注浆微型桩复合土钉在深基坑支护中的应用与数值模拟

唐咸远 黄朗 王诗海

摘    要：为研究钢管桩、树根桩两种注浆微型桩复合土钉在深基坑中的支护效果以及开挖过程中基坑的变形情况，以应用两种注浆微型桩复合土钉的深基坑支护工程为例，借助ABAQUS有限元建立数值分析模型，对微型桩复合土钉施工开挖过程进行模拟，将模拟值与实测数据进行对比分析.  研究表明：基坑的变形参数均在预警值范围内，微型桩复合土钉支护效果良好;随着开挖深度的增加，顶部水平位移出现先增大再减小，竖向位移不断增加，二者开挖完成后趋于稳定;开挖中基坑边不同深度的水平位移出现先增大后减小，再增大再减小的趋势，最大水平位移出现在深约6 m处微型钢管桩的顶部，在基坑施工中应重点关注;基坑不同深度部位的竖向位移会逐渐增大，并在坑底土体出现约19 mm的隆起.

关键词：注浆微型桩;深基坑支护;复合土钉;数值分析

中图分类号：TU473          DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2019.04.006

0    引言

注浆微型桩复合土钉墙是将复合土钉墙（注浆微型桩+土钉+挂网喷射混凝土+锚杆+锚索）支护技术结合成的复合支护体系，可以发挥各种支护形式的优点，能较好适应建筑深基坑的支护要求，应用日趋广泛.  王媛媛等[1]通过数值模拟分析，认为微型桩+预应力锚杆+土钉结构是深基坑支护中最可靠的.  孙剑平等[2]提出在复合土钉墙结构中加入微型桩和预应力锚索等变形控制构件，能够解决土钉墙位移过大、安全性低的问题，并有效控制基坑变形和稳定;张强勇等[3]采用有限元分析，通过模拟钉-锚-土联合作用支护的工作性能，得出土钉、锚杆的存在可有效提高基坑边坡的变形刚度和土体的抗剪强度;李亮辉等[4]得出在复合土钉墙中增设预应力锚索可有效地限制墙体位移、提高整体抗滑性能;閤超等[5]提出支护桩施工过程中对土体的破坏及桩顶及樁间土的水土流失会导致基坑周边建筑物沉降变形过大.  刘文峰等[6]为研究微型钢管桩+预应力锚杆复合土钉墙的支护效果，通过对基坑进行施工监测，得出微型钢管桩的超前支护可减少放坡空间，且预应力锚杆的加入可有效控制基坑变形.

虽然微型桩复合土钉在实际工程有一定的应用[7-8]，但对其支护机制的数值分析与实际应用效果方面的研究开展较少，认识不够深入，且不同的工程所面临的工程地质条件都不一样.  为了研究注浆微型桩复合土钉墙的作用机理及检验实际应用效果，本文以柳州市某大厦深基坑支护为研究对象，使用ABAQUS软件对微型桩复合土钉墙支护基坑进行开挖模拟，验证ABAQUS在模拟基坑开挖时的准确性，并通过数值计算值和实际监测值进行对比分析，总结基坑开挖过程中的变形规律，为类似的深基坑工程施工提供实际的参考价值.

1    工程概况

1.1   基坑概况

柳州市某大厦规划总用地面积为    5 337.0 m2，基坑开挖深度约为10.0 m，基坑顶部的周长约为 311.0 m（底边约为274.5 m）. 本基坑工程的周边环境较为复杂，东面有5栋3层砖混建筑，距离建筑红线最近处为3.0 m;西面为东堤路，距离建筑红线最近处为13.0 m;南面为4栋3层砖混建筑到红线距离为4.4 m;北面为1栋14层框架建筑，距离建筑红线最近处为      10.0 m.  地下水位为-8.0 m，由于该基坑西面距离柳江约130.0 m，基坑底高程为82.5 m，与柳江警戒水位相同，考虑到基坑施工时会受到柳江涨水影响，故基坑采用管井井点降水. 针对不同的地质条件，基坑支护设计采用5种支护形式，如图1所示.

1.2   土体物理力学参数

根据工程地质勘察资料，得出土体的物理力学参数如表1所示. 土体的弹性模量取压缩模量的10倍[9].

1.3   基坑支护结构

基坑侧壁安全等级均定为二级，使用期限为12个月. 西面场地条件较为复杂，坑壁土质主要由6.00 m厚的杂填土组成，但坑顶无重要建筑物，因此可采用复合土钉墙支护结构，同时设置2种微型桩来提高整体性，以有效限制基坑变形. 结合工程实际情况，基坑西面设二级边坡，第一级按1∶0.3放坡开挖，第二级按1∶0.25放坡，二级边坡交界处设置1.00 m宽平台;支护采用锚杆土钉+注浆微型树根桩+预应力锚索+挂网喷混凝土+注浆微型钢管桩复合土钉进行设计. 微型树根桩设置在基坑顶部，先钻孔放置钢筋笼，后灌入碎石后注浆形成;微型钢管桩设置在平台处，钻孔下放无缝钢管后注浆形成;为保证桩的整体性，均在桩顶设置钢筋混凝土冠梁，具体设计详见图2.

2    有限元计算模型

2.1   模型建立

使用ABAQUS软件建立二维支护模型，模拟两种微型桩式复合土钉墙支护在基坑开挖不同阶段的变形情况.  经查阅资料[10-11]可知，模型深度计算范围可取基坑开挖深度的2～4倍，水平方向计算长度范围可取基坑开挖深度的3～5倍. 因此，取模型计算长度为6倍的基坑开挖深度10.00 m×6=60.00 m，计算高度为4倍的基坑开挖深度10.00 m×4=40.00 m.  预应力锚索和锚杆则采用桁架单元，土体单元类型为平面应变三角形单元，桩采用平面应力四边形单元，均为二维平面实体拉伸单元，土体采用摩尔库伦模型，总网格节点数为9 856个，所建模型如图3所示.

2.2    模拟计算工况

为了与监测数据对比，模拟开挖的基本工况如表2所示.

支护结构施工时委托第三方进行基坑变形监测 [12]，监测满足下述条件之一应报警：边坡顶水平及竖向位移绝对值均为55.00 mm，相对基坑深度控制值均为0.6%;坡顶水平位移变化速率10.00 mm/d，竖向位移变化速率控制在5.00 mm/d.

3     数值模拟计算与监测结果对比

3.1    顶部位移

通过计算并与监测值对比，得出支护结构顶部水平位移监测值与数值计算值如图4所示，支护结构顶部的竖向位移与计算值如图5所示.

由图4可知：支护结构顶部水平位移计算值和监测值的最大值分别为5.96 mm和4.00 mm，均满足规范的要求;同时，实测值和计算值结果相近，变化趋势也一致. 由图5可知：支护结构顶部的竖向位移计算值和监测值的最大值分别为7.57 mm和3.39 mm，监测值比计算值大，竖向位移的的累计变化量、位移速率均未达到监测报警值要求，表明支护结构的实际防护效果较好.  数值计算得出的水平、竖向位移均与实际变形监测结果相符，说明本次通过ABAQUS软件来模拟微型桩复合土钉墙支护基坑的开挖，其计算结果是比较准确的. 但支护结构顶部水平位移计算值始终大于实测值，究其原因在于模拟时的混凝土面层刚度未考虑到基坑开挖中以及钢筋混凝土的弹性模量取值与实际存在一定的偏差，导致基坑顶部的总体刚度比实际小，且面层没有承担相应的水平土压力，没有起到约束作用，使得模拟计算值大于实测值.  而顶部竖向位移的模型计算值在早期小于监测值原因在于软件模拟的基坑开挖在每个工况的支护完成时就已经开始完全发挥它们的支护效果，但在实际工程中的支护结构并未完全发挥其支护效果，随着基坑开挖的不断进行，其支护结构才完全发挥其支护效果.

3.2   不同深度的表面位移

基坑逐步开挖的时，不同工况下条件下，通过数值模拟得出的在基坑顶面以下不同开挖深度的土体水平位移、竖向位移分布分别如图6、圖7所示.

由图6可知：随着基坑开挖深度的增加，水平位移趋势线出现了先增大后减小再增大最后减小的趋势;水平位移最大值出现在中下部距离基坑顶部6.00 m处的位置，基本处于微型钢管桩自由端的顶部，最大值为13.23 mm，表明该部位的变形较大，在施工中应重点关注并监控，必要时可对其支护结构进行加强，以防意外.  基坑开挖深度在3.00 m左右时，水平位移出现了降低再增加的趋势是由于预应力锚索的存在限制了该部分土体的水平位移，而远离预应力锚索的土体受到其约束慢慢减小，其位移也逐渐增大，从而出现先降低后增加的趋势线.

由图7可知：随着开挖深度的增加，土体的竖向位移不断增大，越靠近坑底的土体，竖向位移就越大;基坑土体的开挖都会对基坑底部以下的竖向位移产生影响，并导致坑底土体出现约19.23 mm的隆起，主要原因在于土体被挖后，坑外土体会向坑内产生水平方向的挤压，微型钢管桩和树根桩的存在又限制了土体的水平位移，使得土体产生竖直方向的位移.  开挖深度在6.00 m左右时，竖向位移也出现降低再增加的趋势是由于开挖平台（1.00 m）上的存在使得边坡土体远离树根桩，树根桩对土体的约束减弱，虽然有微型桩的存在，但树根桩的约束作用强于微型桩，使得竖向位移在6.00 m处出现了降低再增加的趋势.

4    结论

通过ABAQUS模拟两种微型桩式复合土钉支护在基坑开挖不同阶段的变形情况，并结合基坑工程的变形监测数据进行对比分析，得出的结论有：

1）基坑的变形参数均在预警值范围内，说明两种微型桩式复合土钉支护能够有效地防止基坑产生变形，使其满足稳定性的要求.

2）通过有限元模拟复合土钉墙支护的基坑开挖，得出的模拟计算值和实测值总体趋势线还是比较相符的，表明了使用ABAQUS 有限元模拟复合土钉墙基坑开挖是可行且准确的.

3）随着开挖的进行，顶部水平位移出现先增大再减小后增大的现象，其竖向位移不断增加，二者开挖完成后趋于稳定.

4）随着开挖深度的增加，基坑边不同深度的水平位移总体趋势为先增大后减小再增大再减小，最大水平位移出现在深约6.00 m处近微型钢管桩的顶部位置，表明该部位较易出现问题，在基坑施工中应重点关注;基坑不同深度部位的竖向位移会逐渐增大，并会在坑底土体出现约19.00 mm的隆起.

参考文献

[1]     王媛媛，秦四清.土钉与土钉支护结构数值模拟对比分析[J].工程地质学报，2006，14（2）：271-275.

[2]     孙剑平，魏焕卫，刘绪峰.复合土钉墙变形规律的实测分析[J].岩土工程学报，2008，30（S1）：479-483.

[3]     张强勇，向文.复合土钉墙支护模型及在深大基坑工程中的应用[J].岩土力学，2007（10）：2087-2090.

[4]     李亮辉，曹笑颦.复合土钉墙在复杂地层条件下的应用[J].岩土工程学报，2008，30（S1）：608-611.

[5]     閤超，刘秀珍.某深基坑安全开挖引起临近建筑物较大沉降的实例分析[J].岩土工程学报，2014，36（S2）：479-482.

[6]     刘文峰，陈之伟，苏白济.复合土钉墙在市区深基坑支护工程中的应用[J].探矿工程（岩土钻掘工程），2017，44（3）：73-76.

[7]     黄志全，李小慧，孙怡，等.复合支护下深基坑的变形破坏和支护结构受力演化过程分析[J].建筑科学与工程学报，2015，32（3）：74-80.

[8]     林书成，周振荣，唐咸远. 复杂环境中深基坑综合支护设计与施工技术[J].探矿工程（岩土钻掘工程），2017，44（1）：70-74.

[9]     张树龙，董希祥，李连祥.复合土钉墙现场测试及数值模拟分析研究[J].土工基础，2014，28（6）：79-82.

[10]   张伟园.深基坑桩锚支护体系的空间效应研究[D].邯郸：河北工程大学，2013.

[11]   刘展.ABAQUS有限元分析从入门到精通[M].北京：人民邮电出版社，2015.

[12]   中华人民共和国住房和城乡建设部，国家质量监督检验检疫总局.建筑基坑工程监测技术规范：GB50497-2009[S].北京：中国建筑工业出版社，2009.

Application and numerical simulation of grouting micro-pile

composite soil nail in deep foundation pit support

TANG Xianyuan， HUANG Lang， WANG Shihai

（School of Civil Engineering and Architecture， Guangxi University of Science and Technology，

Liuzhou 545006， China）

Abstract： In order to study the support effect of two kinds of grouted micro-pile composite soil nails in deep foundation pit and the deformation of foundation pit during excavation， taking the deep foundation pit support project as an example， the ABAQUS finite element is used to establish a numerical analysis model to simulate the excavation process of the micro-pile composite soil nail construction， and the  simulated value and the measured data are compared and analyzed. The research shows that the          deformation parameters of the foundation pit are within the range of warning value， which indicates that the micro-pile composite soil nailing support effect is good; with the increase of excavation depth， the horizontal displacement of the top increases first and then decreases， and its vertical displacement Increasingly， the two tend to be stable after excavation; the horizontal displacement at different depths of the excavation in the excavation first increases， then decreases， then increases and then decreases. The maximum horizontal displacement occurs at a depth of about 6 m. The top of the steel pipe pile should be paid attention to in the foundation pit construction; the vertical displacement of the          foundation pit at different depths will gradually increase， and a 19 mm bulge will appear in the soil at the bottom of the pit.

Key words： grouting micro pile; deep foundation pit support; composite soil nail; numerical analysis

（責任编辑：黎   娅）