深基坑桩锚支护结构变形的土体参数敏感性分析

2019-07-30杨军朝

山西交通科技 2019年3期

杨军朝

（西安公路研究院，陕西西安 710065）

0 引言

随着我国城市化建设的大规模发展，地上空间逐渐不能满足人们生活和城市建设的需求，合理地利用和开发地下空间已成为目前城市工程建设重点方向[1]。城市纵深发展和基坑工程息息相关，深基坑良好的稳定性不仅能保证基坑自身安全性，更能降低对周边建筑和环境的影响，因此，针对深基坑变形及稳定性影响因素的敏感性分析具有重要的意义[2]。

目前，国内外关于深基坑工程设计和建设的相关研究正在不断进行，同时也取得了重要研究成果[3-4]。如韩健勇等[5]针对桩锚支护结构深基坑受力变形及稳定性展开分析，研究发现砂土地层深基坑采用桩锚支护结构具有可行性，可满足基坑的安全性要求；砂土层深基坑开挖引起的变形时间效应不明显，桩顶最大水平位移约30.69 mm。李金华等[6]关于南宁地铁2 号线车站深基坑开挖变形规律展开研究，发现基坑开挖对周围土体最大影响点距基坑边缘约为0.7H（H 为基坑最大开挖深度）；灌注桩的变形规律呈“弓”字形，顶部位移较小，最大位移出现在底板与第3 道钢支撑之间。陈树林等[7]针对紧邻既有结构的深基坑受力变形特性进行分析，结果表明地下结构使坑间土体产生土拱效应而减小邻近基坑围护结构的变形；围护结构最大水平位移随着坑间距减小呈非线性减小；间距的变化会影响坑内外土体的变形受力；既有地下结构与邻近基坑的临界间距为1.5 倍开挖深度。曾婕等[8]关于软土地区深基坑变形控制措施对减小临近隧道变形的效果展开分析，研究发现采取坑内、外土体加固措施在减小基坑开挖导致的隧道位移方面效果明显，增加支护桩桩径对隧道水平位移控制比较有利，而增加支护桩桩长对隧道水平位移控制效果有限。上述研究主要是针对深基坑开挖过程和支护结构形式分析了基坑的变形及稳定性，而关于深基坑变形的土体参数敏感性分析还有待深入研究。基于此，本文针对不同土体参数对深基坑桩锚支护结构变形的影响展开敏感性分析，其结论可供深基坑桩锚支护结构工程的设计提供借鉴和参考。

1 工程概括

某深基坑工程项目位于人口密集地区，建筑高度为 118.6 m，共33 层，建筑面积约336 452 m2，地下停车场设计为两层。深基坑开挖总面积约23 186 m2，开挖深度为10～12 m。基坑南侧靠近城镇主干道，离基坑下口线最近距离为18.5 m，东侧为拟建商品楼盘，离基坑下口线最近距离为26.2 m，北侧为邻近安置小区，离基坑下口线最近距离为20.5 m，西侧靠近高层建筑物，离基坑下口线最近距离为23.6 m。基坑支护结构采用桩锚支护体系，侧壁安全等级为Ⅰ级，分别在距离地表深度3.5 m、6 m 和8.5 m 处设置3 道预应力锚杆。图1 为深基坑中某桩锚支护结构截面示意图。地基土体组成由上至下依次为，上部由砖土、碎石和粉状黏土等构成的杂填土层；中部为长石质、棱角形的黄褐色中砂层，颗粒级配一般；下部为软塑性，韧性较差，干强度低的灰色黏性土层，基坑中土体材料参数如表1 所示。

图1 支护结构截面示意图（单位：m）

表1 土体物理参数

2 模型建立

本文通过运用有限元软件MIDAS/GTS 建立深基坑桩锚支护结构二维平面模型，模型底部长度为40 m，顶部长度为20 m，高度为20 m，模型共计单元384 个，节点1 362 个，其计算模型整体示意如图2 所示。

图2 基坑桩锚支护结构有限元模型图

由于基坑开挖后的形状为长方形，采用的支护形式为桩锚支护，因此，在分析结构变形时只截取一侧桩锚支护结构建立二维平面模型，模型中均采用二维4 节点实体单元进行模拟，支护桩和锚杆分别采用梁和植入式桁架单元进行模拟，材料计算采用摩尔- 库仑准则。在计算时需对模型进行以下假定：支护桩为线性弹性材料，土体均为摩尔- 库仑弹塑性材料，锚索为植入式桁架，土层均为成层均质水平分布。模型设置的边界条件为：模型左右两侧均采用水平约束，对底面进行固定并采用竖向位移约束，上部为自由边界。模型中支护桩采用灌注桩，桩长16 m，直径为1 m，放置间距为0.4 m，其材料参数如表2 所示。3 道预应力锚索具体参数如表3 所示。

表2 支护桩物理参数

表3 锚杆物理参数

3 土体参数敏感性分析结果

对于基坑工程设计而言，土体参数的选取很大程度上决定了基坑最终变形结果，因此合理地选取土体参数对维护基坑的稳定性具有重要意义。本文采用控制变量法，在支护桩上分别布置A1～A9 多个测点，由上而下间距为2 m，具体测点位置见图1 所示。通过改变某一土体参数，保持其余土体参数不变，分别分析了土体的不同弹性模量、内摩擦角、黏聚力及泊松比对支护桩水平位移的影响。

3.1 弹性模量的影响

弹性模量的定义是土体所受的应力和在应力作用下产生的应力之比，是决定土体应力应变的重要指标。本文通过控制土体内摩擦角、黏聚力和泊松比不变，分别针对土体弹性模量为20 MPa、30 MPa、40 MPa 和50 MPa 的支护桩模型进行水平位移对比分析，结果如图3 所示。

图3 不同弹性模量-支护桩水平位移变化曲线

根据图3 可知，随着土体弹性模量的增大，支护桩各测点位置水平位移均呈减小趋势，说明增大土体弹性模量可以有效防止支护桩发生较大水平位移。在不同土体弹性模量情况下，支护桩最大水平位移均发生在测点A5 位置上，最大值分别为15.23 mm、12.47 mm、10.45 mm 和8.44 mm，该测点位置为支护桩中心位置，说明支护桩发生变形最大的位置主要集中在中部。当测点位置由A1 至A5 时，支护桩水平位移值逐渐增大，说明靠近桩顶位置，支护桩的水平位移值要小于桩中位置；测点位置从A5 至A9，支护桩水平位移值出现较大幅度的减小，说明越靠近桩底位置，支护桩的水平位移越小。由此可知，支护桩发生变形主要在靠近桩中位置，增大土体弹性模量可以有效减小支护桩水平位移，从而更好保持深基坑桩锚支护结构的稳定性。

3.2 内摩擦角的影响

土粒之间的摩阻力与连锁共同作用决定土体内摩擦角的取值，是体现土体摩阻性质的重要指标。本文通过调整土体内摩擦角取值，保持其余参数不变，分别针对内摩擦角为20°、25°、30°及35°的基坑模型进行支护桩变形对比分析，结果如图4 所示。

图4 不同内摩擦角-支护桩水平位移变化曲线

由图4 可知，支护桩各测点位置水平位移均随着土体内摩擦角的增大而减小，说明增大土体内摩擦角可以有效防止支护桩发生较大水平位移。在土体内摩擦角分别为20°、25°、30°和35°的情况下，支护桩最大水平位移均发生在测点A5 位置上，最大值分别为 21.39 mm、17.63 mm、14.57 mm 和12.34 mm，该测点位置为支护桩中心位置，说明支护桩发生变形最大的位置主要集中在中部。当测点位置由A1 至A5 时，支护桩水平位移值逐渐增大，说明靠近桩顶位置，支护桩的水平位移值要小于桩中位置；测点位置从A5 至A9，支护桩水平位移值出现较大幅度的减小，说明越靠近桩底位置，支护桩的水平位移越小。综上所述，支护桩变形最大的位置在靠近桩中，其次是靠近桩顶位置，变形最小是靠近桩底位置，增大土体内摩擦角可以有效降低支护桩变形，同时更好保持深基坑桩锚支护结构的稳定性。

3.3 黏聚力的影响

黏聚力指的是土粒之间分子引力与化合物胶结作用共同作用形成的黏结力。本文通过调整土体黏聚力取值，保持其余参数不变，分别针对黏聚力为10 kPa、15 kPa、20 kPa 及 25 kPa 的基坑模型进行支护桩变形对比分析，水平位移变化曲线如图5 所示。

图5 不同黏聚力-支护桩水平位移变化曲线

根据图5 可知，随着土体黏聚力的增大，支护桩各测点位置水平位移均呈减小趋势，说明增大土体黏聚力可以有效防止支护桩发生较大水平位移。土体黏聚力分别为 10 kPa、15 kPa、20 kPa 和 25 kPa的情况下，支护桩最大水平位移均发生在测点A5位置上，最大值分别为 12.43 mm、10.87 mm、10.06 mm和8.18 mm，该测点位置为支护桩中心位置，说明支护桩发生变形最大的位置主要集中在中部。支护桩最小水平位移均发生在测点A9 位置上，最小值分别为3.42 mm、2.94 mm、2.70 mm 和 2.29 mm，该测点位置位于支护桩最底部，说明靠近支护桩桩底位置变形值最小。当黏聚力为10 kPa 时，支护桩水平位移最大变化了9.01 mm；黏聚力为15 kPa 时，最大变化了7.93 mm；黏聚力为20 kPa 时，最大变化了7.36 mm；黏聚力为 25 kPa 时，最大变化了5.89 mm。综上所述可知，增大土体黏聚力可以有效降低支护桩水平位移，但效果会随着黏聚力的不断增大而逐渐减小，因此，适当增大黏聚力来防止支护桩发生较大变形。

3.4 泊松比的影响

泊松比是体现土体侧向变形的重要指标，泊松比的大小直接反映土体的强度与变形特性。本文通过调整土体泊松比取值，保持其余参数不变，分别针对泊松比为0.2、0.25、0.3 及0.35 的基坑模型进行支护桩变形对比分析，得到水平位移变化曲线如图6所示。

根据图6 可知，随着土体泊松比的增大，支护桩各测点位置水平位移均呈增大趋势，说明增大土体泊松比会造成支护桩发生更大水平位移。在土体泊松比分别为0.2、0.25、0.3 及0.35 情况下，支护桩最大水平位移均发生在测点A5 位置上，最大值分别为 9.62 mm、12.26 mm、13.60 mm 和 15.11 mm，该测点位置为支护桩中心位置，说明支护桩发生变形最大的位置主要集中在中部。当测点位置由A1 至A5时，支护桩水平位移值逐渐增大，说明靠近桩顶位置，支护桩的水平位移值要小于桩中位置，测点位置从A5 至A9，支护桩水平位移值出现较大幅度的减小，说明越靠近桩底位置，支护桩的水平位移越小。由此可知，支护桩发生变形主要在靠近桩中位置，增大土体泊松比会增大支护桩水平位移，因此，为防止基坑发生较大变形和保持深基坑桩锚支护结构的稳定性，可以采取相应措施控制土体泊松比不宜过大，如在基坑边缘设置安全界限，避免基坑边缘土体因外界产生扰动；控制基坑周边土体沉降等措施。