深基坑桩锚支护结构变形分析和数值模拟

钟连祥， 陈飞,2， 熊如宗， 高阳， 陈国芳,2

（1．江西理工大学资源与环境工程学院，江西 赣州 341000；2．江西省矿业工程重点实验室，江西 赣州 341000）

0 引 言

随着高层、超高层建筑和各类地下工程建设规模的不断增大，基坑工程向更深更大的方向发展，为此，深基坑支护结构越来越受到工程技术人员的重视[1-4].目前，深基坑支护结构种类多样，既有较典型的单一支护结构，也有较复杂的多种支护结构的组合[5].在这些支护结构中，桩锚支护形式具有适应性强、对施工空间要求小及控制基坑变形能力强等优点，其对于开挖深度超过8～9 m的基坑，无论是从经济还是从安全可靠性上考虑，均是一种较好的支护体系.

国内外学者对桩锚支护体系的研究主要采用模型试验、数值模拟和现场监测的方法，并取得了一定的研究成果[6-13].然而，由于岩土本身的复杂性、非线性以及土体性质和力学参数的难以把握，目前我国对桩锚支护作用机理的认识和研究还不够深入，在解决实际问题时还存在一定的局限性[14]，对其方案的设计在很大程度上还取决于地区的经验，由于支护不当的基坑事故还在增加，导致了巨大的经济损失[15].近年来，赣州市也在大力推进城市化的进程，很多高层建筑正拔地而起，而在不久的将来，地铁也将在这里建设，因此，对赣州市基坑工程在开挖过程中对支护结构的变形、受力进行分析显得十分必要.

文中以赣州市红旗村改造项目的西南侧深基坑工程为研究对象，通过有限元软件Midas建立数学模型，对该工程进行动态模拟分析，在后处理中提取基坑土体变形值和实际现场监测值进行对比，分析该模型的准确性和可行性，并且来探讨基坑开挖过程中支护结构水平位移和锚杆轴力等的变化规律.此外，深入研究了影响基坑支护结构变形的因素，以期为相关工程优化设计参数提供参考.

1 工程实例

1.1 工程概况

拟建场地位于赣州市章贡区红旗村廉泉路（规划）西侧，红旗大道西延伸段南面，该项目拟建3栋22～30层的高层住宅楼、2层裙房及1栋2层文化活动中心，其中，高层建筑高度65.5～88.7 m，整个场地设有2层地下室，地下室开挖深度为9.45 m.基坑类别为一级.

1.2 工程地质及水文地质

根据钻探资料，可知土层分布情况：①杂填土，平均厚度1.50 m；②粉质黏土，厚度4.60～8.70 m；③含碎石粉黏土，厚度1.40～7.20 m；④强风化泥质粉砂岩，厚度2.00～2.80 m；⑤中风化泥质粉砂岩，厚度3.20～10.90 m.通过有限元软件Midas建模所需的各土层的物理力学参数指标，根据地质勘察报告及基坑所处实际地质状况，以及实验室的力学实验所测得的结果可得，具体参数指标值见表1.

表1 土（岩）层参数值

场地地下水分为上层滞水和第四系孔隙潜水，勘察期间测得钻孔内稳定水位埋深5.6～8.4 m，稳定水位高程98.14～99.82 m.其中，上层滞水赋存于杂填土中，水量不大，受季节影响明显，其主要补给来源为大气降水.第四系孔隙潜水主要赋存于含碎石粉质黏土和风化岩层中，水量较丰富，其补给来源主要为大气降水和周围场地的侧向渗透.

1.3 基坑支护方案

综合考虑地质、环境、挖深、红线范围等诸方面因素，本着“安全可靠，经济合理，技术可行，方便施工”的原则，基坑西南侧拟采用预应力锚杆加钻孔灌注桩的形式进行支护，其余地段根据不同的放坡空间进行放坡，并用土钉墙进行支护，在紧贴坡顶处采用高压旋喷桩作止水帷幕.钻孔灌注桩桩长15 m，入土深度4.5 m，直径800 mm，桩间距1.6 m，混泥土强度为C25；锚杆共设置3排，杆体采用Ф9.5的钢绞线制作，其中，钢绞线的抗拉强度标注值为1860 Mpa，倾角 15°，长为 14～16 m，锚杆参数详见表2；旋喷桩采用二重管法工艺，直径800 mm，水泥参量20%，水灰比1，桩端以进入强风化岩0.5 m，桩顶高于粉质粘土层面1 m.

表2 锚杆参数取值

2 桩锚支护数值模拟

由于该工程基坑开挖面积大，若采用整体建模会导致其单元数量巨大，软件运行计算时间大大加长，且所得结果与截取主要作用部分进行建模模拟所得结果相差不大，因此，本次建模模拟中主要对采用桩锚支护那一部分进行.

2.1 模型的建立

文中对深基坑桩锚支护结构的模拟主要以规范为根据，应用有限元软件Midas GTS NX对深基坑桩锚支护结构进行数值模拟分析，桩锚支护结构模型如图1所示.

图1 支护结构示意

为了与实际工程更加符合，定义基本条件如下：

1）基坑建模过程中，需考虑地下水位及渗流的影响[16-17]，但是本基坑在开挖之前已经进行了降水，故在模拟时不考虑地下水渗流的影响[18]；

2）采用软件弹塑性模型中的莫尔-库仑准则[19]；

3）用桁架单元中受拉构件来模拟支护中的预应力锚索；

4）支护桩通过转变为地下连续墙来实现，采用板单元进行模拟，桩和板相互之间转换见板单元数学模型；

5）运用四边形网格单元来模拟基坑工程中土体的实体单元；

因为{xn}是[0,1]区间中的序列,因此关于度量ρπ必有收敛子列。设此序列中的所有收敛子列收敛点的下确界为δ。

6）基坑的边界范围为2～3倍的桩长范围.

2.2 施工工况

根据本基坑工程实际开挖情况，将基坑开挖与支护分为4个工况：①基坑开挖至3 m，然后在基坑-2.5 m的位置设置第一层锚杆，入射角15°，总长16 m，锚固段长9 m；②基坑开挖至6 m，在基坑-5 m的位置设置第二层锚杆，入射角15°，总长15 m，锚固段长度8.5 m；③基坑开挖至9 m，在基坑-7.5 m的位置设置第三层锚杆，入射角15°，总长14 m，锚固段长度8 m；④开挖至坑底.

3 模拟结果与分析

3.1 基坑土体水平位移及竖向位移分析

根据基坑周边现场环境条件，在该基坑土方开挖和地下工程的施工期间，应按照“一级”基坑要求对基坑开挖影响范围内相邻构筑物（建构筑物、管线等）及支护结构进行监测[20].由于基坑整体的范围比较大，且进行桩锚支护的只有西南侧，因此，主要选择布置在该区域内监测点的监测数值.处于安全性的考虑，取监测数值中的最大值，并与模拟结果中土体水平位移和沉降量最大值进行对比.

图2为基坑土体水平位移随开挖深度的变化曲线，图3为基坑土体沉降量随开挖深度的变化曲线.由图2可以看出，基坑土体水平位移随着开挖深度的增加逐渐上升，第一次开挖位移较小，模拟值为1.4 mm，实测值为2.5 mm，开挖至基坑底部10.5 m时，基坑土体水平位移模拟值为8 mm，实测值为9.6 mm；由图3可以看出，基坑土体沉降量随开挖深度的增加而上升，第一次开挖沉降量模拟值为0.4 mm，实测值为0.6 mm，开挖结束后沉降量模拟值为 8．6 mm，实测值为 10．4 mm，由图 3 可以看出，通过Midas模拟的数据与实际监测值的变化规律基本一致，且数据比较接近，说明所建模型能够相对准确反映基坑实际情况，可以用于后续分析．

图2 水平位移监测值与模拟值

图3 沉降量监测值与模拟值

3.2 锚杆轴力分析

图4 是基坑最后一步开挖后锚杆的应力分布情况，基坑开挖后，主动土压力增大[21]．

图4 最后一步开挖后锚杆轴应力

4 基坑开挖变形因素分析

4.1 灌注桩对基坑土体位移的影响

通过数值模拟改变模型的桩长、桩间距等参数，对应提取基坑最后一步开挖后周围土体水平位移最大值，进一步研究灌注桩对基坑土体变形的影响规律，具体见图5、图6．

图5 桩长影响

图6 桩间距影响

分析图5可以得出，随着桩长的增大，基坑土体水平位移越小，但是当桩长达到14．45 m时，继续增加桩长的情况下，基坑土体水平位移只是发生微量的变化，即桩长达到14．45 m后，基坑土体水平位移已经趋于稳定．当桩长为13．45 m时，基坑土体水平位移值为34．5 mm，超过极限值30 mm，为此，出于安全和经济考虑，该基坑支护设计桩长应在13．45～14．45 m之间．分析图6可以得出，基坑土体最大水平位移量随着桩间距的减小而减小，当桩间距达到0．6 m以上时，基坑土体发生较大水平位移，虽然模拟结果显示位移量没有超过极限值，但是出于安全考虑，该基坑支护设计桩间距应在0～0．3 m之间．

4.2 锚杆锚固深度对锚杆轴力的影响

在其他条件不变时，通过调整第三层锚杆的锚固深度，利用Midas GTS NX软件进行模拟，提取对应的第二层锚杆与第三层锚杆的最大轴力值（第四步开挖结束后锚杆轴力达到最大值），进行对比分析，具体见图7．

分析图7可以得到，当第三层锚杆的锚固深度越深时，则其锚杆轴力越小，第二层锚杆轴力越大．当第三层锚杆锚固深度在6．5～7 m时，两层锚杆的轴力大小相近，此时两锚杆的利用率差不多，不会造成相对轴力的富余．因此，锚杆锚固深度应满足设计要求．

图7 锚杆锚固深度影响

5 结 论

1）文中以赣州市红旗村改造项目的深基坑工程为研究对象，运用有限元软件Midas对基坑桩锚支护结构进行数值模拟分析研究，将支护桩转换为地连墙，采用板单元进行模拟，按照增量法进行计算，得出基坑土体变形结果与实际监测值变化规律基本一致，可以反映实际情况，说明此模型具有可行性.

2）每层锚杆轴应力在自由段的分布是均匀的，在锚固段逐渐减小，第一层第二层锚杆所产生的轴应力远大于第三层锚杆所产生的轴应力，即上层锚杆的作用大于下层锚杆.因此，在设计锚杆时，可以将锚杆位置适当上移，且上层锚杆的强度以及固定段要大于下层锚杆.

3）增加灌注桩的桩长，减小桩间距可以有效抑制基坑土体变形，但是达到一定程度后，这种抑制基坑土体位移的效果不仅十分有限，而且大大增加成本，因此，基坑支护方案设计时，不能一味追求安全性，还要考虑经济成本.

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