种因素影响，基坑工程桩锚支护侧两端桩体与中间桩体的位移变化存在一定差异，有待进一步分析和研究．

参考文献：

[1]中国建筑科学研究院．建筑基坑支护技术规程(JGJ120-99)[S]．北京：中国建筑工业出版社，1999．

[2]费康，张建伟．ABAQUS在岩土工程中的应用[M]．北京：中国水利水电出版社，2010．

[3]李广信．高等土力学[M]．北京：清华大学出版社，2004．

[4]秦会来，张甲峰，郭院成，等．ABAQUS在计算基坑开挖变形中的应用研究[J]．岩土工程学报，2012，4(S1)：82-86．

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[6]李磊，段宝福．地铁车站深基坑工程的监控量测与数值模拟[J]．岩石力学与工程学报，2013，32(S1)：2684-2691．

[7]贺美德，乐贵平，刘军，等．奥林匹克公园某基坑围护结构受力和变形特性分析[J]．岩土工程学报，2008(S1)：582-587．

[8]陈泽昌．成都地铁2号线站东广场站基坑监测及位移反分析[D]．成都：西南交通大学，2011．

[9]张磊．某深基坑工程施工监测及有限元模拟分析[D]．哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011．

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[13] 张秀成，王义重，傅旭东．深基坑双排桩支护结构三维数值计算与应用[J]．武汉大学学报：工学版，2010，42(2)：227-231，238．

[责任编辑周文凯]

DOI：10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2016.03.009

收稿日期：2015-12-21

基金项目：国家自然科学基金项目资助(21372329)

通信作者：王绪锋(1981-)，男，工程师，硕士，主要从事岩土工程勘察，基坑、高边坡、软基处理监测及相关管理工作．E-mail：wangxufeng013@163.com

中图分类号：TU473

文献标识码：A

文章编号：1672-948X(2016)03-0036-04

Horizontal Displacement Monitoring for Pile-anchor Retaining Structure of Foundation Pit and PEA

Wang Xu Feng1Zhang Min2，3Guo Haiqing2，3Ai Chun Bin4

(1. Zhejiang Institute of Hydraulics & Estuary, Hangzhou 310020, China; 2. Geotechnical Research Institute, Hohai Univ., Nanjing 210098, China; 3. Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering, Hohai Univ., Nanjing 210098, China; 4.Northeast China Municipal Engineering Design & Research Institute, Hainan Yangpu Branch, Haikou 570125, China)

AbstractTaking a foundation pit project in Baoan District of Shenzhen for example and using ABAQUS finite element software to establish a three-dimensional symmetric model of single pile for pile-anchor supporting structure, the horizontal displacements of the pile are simulated under different conditions. And then comparing the simulated values with measured values, the rationality of the model is verified. At the same time, changing characteristics of the horizontal displacements of the pile under different construction processes are analyzed, so as to provide scientific basis for optimizing design and construction of foundation pit.

Keywordspile-anchor retaining structure;horizontal displacement;monitoring;finite element analysis(FEA)