桩锚支护体系在基坑工程中数值模拟

高 宣

(河北工程大学土木工程学院，河北 邯郸 056038)

0 引言

自20世纪80年代以来，中国的基坑工程出现了大量的超深和超大的工程。城市地区地下车库、深地下室和地下交通系统的建设，尽量减少或者降低对已有建筑的影响。深基坑支护的数值模拟分析显得尤为重要。Zhandos Y.Orazalin等[1]介绍了利用有限元模拟Stata中心地下室开挖，分析强调了三维开挖和支撑几何对地面和地面运动的影响。用一个简单的弹塑性摩尔—库仑模型在粘土中不排水条件下的基本情况的结果通常与实测的性能非常吻合。Maria A.Nikolinakou等[2]介绍了一种广义有效应力模型的应用，利用有限元模拟复杂环境下深开挖的支撑系统的性能。基坑在水下开挖由一排预应力锚固墙支撑。结果表明，计算与实测壁变形和锚杆力之间有很好的一致性。研究结果强调了基础状态参数信息对先进土壤模型成功应用的重要性。在现有的一些研究中对于桩锚支护体系在基坑支护变形的研究还较少。

1 模型建立

该模型基坑深度为9 m，支护形式选型为排桩—锚杆支护。

数值模拟工程土质条件：本工程选取的为土质良好的粉质粘土。支护结构：排桩采用0.8 m的混凝土灌注桩，桩间距1.4 m，桩的长度是11 m；冠梁的截面尺寸为0.8 m×1.0 m；在冠梁处设置锚索，锚索采用2φ15.2钢绞线，长度为15 m，水平间距1.8 m，入土角度15°，高压喷射注浆。锚索设计拉力350 kN，锁定力200 kN。

2 数值模拟[3-5]

2.1 本构关系

材料的应力—应变关系也叫本构关系，以土体为研究对象的应力—应变关系，称为土的本构关系。一般材料应力—应变关系为：

{σ}=[D]{ε}

(1)

2.2 摩尔—库仑(Mohr-Coulomb)模型

在岩土工程数值模拟软件中，常用的几种本构模型有：摩尔—库仑模型、修正D-P模型、扩展的剑桥模型。摩尔—库仑模型的屈服函数，摩尔形式表达式为：

τ-σtanφ-c=0

(2)

库仑形式表达式：

(σ1-σ3)-[σ1+σ3]sinφ-2ccosφ=0

(3)

其中,σ为剪切面上的正应力；τ为剪切面上的剪应力；c为材料的粘聚力；φ为材料的内摩擦角。

2.3 模型参数

模型参数如表1所示。

表1 模型参数

2.4 数值模拟过程

本文主要是对基坑的支护桩和锚杆的应力状态及基坑变形进行模拟和分析，经过大量的试验和工程实例得出结论，冠梁在一定程度上影响了桩的变形约束，但效果甚微[1]。本文在进行数值模拟的过程中，根据等效弯曲刚度原则，将排桩简化成等刚度的连续墙。冠梁对于桩体在一定程度上，对桩体起到约束的作用，但是对于模型中数值计算结果的影响不大，在数值模拟计算中不考虑冠梁。由于腰梁主要是锚固和分担锚杆的锚力，对于研究内容影响不大，所以在本文也没有模拟梁腰。

在本文中，假设土体是一个理想的弹塑性体，采用M-C准则和关联流动法则的方法，对基坑开挖进行数值模拟，并确定基坑几何模型的影响范围，深度约为1次～2次垂直开挖的范围，一般情况下，对于开挖宽度在水平方向开挖宽度计算深度扩展2倍～3倍。

该模型中，基坑支护结构单元类型有两种。基坑土体和支护桩采用ABAQUS中基于摩尔库仑理论的实体单元C3D8，锚杆采用的是杆单元T3D2。该模型开挖分6步，开挖分3次，每次开挖3 m后进行支护，依次开挖，支护。

3 结论

本文主要分析了基坑开挖不同工况下土体的应力应变，并分析了桩和锚杆的应力和变形。

在不同工况下的云图：

当基坑开挖至3 m时，插入第1层锚杆，如图1所示；开挖至6 m时，插入第2层锚杆，如图2所示；开挖至9 m时，插入第3层锚杆，如图3所示。

4 结语

随着基坑开挖阶段，桩后土体的水平位移增大，影响范围也增大。位移值随基坑边缘距离的减小而减小。从云图上也可以看出，位移的最大值不在土壤表面发生。排桩的最大水平位移发生在距离基坑顶面2.5 m～4.5 m的表面，并随着开挖，在影响范围内扩大。

与开挖位移减小基坑水平位移的土桩，在第一步中土体最大水平位移的基坑开挖后，最大值出现在靠近相邻的桩，当水平位移接近土壤表面后基坑桩开挖仅为3 mm。这表明，开挖后桩顶，导致了一个移动的趋势增加桩基坑土体的主动土压力，桩的前表面和桩体增大产生的主动土压力，一个运动趋势的坑外下部，抵消由开挖基坑土体的水平位移引起的第一步。

桩后土体的最大沉降量，从图中可以看出，在平衡地应力后，第三步开挖引起的土体沉降最大，这可能是由于开挖过程中主动土压力引起的。

[1] Zhandos Y.Orazalin,Andrew J.Whittle,Matthew B.Olsen.Three-Dimensional Analyses of Excavation Support System for the Stata Center Basement on the MIT Campus[J].J.Geotech.Geoenviron.Eng.,2015,141(7):216-217.

[2] Maria A.Nikolinakou,Andrew J.Whittle,Stavros Savidis,et al.Prediction and Interpretation of the Performance of a Deep Excavation in Berlin Sand[J].Geotech.Geoenviron.Eng.,2011,137(11):1047-1061.

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