软土深基坑双排桩-锚耦合支护技术研究

王占武

(辽宁省交通高等专科学校，辽宁沈阳110122)



软土深基坑双排桩-锚耦合支护技术研究

王占武

(辽宁省交通高等专科学校，辽宁沈阳110122)

基于数值软件FLAC3D，以某软土深基坑为例，对双排桩-锚耦合支护进行数值计算，分析耦合支护结构力学变形特性，并与现场监测进行对比分析。计算结果显示，前排桩最大水平变形位于桩长8 m处；桩长小于 8 m时，其水平变形与开挖深度呈正相关；桩长8～16 m时，其水平变形与开挖深度呈负相关。后排桩最大水平变形位于其顶部，约23.6 mm；桩长小于16 m时，支护结构水平变形与开挖深度呈负相关。数值计算表明，在软土深基坑开挖中，采用耦合支护结构是可行的。

软土深基坑；双排桩-锚支护结构；FLAC3D；变形；监测

0　引　言

随着地下空间的开发和城市超高层建筑物的兴起，深基坑工程逐渐增多，施工安全问题也日益突出[1- 3]。位于城市中心地区的深、大型基坑周围紧邻既有重要建(构)筑物、市政管线和地铁车站等，因基坑开挖引起的土体位移使周边建(构)筑物产生附加变形，变形过大会影响建筑物的正常使用，甚至导致建筑物结构破坏，造成严重的后果[4]。目前，对深基坑多采用放坡-土钉墙支护结构[5]、桩锚支护结构[6- 8]、双排桩支护结构[9- 11]、锚杆复合土钉支护[12- 14]等支护方法，但对双排桩-锚耦合支护结构研究较为少。本文以某软土深基坑工程为例，采用数值软件FLAC3D，对双排桩-锚耦合支护结构进行研究，分析双排桩-锚耦合支护结构的力学变形特性。

1　工程概况

某基坑支护工程东侧采用双排桩+锚杆的耦合支护结构，基坑开挖深度为12.8 m。前后排桩为旋挖成孔灌注桩，矩形布置，桩长20 m，桩径800 mm，桩间距1.2 m，排距2.4 m。冠梁及连系梁高×宽均采用1 000 mm×800 mm的C30现浇混凝土梁。锚杆层数为3层，第1、2层长18 m，倾角15°、13°；第3层长21 m，倾角15°，距离地面高度分别为2.5、6 m和9.5 m。基坑分4步开挖至基底，分步开挖深度分别为3、3.5、3.5 m和2.8 m。每层开挖预留0.5 m作为锚杆的施工作业面，每开挖一层后紧接进行该层的锚杆施工，尽量减少土体无约束应力释放的时间。基坑开挖示意见图1。

图1　基坑开挖示意

根据软土深基坑开挖揭露地层情况，基坑侧壁地层主要分布为：①杂填土1.7 m；②粉土夹粉质粘土2.2 m；③粉质粘土与粉砂互层8.0 m；④1～④4粉砂层分别为2.8、2.0、9.0 m和2.7 m；⑤淤泥质粉质粘土层1.6 m；⑥1～⑥2粉质粘土层分别为5.6、4.4 m。该工程场地平均地下水埋深约为2 m，属软土基坑支护范畴。各土层物理力学指标见表1。

表1土体物理力学参数

层号层度/m压缩模量/MPa剪切模量/MPa粘聚力/kPa内摩擦角/(°)①1.76.72.535②2.214.55.4523③8.013.35.92411④12.810.76.3—24④22.010.56.5—21④39.010.26.0—26④42.710.46.2—22⑤1.614.06.13820⑥15.612.66.43516⑥24.412.46.73118

2　数值分析

2.1计算模型及参数

采用FLAC3D数值软件进行计算。考虑到基坑近似于对称结构，计算范围取整体工程的1/4建模，为均匀土体。参照类似基坑计算得知，基坑开挖的影响范围一般为开挖深度的2～3倍，基坑模型尺寸为80.0 m×100.0 m×40.0 m(长×宽×高)。采用弹塑性模型进行计算分析，采用Mohr-Coulomb屈服准则。模型上部设定为自由面，依靠土体自身重力，不考虑地下水的影响。排桩均用Pile结构单元模拟，排桩间的冠梁及连系梁均采用Beam单元来模拟，锚杆采用Cable单元模拟。模型中，前后排桩、冠梁、连系梁均采用C30混凝土，弹性模量为30.5 GPa，抗压极限强度为21 MPa，弯曲抗压极限强度为23 MPa，抗拉极限强度为2.1 MPa。计算模型共有32 400个实体单元，36 554个实体单元节点。

2.2模拟开挖方案

为使模拟和实际工程开挖支护过程更为接近，本模型分4步开挖至基底，第1步开挖3 m，随后立即施加锚杆预应力，求解至平衡状态后进行第2步开挖3.5 m，依次进行第3、4步开挖，在第3步开挖后施加最后1层锚杆预应力。模拟开挖过程见图2。

图2　模拟开挖模型

3　数值计算结果与分析

3.1前后排桩弯矩对比

支护结构内力变化随基坑开挖深度的增加处于动态的变化过程，前后排桩桩身内力随开挖深度的增加表现出各自不同的特点。前后排桩随基坑分步开挖时桩身弯矩见图3。

从图3可知，每步开挖后，前排桩出现2次反弯点，第1次出现在桩顶以下2 m处，第2次出现在基底处。随着开挖深度的增加弯矩逐渐增大，变化幅度较为明显。从第4步开挖可以明显看出，在每层锚杆位置附近，弯矩值发生了回缩，对弯矩整体的改变较为明显；前2步开挖也可看出锚杆作用力对桩身弯矩的影响，对桩身受力性能的改善作用较为明显。与前排桩不同，后排桩出现了3次反弯点。第1次同样出现在桩顶以下2 m处左右，第2次出现在桩中心位置，第3次出现在基底以上。每步开挖后弯矩逐渐增大，但幅度较为缓和，并没有发生回缩，说明锚杆作用对支护结构的影响只作用在前排桩上。

图3　分步开挖桩身弯矩

3.2支护结构水平变形

随基坑分步开挖，前后排桩水平位移阶段性增长，双排桩-锚耦合支护结构水平变形情况见图4。

图4　分步开挖桩身水平位移

从图4可知，前排桩的最大水平位移出现在其中上部，约在桩长8 m处，在第4步开挖时最大水平变形值约32.4 mm；桩长小于8 m时，支护结构水平变形与开挖深度呈现正相关，显著性较高；桩长为8～16 m时，其水平变形与开挖深度呈现负相关，显著性较高；桩长为16～20 m时，支护结构水平位移基本趋于稳定状态，均在10 mm以内。后排桩的最大水平位移出现在其顶部，约23.6 mm；桩长为0～16 m时，支护结构水平变形与开挖深度呈现负相关，第2、3、4步开挖显著性突出，第1步开挖显著性较弱；桩长为16～20 m时，支护结构水平位移基本趋于稳定，均在8.0 mm以内，满足实际施工安全要求。

3.3前后排桩水平变形对比

为深入研究前后排桩与开挖深度的协调变形情况，对不同开挖深度下前后排桩的水平变形进行比较分析。分步开挖前后排桩的水平变形见图5。

图5　分步开挖前后排桩水平位移

从图5可知，前后排桩桩顶水平位移几乎相同，说明这种门式刚架结构具有较好的整体性，连系梁发挥了很好的协同作用，带动前后排桩协同受力；前排桩最大水平位移随开挖深度的增加由中部向上移动，稳定在距桩顶8 m处，此时与后排桩最大水平位移差约为10 mm，说明桩顶连系梁和锚杆均对前排桩的侧移产生了很好的限制作用；后排桩的最大水平位移发生在桩顶，随开挖的进行逐渐减小直至趋于稳定，与单纯双排桩支护结构后排桩的变化规律相似，说明耦合结构锚杆的作用对后排桩侧移的影响不大；基坑完成第2步开挖时，前排桩位移已经接近最大值，此时后排桩的侧移仍很小；基坑开挖至基底，后排桩的位移变化始终滞后于前排桩，表明前排桩先于后排桩发挥作用。前后排桩位移变化趋势大致相同，表明前后排桩已协同工作。在传统的双排桩结构中，后排桩的滞后现象更加明显，可见增加锚杆后的耦合结构对于控制侧移效果更好。当基坑开挖至基底时，仍存在一定位移，但数值很小并逐渐趋于稳定，说明结构设计桩长较为合理，没有出现桩底嵌固长度不足的现象，也没有桩长浪费。

4　与监测数据对比

在本基坑东侧双排桩耦合支护结构施工区域，施工过程中每隔20 m在前后排桩中分别布设1根全长20 m的测斜管，对其水平位移进行动态监测。提取第2、4步开挖完成后水平位移监测结果与数值计算结果进行比较(见图6)。

图6　前后排桩位移计算值和实测值对比

从图6可知，实际监测值与数值计算结果存在一定差距，但整体变化趋势相同，最大水平变形差约10 mm，满足实际施工变形控制的精度要求，说明模型的建立和参数的选取较为合理，数值计算具有较高的可靠性。前后排桩监测数据初始水平变形几乎相等，这与数值计算结果相吻合。基坑初始开挖时的监测值均高于模拟计算结果，主要是因数值计算时假设基坑开挖后立即安装预应力锚杆支护，而在实际工程中需要等面层达到一定强度后才能进行锚杆及腰梁施工，待混凝土达到抗拉拔强度要求后才可施加预应力，一般需要7～10 d的间隔。在此过程中，土体仍在应力释放，产生位移，故实际水平位移略大于模拟计算位移十分合理。

5　结　论

基于数值软件FLAC3D，对软土深基坑双排桩-锚耦合支护结构支护效果进行数值分析，并与现场监测结果进行比较分析。得到主要结论：

(1)前排桩的最大水平变形位于其中上部，约在桩长8 m的位置处，第4步开挖时最大水平变形约32.4 mm；桩长小于8 m时，支护结构水平变形与开挖深度呈现正相关；桩长为8～16 m时，其水平变形与开挖深度呈现负相关。

(2)后排桩的最大水平变形位于其顶部，约23.6 mm；桩长小于16 m时，支护结构水平变形与开挖深度呈负相关；桩长为16～20 m时，支护结构水平变形趋于稳定，均在8.0 mm以内，均满足施工控制精度要求。

(3)耦合结构的桩身弯矩和单纯双排桩结构有着明显的差别。单纯的双排桩结构桩身弯矩变化幅度较大，而耦合结构由于锚杆和连系梁的协同作用，结构受力更均衡，对其工作性能的改善较为明显，耦合结构具有优越性。

(4)数值计算与监测结果表明，双排桩-锚耦合支护方法能有效地控制软土深基坑开挖卸荷产生的水平变形，且耦合支护结构受力特性良好。

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(责任编辑杨健)

Study of Double-row Piles with Anchor Coupling Support for Deep Foundation in Soft Soil

WANG Zhanwu

(Liaoning Provincial College of Communications, Shenyang 110122, Liaoning, China)

The double-row piles with anchor coupling support for a deep foundation pit in soft soli is analyzed by using FLAC3D. The deformation characteristic of composite support structure is numerically analyzed and compared with field monitoring. The results show that, (a) the maximum horizontal deformation of front row is at the position of 8 m of pile, the connection between horizontal deformation and excavating depth is positive correlation when the length of pile is less than 8 m, but the connection between horizontal deformation and excavating depth is negative correlation within the scope of 8- 16 m of pile length; and (b) the maximum horizontal deformation of back row is at the top of pile with a maximum distance of 23.6 mm, and the connection between horizontal deformation and excavating depth is negative correlation when the length of pile is less than 16 m. The calculation results reveal that the application of double-row piles with anchor composite structure in deep foundation pit excavation is feasible．

soft soil deep foundation pit; double-row piles with anchor support structure; FLAC3D; deformation; monitoring

2016- 01- 04

国家自然科学基金项目(51504125)

王占武(1975—)，男，黑龙江明水人，讲师，主要从事岩土工程和测量教学工作．

TU473

A

0559- 9342(2016)05- 0085- 05