基坑开挖对桩锚支护结构的影响分析

陈丽玲， 邱洪志

(1.浙江永嘉县建筑工程质量监督站， 浙江 温州 325100；2.成都大学 建筑与土木工程学院， 四川 成都 610106)



基坑开挖对桩锚支护结构的影响分析

陈丽玲1， 邱洪志2

(1.浙江永嘉县建筑工程质量监督站， 浙江 温州 325100；2.成都大学 建筑与土木工程学院， 四川 成都 610106)

结合工程实例分析了基坑分步开挖过程中桩锚支护结构的变形特征及其内力变化规律，对数值模拟结果和工程实例监测结果进行了对比分析.结果表明：基坑开挖后，主动土压力区地应力状态发生改变，支护桩产生的水平位移最大值随着开挖深度增加而下移；预应力锚索结构能有效的控制支护桩产生的水平位移；数值方法可以有效地为信息化施工提供依据，对指导基坑的安全施工有一定的作用.

桩锚支护；深基坑；基坑开挖；数值模拟

0 引 言

近年来，随着城市化建设进程的加快，超高层建筑的数量不断增加，基坑支护工程作为地下工程建设的一个重要环节，越来越受到人们的重视[1].由于基坑工程大多临近高层建筑，为了尽量减小工程建设施工对临近建筑的影响，要求基坑支护结构的内力与变形必须控制在一定范围内.在实际工程中，往往由于工程所处环境复杂、施工难度大，经常出现一些由于基坑开挖而导致坑壁侧向变形过大而影响临近建筑的安全或造成临近建筑物的损坏的现象.对此，科研人员进行了大量工程实例研究，并提出了相应的解决方案[2-7].其中，桩锚联合支护结构体系虽已广泛的应用于工程实际中，但该支护体系在超深基坑工程应用中的相关研究尚不成熟，特别是针对基坑开挖对支护桩变形的影响以及锚索轴力变化趋势的研究.对此，本研究结合实际工程的监测结果，运用ABAQUS大型有限元分析软件对实际工程进行了模拟计算，并与实际监测结果进行了对比分析，本研究结论可为信息化施工提供依据，并对指导深基坑的安全施工有一定的作用.

1 工程概况及现场监测

1.1 工程概况

作为分析对象的某深基坑工程，基坑形状近似矩形，全长为169.55 m，宽为68.3 m，基坑开挖深度为13.95 m，基坑监测平面布置如图1所示.现场勘探数据显示，该工程场地范围内，表层为人工堆积的杂填土，其下为第四纪沉积地层，分析其成因为黄河冲积沉积物，土层分布相对均匀稳定，地面以下43.5 m深度范围内的土层物理力学参数见表1.

图1 基坑监测平面布置图

1.2 基坑支护方案

该工程的基坑支护结构形式采用桩锚联合支护体系，钻孔灌注桩直径Φ为900 mm，桩间净距为1 500 mm， 混凝土强度等级采用C30.沿基坑深度方向设置3排锚索，锚索直径Φ为150 mm，锚索倾角为160°，锚索轴力设计标准值均为450 kN，施加预应力180 kN，各排锚索设置位置见图2所示.

图2 基坑支护各排锚索设置位置图

1.3 监测方案

由于该基坑按照一级基坑要求进行施工监测，为保证基坑安全施工，及时为基坑信息化施工提供反馈信息，本研究对基坑支护桩水平位移变化和锚索轴力变化进行了监测，具体程序为：待支护桩的钢筋笼绑扎完毕后，将测斜管固定在钢筋笼上并随钢筋笼一起吊入桩孔内，浇注混凝土，使测斜管与支护桩形成一个整体，能与墙体同步变形；支护桩水平位移监测沿基坑冠梁布置14个测点，锚索内力监测沿着基坑壁布置9个测点，具体位置见图1，每3 d进行一次监测.

2 计算模型与工况

2.1 模型参数选取

本模型中，边坡土体参数按照表1中对应的数值选取.基坑支护结构采用桩锚联合支护形式，支护桩为钢筋混凝土灌注桩，弹性模量取E=34 GPa，泊松比μ=0.25；采用张拉预应力锚索，E=200 GPa，μ=0.2，锚索倾角为160°.基坑开挖深度为14 m，开挖宽度B/2为40 m，支护桩直径为0.9 m，桩间净距为1.5 m，桩的嵌固深度为10 m.锚索张拉时一次性施加预应力为180 kN，锚索的竖向间距为3 m，第一排锚索距桩顶5.5 m，总长度为23.5 m，自由段长度为8 m，锚固段长度为15.5 m；第二排锚索总长度为21 m，自由段长度为6 m，锚固段长度为15 m；第三排锚索总长度为18 m，自由段长度为6 m，锚固段长度为12 m.

2.2 有限元分析

该基坑工程分4级开挖，本研究利用ABAQUS有限元分析软件模拟各个开挖过程.ABAQUS中利用“单元生死”功能，在分析步定义选项块中通过单元移除与单元激活，来实现基坑分步开挖[8].锚索结构的预应力可在模型定义中定义单元的初始应力，然后在分析步将其移除，当该模型被重新激活时，单元就具有预应力.

2.3 计算工况

本模型的具体计算工况如下：

1)工况1.基坑开挖至原始地面以下-5.5 m处，增加第1排锚索.

2)工况2.待第1排锚索嵌固端水泥浆达到一定强度后，继续开挖至-8.5 m处，增加第2排锚索.

3)工况3.待第2排锚索嵌固端水泥浆达到一定强度后，继续开挖至-11.5 m处，增加第3排锚索.

4)工况4.待第2排锚索嵌固端水泥浆达到一定强度后，继续开挖至基坑坑底，即-14 m处.

可见，从工况1到工况4分别模拟了基坑开挖全过程.施工顺序应遵循先锚后挖的原则，并采用整体分层开挖.

3 数值模拟结果与监测结果对比分析

3.1 数值模拟分析

目前，锚索作用机理的研究尚不够成熟，在有限元分析软件ABAQUS中，很难准确地模拟预应力对锚索的作用.考虑到这一原因，本研究不对锚索轴力的数值模拟结果进行分析，在模拟预应力的作用时，采取待锚索设置完后，对锚索施加一个初始应力.通过有限元模拟计算，得到了4种不同工况下，支护桩随着基坑开挖深度的增加其水平位移的变化规律，具体如图3所示.

图3 各工况下支护桩水平位移

从图3中可看出：在工况1情况下，当基坑开挖至-5.5 m时，支护桩发生的位移主要集中在开挖段，最大位移累计值为5.12 mm；当基坑开挖至工况2时，支护桩的水平位移最大值在-8m左右处，未开挖的部分桩的变形较小，桩顶的位移量较小，其原因是桩顶的冠梁对支护桩起到了约束作用；当基坑开挖至工况4时，支护桩的变形曲线大体呈抛物线形，在桩身的中间部位，水平位移值最大，桩身两端桩的变形逐渐减小.此外，从支护桩的变形曲线还可以看出，在设置锚索的位置处，变形曲线出现了“内凹”的现象，说明支护桩的变形受到了一定的约束，锚索和支护桩的共同作用对减小支护桩的偏移和基坑的变形十分有效.另外，桩顶的水平位移随着基坑开挖深度的增加变化很小，说明支护桩桩顶设置冠梁对控制支护桩的变形很有效.

3.2 锚索轴力监测数据分析

在基坑开挖过程中，3排锚索设置的时间不同，各排锚索的轴力状态也不一致.图4给出了一个监测点的锚索轴力变化趋势.

图4 3排锚索轴力实测值

第1排锚索是在基坑开挖至-5.5 m处设置的，监测工作是从锚索设置好以后开始的，图4中第1排锚索轴力值开始时为189 kN，随基坑开挖深度增加，该值呈波动上升状态.第2排锚索设置在基坑-8.5 m处，从图4可以看出，锚索轴力值在开始时最大，为348 kN，随着基坑开挖深度的增加，锚索轴力值逐渐减小，当设置第3排锚索后该轴力值变化逐渐趋于稳定.第3排锚索设置在基坑-11.5 m处，开始时锚索的轴力值较小，随着基坑开挖深度的增加，轴力值逐渐变大.从图4可以看出，3排锚索的轴力值在前期变化比较明显，特别是第2排和第3排锚索，而当基坑开挖至底后，锚索的轴力值变化幅度很小，基本上保持在同一水平上.可见，桩锚支护结构在基坑支护过程中充分发挥了各自的优势，锚索有效地限制了支护桩的水平位移，保证了基坑的稳定性.

3.3 支护桩水平位移对比分析

在基坑开挖过程中，支护桩产生的水平位移是判断基坑是否处于安全稳定状态的一项重要指标.因此，通过监测支护桩水平位移变化情况，可及时为基坑的安全施工提供反馈信息.

图5给出了其中一根支护桩水平位移计算值和实测值的变化曲线，其中数值模拟曲线表示模拟工况4时，所得到的支护桩水平位移变化值.实测曲线表示基坑开挖结束后，支护桩水平位移累计值.

图5 支护桩水平位移计算值与实测值对比

从图5可以看出，数值模拟结果和实测结果比较接近，桩的变形趋势一致，实测结果要比数值模拟值偏大.数值模拟与实测结果存在差异的原因主要是，预应力锚索结构在桩锚联合支护体系中发挥了重要作用，其中锚索的这种作用在数值模拟中很难实现，支护桩受到锚索的约束作用存在差异，从而使支护桩产生的水平位移存在偏差.另外，在数值模拟分析时，选取的相关参数偏保守，也使计算结果数据偏小.

4 结 论

本研究结合工程实例重点分析了桩锚支护结构在基坑开挖过程中的内力及位移变化规律，具体可概括为：基坑开挖后，主动土压力区地应力状态发生改变，支护桩产生的水平位移最大值随着开挖深度增加而下移，开挖结束后最大值出现在基坑-11 m左右位置处；预应力锚索结构能有效地控制支护桩产生的水平位移，桩锚联合支护体系可共同发挥各自的优势，在实际工程中合理利用锚索结构，能取得较好的效果；通过对比支护桩水平位移的数值模拟结果和实际监测结果表明，数值方法可以作为一种有效的研究手段，但数值结果和实测结果存在一定的偏差，数值方法中预应力锚索的模拟方法还有待进一步完善.

[1]余志成,施文华.深基坑支护设计与施工[M].北京:中国建筑工业出版社,1997.

[2]尤春安,战玉宝.预应力锚索锚固段的应力分布规律及分析[J].岩石力学与工程学报,2005,24(6):925-928.

[3]饶强.预应力锚索在深基坑支护中的应用[J].工业建筑,2010,40(s):1110-1113.

[4]李华伟,聂庆科.深基坑开挖过程中桩锚支护结构变形和受力状态演化过程[J].煤炭学报,2011,36(s2):315-370.

[5]熊智彪,王启云,谷淡平.某桩锚支护结构设计及预应力锚索测试分析[J].建筑结构,2010,40(2):106-109.

[6]蔡袁强,李碧青,徐长节.挖深不同情况下基坑支护结构性状研究[J].岩土工程学报,2010,32(s1):28-31.

[7]高伟,窦远明,周晓理,等.分步开挖过程中基坑支护结构的变形和土压力性状研究[J].岩土工程学报,2006,28(s):1455-1459.

[8]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.

Analysis of Influence of Foundation Pit Excavation on Pile-anchor Structure

CHENLiling1,QIUHongzhi2

(1.Construction Quality Supervision Station of Yongjia County, Wenzhou 325100, China;2.School of Architecture and Civil Engineering, Chengdu University, Chengdu 610106, China)

The paper,based on real engineering projects,analyzes the law of deformation characteristics and the internal force variation of the pile-anchor support structure in the process of excavation by steps.By comparing the monitoring results of the projects and the numerical simulation results,we obtain the results showing that the crustal stress of the active earth pressure area state is changed after the pit excavation.With the increase of the excavation depth,the maximum horizontal displacement of the supporting piles goes down.At the same time,the pre-stressed anchor cable structure can effectively control the horizontal displacement of the supporting piles.In addition,the analysis results show that the numerical method can be used as an effective method of research to provide a basis for the informationalized construction and also have certain effects on the safe construction of foundation pits.

pile-anchor support;deep foundation pit;foundation pit excavation;numerical stimulation

1004-5422(2017)02-0209-04

2016-12-12.

国家自然科学基金(41401608)资助项目.

陈丽玲(1987 — )， 女， 硕士， 工程师， 从事建筑工程质量相关技术研究.

TU753

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