预应力锚索咬合桩深基坑支护设计与施工三维数值模拟分析

2018-01-03王立学

城市道桥与防洪 2017年12期

关键词：围护结构拉力锚索

王立学

（甘肃省兰州市政建设集团有限责任公司，甘肃兰州730000）

预应力锚索咬合桩深基坑支护设计与施工三维数值模拟分析

王立学

（甘肃省兰州市政建设集团有限责任公司，甘肃兰州730000）

以天水市成纪地下污水处理厂基坑支护工程为背景，采用三维有限元方法对预应力锚索咬合桩支护结构及施工过程进行了三维数值模拟分析。首先，考虑各种工况及复杂环境，建立三维有限元计算模型，建模时可以依据等效刚度原则将咬合桩加组合型钢腰梁共同受力围护体系用地下连续墙替代；其次，分别设置与实际情况相符的有超挖工况和正常施工的无超挖工况进行对比，分析了超挖对围护结构侧移、基坑变形及锚索拉力变化带来的不利影响。研究结果得到了基坑开挖过程中围护结构变形、弯矩及锚索拉力等数据的变化规律，对该围护型式下的基坑设计和施工具有一定的参考意义。

咬合桩；预应力锚索；地下连续墙；数值分析

0 引言

咬合桩具有施工速度快、安全性高、经济节约等诸多优点[1]。当前，在基坑设计中，咬合桩用作临时支护结构时是不考虑素桩对抗弯的作用。廖少明等通过模型试验和现场试验证明了咬合桩设计中应考虑素桩对抗弯的贡献[2]。咬合桩与预应力锚索组合而成的支护结构更是比桩加钢支撑等基坑支护方法在大面积深基坑支护应用时，拥有更多的施工作业空间。本文所述天水成纪新城地下净水厂深基坑支护结构便采用钻孔咬合桩加预应力锚索支护型式。考虑该工程复杂的地质情况，为获得深基坑开挖过程中围护结构受力变形、土体变形、渗流等变化规律，基于三维有限元方法对预应力锚索咬合桩深基坑支护设计与施工进行数值计算，以期其分析对该基坑支护结构设计和施工具有一定的指导和参考。

1 工程概况

1.1 工程简介

天水成纪新城地下净水厂工程位于天水市成纪新城东南角，北临渭河大桥，东邻渭河，西临渭河大桥连接线，南临藉河。地下净水厂深基坑呈一近似矩形，长约173.2 m，宽约102.5 m，面积约17 395 m2，基坑周长约537 m，开挖深度约为9～14 m，其平面图如图1所示。

图1 基坑平面图

1.2 工程水文地质概况

天水成纪新城地下净水厂施工场地内地下水属第四系孔隙潜水，主要含水层为②层圆砾、③层卵石，水位埋深为7.1～8.5m。土层主要由第四系人工堆积物、第四系冲洪积物，以及第三系中风化岩所组成。根据地质勘查报告中各地层变化情况分析并简化总结为四层，从上而下依次为粗砂、圆砾、卵石、中风化岩，详细力学参数如表1所列。

1.3 支护体系

净水厂基坑支护主要采用咬合桩加预应力锚索的支护型式。咬合桩荤素搭配，整个场地内分为桩径1.2 m和桩径1.0 m两种，咬合量均为0.3 m。预应力锚索大多数为4束直径15.2 mm的钢绞线，少部分为5束直径15.2 mm的钢绞线，处在相同水平层位置的预应力锚索张拉锁定时，锁于同一型钢组合腰梁上。预应力锚索在不同开挖位置处，其排数、间距各不相同。

表1 各地层力学参数表

2 建立数值模型

2.1 模型简化

在施工场地内，其基坑内外均采用降水井降水，只考虑坑内外水压对咬合桩的水平压力作用，不考虑水的渗流。咬合桩整体受力形式类似地下连续墙，通过理论计算咬合桩可以等效为具有一定厚度的地下连续墙。

2.2 计算参数选取

数值计算模型中土体均以实体单元来模拟。摩尔-库伦破坏准则简单、准确，对于岩土材料的适用性最广泛，故本文中土体材料选取摩尔-库伦本构模型。模型中的锚索单元类型为植入式桁架，材料性质为弹性；依据刚度等效原则，以合理厚度的地下连续墙模拟咬合桩、冠梁、组合型钢腰梁共同构成的围护结构，单元选为板。

2.3 咬合桩等效为地下连续墙理论计算

咬合桩受力机理极为复杂，现行设计中用作临时支护结构时是不考虑素桩的对抗弯的作用，将素桩对抗弯的贡献作为安全储备。咬合桩本身是桩墙结构，作为挡土维护结构受力类似于地下连续墙，然而因为素桩的存在不能像连续墙一样承受很大的横向分布的弯矩，但腰梁的加入在一定程度上弥补了这一缺陷，因此咬合桩加组合型钢腰梁共同受力围护体系在模拟中可以用地下连续墙替代。咬合桩转换为地下连续墙主要依据是刚度等效原则，咬合桩中素桩的截面惯性矩计算示意图如图2所示（I1、I2、I3分别为素桩减去咬合部分、完整荤桩、咬合部分一半的截面惯性矩）。

图2 素桩惯性矩计算示意图

式中：R为素桩半径，a为咬合量，h为咬合面宽度的一半。

式中：D为荤桩直径。

按等效刚度理论有：

式中：E1I1为素桩减去咬合部分混凝土的抗弯刚度，E2I2为钢筋混凝土桩抗弯刚度，E3为等效地下连续墙弹性模量，D为咬合桩直径，a为咬合量。

将 I1、I2、I3代入式（3），即可求得等效地下连续墙的厚度t。

2.4 整体模型的建立

依据该基坑的真实情况，建造模型尺寸取287 m×216 m×50 m，保证了模型边缘至基坑边缘的距离在3倍最大开挖深度以上，基坑最低处至模型底部高度在2.5倍最大开挖深度以上。围护体系和开挖全部完成的三维计算模型分别如图3、图4所示。

图3 围护体系模型

图4 开挖完成模型

2.5 工况模拟

实际现场施工的程序极其复杂，数值模拟软件是难以模拟施工全部情况的，因此将工况适当简化。限于篇幅只列出土体开挖、地下连续墙及锚索施工步骤：（1）施工西面地下连续墙；（2）施工第1层锚索；（3）第1阶段开挖，开挖深度0～4 m；（4）施工北、东、南三面地下连续墙；（5）施工第2层锚索；（6）第 2 阶段开挖，开挖深度 4～7 m；（7）施工第3层锚索；（8）第3阶段开挖，开挖深度7～11 m；（9）第 4 阶段开挖，开挖深度 11～14m；（10）施工第4层锚索。

3 数值模拟运行结果及分析

3.1 围护结构水平位移

东西两侧维护结构在4个主要开挖阶段的水平位移云图如图5所示。

图5 东西两侧水平位移云图

选取基坑东西两侧的 W2、W3、E2、E3四个位置进行围护结构水平位移分析，不同工况下的桩体侧移在深度方向的分布规律如图6所示。从图6可以看出，在基坑开挖初期，东西两侧的维护结构受到顶层预应力锚索的强制约束作用较强，在桩顶出现了向坑外的微量位移，但随着开挖的进行，在后面几个主要工况中，桩体上部位移都指向坑内且逐渐增大。对比东西两侧的桩体水平位移可知，在开挖后期及开挖完成时，西侧桩顶位移明显大于东侧。这主要是因为基坑东面采取放坡开挖，因此在进行深基坑开挖设计时，如现场条件允许则采用放坡开挖可以减小维护结构侧移，增加施工过程中的安全保障。

在实际施工中，在b区和c区存在超挖现象：第3阶段开挖完成而尚未对第4层锚索进行预应力张拉锚固随即进行第4阶段开挖。模拟将该超挖现象考虑在内，因此工况4较工况3桩顶水平位移和桩身最大水平位移增幅明显。超挖会造成基坑围护结构变形过大甚至基坑失稳，因此基坑开挖阶段要及时对相应层次的锚索进行预应力锚索张拉锚固，而后再进行下部土体的开挖，切不可为赶进度而超挖，给施工安全带来重大隐患。

图6 W2、W3、E2、E3位置水平位移曲线图

3.2 咬合桩桩身弯矩分析

咬合桩在模拟中已按竖向刚度等效原则转化为具有一定厚度的地下连续墙，因此考察地下墙的竖向弯矩代表基坑开挖过程的咬合桩弯矩，桩身弯矩在不同开挖阶段的云图如图7所示。

选取西面W2、W3两处断面进行分析，其弯矩随施工过程的变化规律如图8所示。在第1阶段开挖时，桩体受到第1层预应力锚索的约束影响最大弯矩出现在中部，而上部和下部弯矩均较小。随着基坑土体开挖与预应力锚索施工的交替进行，维护结构的受力发生变化，桩体弯矩逐渐变为“波浪形”。维护结构受锚索拉力影响在锚索位置处弯矩发生突变，弯矩零点则一般出现在开挖面附近。随着基坑开挖的进行，围护结构弯矩是逐渐增大的，尤其是第3开挖阶段～第4开挖阶段的过程，因为超挖而造成的弯矩增幅明显，实际施工中应尽量避免超挖。

图7 不同开挖阶段的桩身弯矩云图

图8 西面W3、W2位置桩身弯矩曲线图

3.3 锚索拉力分析

锚索拉力变化对基坑开挖过程中的安全性有着至关重要的影响，不同工况下的锚索拉力云图如图9所示。

所选取的四组断面的锚索拉力随着工况变化的趋势如图10所示，从图10可以看出，下一层预应力锚索的锚固会使上一层锚索拉力减小，锚索拉力随开挖深度的增加整体呈增大趋势。

图9 不同工况下锚索拉力云图

图10 锚索拉力曲线图

3.4 桩后地表沉降

F’G段是整个基坑开挖深度最深、锚索层数最多的部分，其桩后地表沉降是最具有代表性的，因此取该段进行分析。W3断面沉降变化趋势如图11所示。随着基坑开挖深度的增加，桩后地表沉降量也随之迅速增大，至最大值后逐渐衰减，地表沉降的最大值位置由距坑边5 m逐渐增加到15 m，与开挖深度相当。地表沉降增长较快的是第3开挖阶段至第4开挖阶段，该过程中因未进行第4层锚索的预应力张拉锚固便进行第4阶段开挖，超挖显然使得地表沉降迅速增大，这在实际工程中是非常危险的，应尽量予以避免。该工程周围并无重要建筑物及管线，因此未带来严重后果。