深基坑桩锚支护受力特征分析——以海南某基坑支护为例

田野*，罗飞，李小刚，范然，王建筱，邵勇，陈志浩

（湖北省城市地质工程院，湖北武汉，430074）

深基坑桩锚支护受力特征分析
——以海南某基坑支护为例

田野*，罗飞，李小刚，范然，王建筱，邵勇，陈志浩

（湖北省城市地质工程院，湖北武汉，430074）

运用MIDAS GTS NX有限元软件辅助理正深基坑进行方案设计，对海南某地块项目建立二维深基坑模型，分析基坑支护结构的应力-应变、位移、支护结构内力及周边土体沉降等。根据模型的计算结果可知，坑顶沉降在坑边较小，随距坑边距离增加，沉降逐渐增大，达到一定程度后逐渐减小至零；支护结构水平方向位移主要发生在支护桩周界区域，从变化规律上看，桩顶位移较小，随开挖深度的增加，位移逐渐增加，临基底位移达到最大值，基底以下位移逐渐减小并趋于稳定；受力锚索轴力在自由段均匀分布且在整个锚索长度范围内为最大值，进入锚固段后锚索轴力向锚端逐渐减小。

深基坑；桩锚；数值模拟；MIDAS GTS NX-2D

引言

随着社会的发展，我国城市建设不断迈向高层、超高层建筑，深基坑工程也就越来越多。在当前的基坑工程中，由于各场地形条件、工程地质条件、施工技术等各类因素的影响，支护结构型式多种多样，既有典型的单一支护结构，也有较复杂的多种支护结构的组合[1]。桩锚支护可用于不同深度的基坑，但锚杆容易产生超越红线、地下施工遇障碍物或毗邻建筑物基础等限制[2]。与其它支护方法相比，桩锚支护安全系数高，施工文明，便于土方开挖和地下室基础施工，这一支护方法在海南地区应用非常广泛，也取得良好的社会经济效益[3]。本文运用 MIDAS-NX 有限元软件辅助理正基坑支护进行方案设计，对海南某地块项目建立二维深基坑模型，利用莫尔-库伦本构模型，分析基坑支护结构的应力-应变、位移、支护结构内力及周边土体沉降等，探讨桩锚支护受力特点，为基坑设计、施工及变形监测提供依据。

1 软件简介

MIDAS GTS NX(New experience of Geo-Technical analysis System)岩土和隧道有限元分析软件是基于计算机图形处理和分析技术集合而成的通用岩土分析软件。GTS NX可考虑岩土分析中最重要的材料非线性以及岩土的初始应力状态，最大化反映实际现场情况。在不同的荷载和边界条件下，可进行的分析包括静力分析、渗流分析、应力-渗流耦合分析、固结分析、施工阶段分析、动力分析等分析领域。通过定义多个施工阶段，进行不同施工阶段内力及位移分析，验证结构的安全性及对周边环境的影响，从而指导方案的优化设计。GTS NX 提供多种土体本构模型，本工程采用修正莫尔-库仑本构模型，支护结构采用线弹性模型。

2 工程概况

该地块位于海南某市一地区，拟建 5栋高层住宅，设三层整体地下室，地下室开挖深度13.78m，开挖面积24000m2，开挖周长 710m。基坑支护型式采用钻孔灌注桩加三排预应力锚索支护，支护桩桩径1.0m，桩间距1.3m，锚索水平间距1.3-2.6m，桩后设计三轴搅拌桩止水围幕。

3 场地地质条件

在场地范围内，场地地层为人工填土层（Qml）、第四系中更新统海陆相沉积层（Q2mc）、第四系下更新统海相沉积层（Q1m）以及上第三系海相沉积层（N2m）,基坑支护设计所需的各土层的物理力学参数指标如表1所示：

表1 基坑支护设计参数Table 1 Design parameters of foundation pit support

4 有限元模型建立

表2 基坑支护模型材料参数表Table 2 Foundation pit support model material parameters

采用有限元软件对本工程进行模拟分析,设置三排预应力锚索，倾角20°。由于土体是典型的弹塑性材料，卸载模量远大于加载模量，修正莫尔-库仑模型能更清楚的表明压缩和卸载的关系。因此本工程土体采用修正莫尔-库仑本构模型，能清楚模拟土体卸载时的应力-应变关系。为研究施工过程中各构件的荷载效应和变形分析，二维有限元模型中土体模型、灌注桩采用平面应变模拟。根据工程经验，模型计算范围取基底以下2倍的基坑开挖深度，影响宽度取开挖深度的2～3倍。土体按照不同材料分为7层，材料参数按基坑支护模型材料参数表和基坑支设计参数表（表2）选取。

图1 二维有限元模型Fig.1 Two-dimensional

图2 支护结构剖面图modelFig.2 Profile of Support structure

5 模拟结果与分析

本工程设计3层锚杆，按照实际施工工序，分5步模拟基坑的施工过程。Midas通过删减土体单元和增加结构支护单元（桩、锚杆单元）来模拟开挖和支护[4]。

5.1 基坑竖向位移

图3 开挖至基底时竖向位移图Fig.3 The vertical displacement diagram based on model

图4 理正计算坑顶沉降Fig.4 Foundation pit settlement based on Lizheng software

支护结构对土体的位移起到了一定的控制作用，同时土体与桩之间的摩擦（桩与土体之间的接触单元）限制了土体的变形，所以地表最大沉降发生位于距开挖面一定距离处[5]。根据模拟结果(图3)，坑顶沉降在坑边较小，随距坑边距离增加，沉降逐渐增大，其沉降变化规律与理正计算软件抛物线法计算结果较一致，随距坑边距离增加，沉降达到一定程度后逐渐减小至零。在进行基坑设计时，当抗隆起验算满足规范要求后，往往忽视隆起位移，但从模拟结果可知，本项目最大位移发生在基底，其最大隆起位移值达到24.5mm，并在支护结果以外的土体仍有微小的变化，说明基坑开挖会对更大范围内的土体产生扰动。

5.2 支护结构水平位移

根据模拟结果(图5)，支护结构水平方向位移主要发生在支护桩周界区域，包括桩端以下受基坑开挖影响产生的微小扰动位移。从变化规律上看，桩顶位移较小，随开挖深度的增加，位移逐渐增加，临基底位移达到最大值，基底以下位移逐渐减小并趋于稳定，其变化规律与理正深基坑计算软件较一致，理正计算最大位移为17.82mm，模拟计算最大位移为11.7mm，略小于设计软件结果。

图5 开挖至基底时水平位移图Fig.5 The horizontal displacement diagram based on model

图6 理正计算支护桩水平位移Fig.6 The horizontal displacement based on Lizheng software

5.3 支护结构受力特征

图7 开挖至基底时支护桩弯矩图Fig.7 Bending moment diagram of supporting pile based on model

图8 开挖至基底时第一层锚索轴力图Fig.8The axial force diagram of the first line anchor

图9 开挖至基底时第二层锚索轴力图Fig.9The axial force diagram of the second line anchor

图10 开挖至基底时第三层锚索轴力图Fig.10 The axial force diagram of the third line anchor

图示（图7-图10）为开挖至基底后支护桩弯矩图和锚索轴力图，由模拟结果知，第一排锚索轴力在自由段均匀分布且在整个锚索长度范围内为最大值，进入锚固段后锚索轴力向锚端逐渐减小。锚杆自由段相当于一端固定，另一端自由的杆件，受轴向力后整段杆件中轴力均匀分布，而进入锚固段后由于砂浆的传力作用，逐渐将锚杆轴力分担给锚孔周围土体承担，因此，锚杆轴力逐渐减小[5]。但同时第二排和第三排锚索的受力特点与第一排锚索完全不同，第二排和第三排锚索未出现自由端轴力均匀分布且达到最大值的情况，结合支护桩弯矩图中桩弯矩的变化情况，可知第二排和第三排锚索未产生有效的锚固作用。但在理正深基坑设计软件中取消第二排和第三排锚索后，会发现整体位移基本在规范允许范围内，但抗倾覆等稳定系数不满足规范要求。模拟结果也进一步提示第一排锚索的锚固作用更大，在施工中更应加强施工质量的控制。

图11 开挖至基底效果图Fig. 11 The foundation pit after excavation

图12 开挖至基底效果图Fig.12 The foundation pit after excavation

6 结束语

本次基坑顺利开挖至基底，位移得到有效控制，根据施工期间及后期监测数据显示，最大水平位移在 2cm以内，未出现明显地面变形或结构破坏现象。本文运用MIDAS GTS NX 有限元软件辅助理正深基坑进行方案设计，对海南某地块项目建立二维深基坑模型，将土体划分有限网格单元，建立周边荷载条件、边界条件，利用莫尔-库伦本构模型，分析基坑支护结构的应力-应变、位移、支护结构内力及周边土体沉降等。根据模型的计算结果得出如下结论：

（1）坑顶沉降在坑边较小，随距坑边距离增加，沉降逐渐增大，达到一定程度后逐渐减小至零。在进行基坑设计时，隆起位移值不应被忽略，并应注意在支护结果以外的土体仍有微小的变化，说明基坑开挖会对更大范围内的土体产生扰动。

（2）支护结构水平方向位移主要发生在支护桩周界区域，包括桩端以下受基坑开挖影响产生的微小扰动位移。从变化规律上看，桩顶位移较小，随开挖深度的增加，位移逐渐增加，临基底位移达到最大值，基底以下位移逐渐减小并趋于稳定。

（3）受力锚索轴力在自由段均匀分布且在整个锚索长度范围内为最大值，进入锚固段后锚索轴力向锚端逐渐减小。第一排锚索的锚固作用更大，在施工中更应加强施工质量的控制。

[1]陈忠汉. 深基坑工程[M]. 2版. 北京(机械工业出版社),2002.

[2]王波. 排桩锚杆联合支护在深基坑中的应用[J]. 低温建筑技术,2008,(03).

[3]雷贵华. 海南某地块深基坑工程设计实例[J]. 资源环境与工程,2016,30(1)： 100-104.

[4]张勇,赖惠成. 基于Midas技术的多层分布式应用程序开发[J]. 新疆大学学报,2003,20(2)： 139-141.

[5]李明英,曾明. 基于MIDAS深基坑桩锚支护数值模拟分析[J]. 水土保持研究,2012,19(1)： 250-253.

Analysis of Stress Characteristics of Pile - anchor Supporting in Deep Excavation——Taking the Support of a Foundation Pit in HaiNan As an Example

TIAN Ye*,LUO Fei,LI Xiaogang,FAN Ran,WANG Jianxiao,SHAO Yong,CHEN Zhihao
(Hubei Institute of Urban Geological Engineering,Hubei Wuhan,430074,China)

A two-dimensional deep foundation pit model is established by using large finite element soft ware (i.e MIDAS GTS NX),based on a Foundation Pit in HaiNan .The stress-strain,displacement,internal force of support structure and settlement of surrounding soil in foundation pit support structure are analyzed.The model shows that the pit roof settlement is small in the pit edge,and the distance from the pit is increased,and the settlement gradually increases to a certain degree and then gradually decreases to zero.The lateral displacement of the support structure is mainly occurred in the perimeter area of the support pile,from the point of view of change rule,pile top displacement is small,with the increase of excavation depth,displacement increase gradually,in the base displacement peak,basement under the displacement decreases and tends to be stable.The force of the force is evenly distributed in the free segment and the maximum in the whole length of the cable,and the anchor cable is gradually reduced to the anchor when it enters the anchorage section.

Deep foundation；Pile-anchor retaining；Numerical simulation ；MIDAS GTS NX-2D

TU473

B

1672-9129(2017)06-0133-04

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.06.047

田野,罗飞,李小刚,等. 深基坑桩锚支护受力特征分析——以海南某基坑支护为例[J]. 数码设计,2017,6(6)： 133-136.

Cite：TIAN Ye,LUO Fei,LI Xiaogang,et al. Analysis of Stress Characteristics of Pile - anchor Supporting in Deep Excavation——Taking the Support of a Foundation Pit in HaiNan As an Example[J]. Peak Data Science,2017,6(6)： 133-136.

2017-02-05；

2017-03-13。

田野（1984-），男，工程师，硕士，研究方向：地下水科学与工程，主要从事基坑、地灾等方面工作。

Email：23997194@qq.com