黄土地区深基坑桩锚支护的数值分析

梁存君 普永刚 冀 诚 魏 敏 崔仲卉 贾鑫鑫

中国建筑一局（集团）有限公司西北分公司 陕西 西安 710075

随着我国城镇建设的发展，建设用地日趋紧张，基坑支护工程越来越受到周围环境的制约，对基坑变形量的控制要求越来越严格。桩锚支护以其适应性强、对施工空间要求小及控制基坑变形能力强等优点，在基坑开挖与支护中得到了广泛应用。

在桩锚支护设计中，常将对锚杆施加预应力作为一种优化设计手段。但是不适当的预应力施加可能会对支护结构产生不利影响。比如，过大的预应力可能导致锚杆超载或者让支护桩桩体断裂[1-2]。因此需要研究锚杆预应力对基坑稳定性的影响。

本文以西安市幸福林带深基坑为研究载体，采用大型有限元软件Midas GTS，对基坑的开挖与支护进行数值模拟，将施加不同的锚索预应力下的地表沉降、支护桩的侧向位移进行对比分析。研究成果可为类似基坑工程中桩锚支护的设计和施工提供科学依据和参考。

1 工程概况

1.1 工程简介

西安幸福林带第三工区北起华清路，南至黄河厂前无名路（长乐路以北约400 m），南北长约1 600 m，东西宽约200 m。

项目总用地面积320 000 m2。幸福林带项目的建设内容主要为大型地下综合空间、地下综合管廊、城市道路下穿区间、地面市政园林建筑等，是一个大型综合性的地下工程。该工程基础和路基埋深各不相同，基础形式也不相同；同时与地铁7号线区间、地铁8号线区间和车站相邻或相交。工程建设与地铁施工相互依托与影响。

1.2 地质概况

工程地质调查及现场钻探揭露，拟建场地地表分布有厚薄不均的全新统人工填土，其下为上更新统风积新黄土及残积古土壤，再下为中更新统风积黄土，再下为中更新统冲积粉质黏土及其中的砂夹层和透镜体。

2 有限元模型分析

2.1 模型建立

该基坑的支护面积较大。由于地下建筑要求不同以及场地的不平，基坑的开挖深度是不相同的， 因此在基坑支护中，不同路段的支护方法也不相同，部分路段采用了2层支护桩、2排锚索。选取基坑深度比较有代表性的长缨路施工区段为载体，进行数值分析。图1为数值分析模型，图2为桩锚支护剖面示意。

图1 数值分析模型

图2 桩锚支护剖面

在进行基坑开挖的数值模拟时，模型的选取范围与基坑的开挖深度、土层的性质及基坑的形状有关[3-4]。一般情况下，模型竖向的取值范围为1～2倍的基坑开挖深度[5]。这里基坑的开挖深度为13 m，可以选取模型的深度为25 m，宽度取10 m，基坑内取40 m，基坑外取20 m。模型尺寸为10 m×60 m×25 m，一共划分为46 967个单元，50 353个节点。

2.2 参数选取

支护桩桩体上部有冠梁，基坑开挖的深度为13 m，分3次开挖；第1次开挖6 m；设置支护桩以及锚索；第2次开挖4 m；第三次开挖3 m，采用放坡的方式。在对支护桩进行模拟时，为了便于计算，根据抗弯刚度相等的原则，采用式（1）将支护桩简化成等刚度的地下连续墙。

式中：t ——支护桩净距离；

D——支护桩的直径。

因此将支护桩简化为厚度为 0.271 m的地下连续墙。本文对支护桩和锚索的应力状态以及基坑的变形进行模拟分析，根据已有研究经验可得，冠梁对约束桩体变形起到一定的作用，但是作用不大[6]。而腰梁主要起到分担和传递锚索拉力的作用，因此在这里并未对腰梁进行模拟[7]。本文假设土体为理想弹塑性体，选择各向同性摩尔-库伦本构模型。计算过程中初始应力场即为自重应力场，边界为位移边界。

2.3 工况设置

分以下3种方案进行数值分析计算。1） 方案1：基坑开挖过程中支护结构锚索预应力为 200 kN。2） 方案2：基坑开挖过程中支护结构锚索预应力为 100 kN。

3） 方案3：基坑开挖过程中支护结构锚索没有施加预应力。

基坑开挖过程中，先打入支护桩，第1次开挖后，再设置锚索和预应力，然后继续开挖，第3次开挖之前要放坡，直到整个基坑开挖完成。利用单元激活-钝化技术来控制开挖过程，分析步骤为：初始地应力平衡→第1次开挖→第2次开挖→第3次开挖。

3 结果分析

3.1 地表沉降

图3为锚索预应力设置为200 kN，第1次开挖完成后的土体沉降云图。图4显示的是3种方案下基坑后土体沉降值与基坑边缘距离之间的关系。

图3 土体沉降云图

图4 地表沉降

由图3、图4可知，施加预应力可使得土体地表沉降量明显减小。在第1步开挖完成后，沉降最大值并不位于基坑边缘，而是在距离基坑4～6 m之间。沉降值的曲线呈现先增大后减小的形态，在锚索未加预应力时，基坑后的土体在距离基坑边缘4 m处的沉降值达到最大，最大值为26.3 mm。而锚索预应力为200 kN时，会将沉降最大值点推移到6m处，最大值减小为16.4 mm。基坑后土体沉降量随着远离基坑边缘而逐渐减小，在20 m处，沉降值小于10 mm。当把锚索预应力从200 kN降到100 kN时，沉降值的最大值增加1.2 mm。

3.2 支护桩水平位移

图5为基坑开挖过程中方案1支护桩水平位移云图。图6是3种方案下支护桩水平位移曲线。由图5、图6可知，对锚索施加预应力对支护桩水平位移具有明显改善。在不加预应力情况下，桩顶处最大位移为69.8 mm，桩底处为15.6 mm。在施加的锚索预应力为200 kN时，桩顶处水平位移减少为39 mm。而当预应力值变为100 kN时，支护桩位移最大值增加2 mm。

图5 支护桩水平位移云图

图6 支护桩水平位移曲线

4 结语

1）支护桩的水平位移在桩顶处最大、桩底处最小。对锚索施加预应力可以显著减少支护桩的水平位移，降幅可以达到40%以上。当锚索预应力值减小为设置值的50%时，对支护桩水平位移的影响不大，桩顶处最大水平位移增幅约为6%。

2）基坑支护中，通过对锚索施加预应力会显著减小基坑后土体沉降的最大值，减小幅度在40%以上。使用预应力锚索会改变沉降最大值点的位置。桩锚支护体系中，对锚索提前施加一定的预应力可有效保证基坑支护的稳定性与安全性。