深基坑施工过程中桩锚支护结构受力数值分析

何飞，穆锐，刘一宏

(1.贵州中建建筑科研设计院有限公司，贵州 贵阳 550006； 2.陆军勤务学院 军事设施系，重庆 401311；3.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 310014)

0 引 言

近年来，随着国家经济快速发展，大量高层建筑拔地而起。高层建筑下的深基坑稳定性问题是岩土工程研究中的重点问题。现阶段已有大量学者对基坑做了相关的研究工作，具体情况如下：

理论研究方面，基于Winkler弹性地基梁理论,李涛等[1]应用分段独立坐标法推导并建立了桩体挠度微分方程，结合实际工程对其适用性进行了验证；在考虑立柱桩/土相互作用以及分步压缩施工技术的情况下，杨开放等[2]提出了立柱桩隆沉的计算模型。数值模型研究方面，结合超深基坑的特点，严学新等[3]利用数值与多元回归分析，提出了地面沉降量计算公式；利用有限元数值模拟软件，结合轨道交通、地铁的深基坑等项目，陈桂香等[4]、施有志等[5]对轨道交通、地铁的深基坑建立了相应的深基数值模型，分别对深基坑的稳定性进行数值模拟研究，分析了开挖深度对周边建筑的影响；吴丹红等[6]基于可拓学建立了深基坑的综合评价模型。试验与施工研究方面。WANG Yibo 等[7]通过模型试验，得到了加载条件对深基坑双排桩和土压力的影响是一致的结论。监控量测研究方面，徐中华等[8]对上海邻近地铁隧道的软土深基坑进行现场监测数据分析，证明监测数据控制设计方案的合理性；在基坑施工监测数据的基础上，利用监测数据可以对基坑、周围建筑及周边环境的稳定性，同时还可以对基坑设计方案的合理性等进行验证[9-13]。

从现有研究成果看，深基坑研究主要集中于单阶基坑的理论分析和施工监测，对于多阶深基坑的研究相对较少。鉴于此，本文基于实际工程项目，建立多阶深基坑施工过程中的开挖及桩锚支护结构数值模型，得到多阶深基坑在施工过程中的桩锚支护结构位移、内力以及基坑周边地表沉降位移的变化规律，以期为多阶深基坑项目的设计、施工等提供参考。

1 工程实例

1.1 工程概况

工程项目为贵阳市内某大型深基坑，基坑内拟建4栋单体商用建筑，建筑的主体结构设计等级为甲级，对差异性沉降较为敏感，场地施工主要包括深基坑开挖和桩锚支护结构施工，存在差异性较大的沉降。

根据地质勘察资料结果，可知地下岩层为厚阶白云岩夹溶塌角砾岩，岩体节理较发育、较为破碎，自上而下岩土层结构依次为第四系覆盖阶杂填土(Qml)、第四系堆积、冲积成因的褐黄色红黏土(Qel+dl)和下伏基岩三叠系安顺组(T1a3)，具体分布情况如图1所示。

图1 工程项目地质分布情况

1.2 岩土体的力学参数

现场钻芯取样，对岩土芯样进行基本物理指标试验，得到各岩土层的物理力学参数指标，具体情况如表1所示。

表1 各岩土层主要物理力学参数

续表1

1.3 支护体系的采用

综合地质勘察资料及周围建筑物分布具体情况，深基坑整体采用的支护形式为桩+锚支护结构。但由于上阶地基主要为土体、下阶主要为岩体，同时岩层力学性质良好且岩层走向与基坑开挖面呈逆向，稳定性好，因此，按上、下阶进行分阶支护，如图2所示。桩锚支护结构设计如下：桩径

图2 桩锚支护结构系统

1.5 m，桩间距3.5 m；在分阶处采用三角形联梁连接(900 mm×600 mm)，上阶支护至坡顶的路面标高、底端嵌固深度不小于4.5 m，且嵌入中风化岩层的深度不小于2.0 m；上阶基坑锚索的水平间距3.5 m，竖向间距3.0 m，底排锚索距坡底2.0 m，上阶基坑桩间现浇板厚200 mm，与桩植筋相连接，上阶桩桩顶设置的冠梁随坡顶地形线进行浇筑，如图3所示；下阶基坑锚索的水平间距3.5 m，竖向间距3.0 m，底排锚索距坡底2.5 m；下阶基坑桩间挂网喷射厚150 mm的混凝土，与桩植筋相连接。深基坑锚固桩桩顶设置冠梁，冠梁尺寸1 500 mm×900 mm。现场支护情况如图4所示。

2 数值模型建立

实际工程在开挖施工过程中主要分为2个阶段(图4)，即上部土层基坑的开挖与支护、下部岩层基坑的开挖与支护。只有上部土层基坑的开挖与支护施工完成且支护结构稳定后，在预留足够的桩前土体基础上，才能继续对下部稳定岩层基坑进行开挖。因此，在建立数值模型过程中，遵循这一特点分阶建立三维数值计算模型。

图4 现场支护结构

2.1 模型参数选取

根据地质勘察资料和工程现场实际情况，得到最不利地层。通过原位试验、工程经验等方法确定了杂填土、硬塑红黏土、可塑红黏土、强风化白云岩和中风化白云岩数值模拟选用的参数值，具体见表2。

2.2 数值模拟试验方案

由于基坑的开挖深度较大、地基分层情况复杂，基坑采用分阶支护的桩锚支护结构体系，分阶处设置了联梁，其设计同1.3节。在建立模型时充分考虑分阶的影响，根据现场施工工序要求，分别定义上、下阶桩施工过程的模拟方案，具体数值模拟方案见表3。

表2 数值模拟的材料参数

表3 数值模拟试验步骤

2.3 几何尺寸与网格划分

采用Midas GTS NX软件对基坑边坡地质条件和桩锚支护结构建立数值模型，地层分布为上土下岩。因此，在建立数值模型时采用等密度网格划分的形式对基坑开挖、桩锚支护结构以及周围土体进行尺寸控制。

模型底端为固定支座，3个方向均不动，左右边界限制X方向位移，前后边界限制Y方向位移。具体情况如下：(1)上阶桩锚支护模型开挖深度11.9 m，总长65.7 m，高43.9 m，共有50 130个单元，54 834个结点，见图5；(2)下阶桩锚支护模型开挖深度18.4 m，总长70 m，高43.9 m，共有46 880个单元，51 629个结点，见图6；(3)桩+锚支护模型见图7。

图5 上阶基坑模型

图6 下阶基坑模型

图7 桩+锚索支护模型

2.4 模型合理性的验证

为验证所建模型的合理性，结合现场实测数据，保证数值模拟的开挖过程与现场实际开挖过程一致，通过数值模拟分析，得到深基坑实测的桩顶水平位移与数值模拟得到的桩顶水平位移，如图8所示。

由图8可知，深基坑桩顶水平位移的实测值和数值模拟值基本一致，变化规律相同，结果最大误差为3.37 mm，在规定的允许范围内，说明数值模型较为真实地反映了开挖施工中深基坑和其桩锚支护结构变化规律的实际情况，可采用该数值模型对深基坑施工过程中的数值模拟分析。

图8 桩顶水平位移实测值与模拟值的对比

3 模拟结果分析

3.1 施工过程中支护结构内力变化规律

3.1.1 弯矩变化规律

图9为上阶桩、下阶桩桩身弯矩分布规律。由图9(a)可知，上阶桩在开挖过程1和2中，桩身弯矩随开挖深度先增大后减小，变化幅度不明显；在开挖过程3，4，5中，桩身弯矩呈先增大后减小，出现反弯点后先增大后减小，最大弯矩达到-1 662.43 kN·m。由图9(b)可知，下阶桩桩身弯矩0～12 m先增大后减小，在12 m处接近0；桩深度12～24 m，受嵌岩深度及桩身刚度的影响，弯矩变化幅度不明显；桩身深度6～8 m出现了最大弯矩，最大弯矩-2 140.59 kN·m，不存在反弯点。

图9 桩身弯矩变化规律

3.1.2 剪力变化规律

图10为上阶桩、下阶桩桩身剪力分布规律。由图10可知，在开挖第一阶段，由于上阶桩没有锚索，在侧压力作用下桩身剪力分布较为均匀，在距离桩顶3.6 m处锚索作用导致剪力发生在距离桩顶6.6，6.9 m处，同样有剪力发生改变，且在整个开挖过程中剪力最大值为1 209.69 kN。类似地，在施工过程中下阶桩出现的最大剪力为817.89 kN，由于受到锚索数量影响，整个过程中剪力变化规律较为复杂，是一个不断变化的过程。

图10 桩身剪力变化规律

3.1.3 桩身轴力变化规律

图11为上阶桩、下阶桩桩身轴力的变化规律。开挖步骤相同时，受锚索和侧向土压力影响，上阶桩、下阶桩桩身轴力均随桩身埋置深度的增大先增大后减小，在桩顶时为0。随着开挖深度增大，上阶桩在锚索作用处发生突变，桩身轴力的最大值出现在靠近桩底的1/3处。相反，下阶桩桩身轴力在锚索作用位置同样发生了突变，但由于锚索没有完全作用，突变幅度较小，在开挖过程7时整个施工过程中的桩身轴力最大。桩身轴力突变位置为锚索布置的位置，因此在开挖过程中，锚索预应力对桩身轴力的影响较大，在实际工程应用中应引起重视。

3.2 施工过程中支护结构位移变化规律

3.2.1 水平位移变化规律

图12～13分别为整桩的水平位移变化和桩顶水平位移变化规律。由图12可知，桩锚支护结构在开挖施工过程中，上阶桩在深度方向上桩身水平位移接近线性分布，距基坑底部越远，桩身水平位移越大；距基坑底部越近，桩身水平位移越小。即在基坑顶部，桩顶水平位移最大，为12.98 mm，在基坑底部，桩身水平位移最小；下阶桩在深度方向上桩身水平位移按非线性分布，且桩身水平位移量总体远小于上阶桩的，总体变化规律与上阶桩的变化规律大致相同，但在距离坑底12 m处出现了明显的拐点，在拐点上段桩身水平位移变化幅度较大，在拐点下段桩身水平位移变化幅度较小，桩顶处水平位移最大，为4.72 mm。产生这种差异的原因：上阶桩存在土层中，由于桩身刚度不足，桩顶处受侧压力影响产生较大的水平位移，随着嵌固深度增大，桩身刚度逐渐增大，水平位移逐渐减小。下阶桩主要存在于岩层中，在受侧压力影响下，岩层与开挖方向互为逆向，桩身刚度足够，侧向压力没有引起桩体产生较大的水平位移，当桩身完全抵抗变形时，出现了明显的拐点。由图13可知，无论是上阶桩还是下阶桩，桩顶水平位移量均随开挖深度的增大而增大，但支护结构受力状态良好，确保了基坑周围土体的稳定性。

3.2.2 桩顶沉降位移变化规律

由图14可知，对于上阶桩、下阶桩而言，桩顶沉降位移均随开挖步骤的增大而增大，上阶桩表现出线性增加，且变化幅度较为明显；下阶桩表现出非线性增加，且变化幅度相对较小。从图14(a)移增加较小，最后一步开挖引起的沉降量下阶桩中主要为强风化、中风化白云岩，其岩层性质稳定性较好，在开挖过程中变形量小。

图11 桩身轴力变化规律

可以看出，随着开挖深度增加，上阶桩的桩顶沉降位移明显增大，从1.28 mm增至5.73 mm，但在允许的变形范围内，增量大致相同；从图14(b)可以看出，随着开挖深度增加，上阶桩的桩顶沉降位

图12 桩身水平位移随开挖步骤的变化规律

图13 桩顶水平位移随开挖步骤的变化规律

图14 桩顶沉降位移随开挖步骤的变化规律

3.2.3 基坑顶部地表沉降位移变化规律

由图15可知，随开挖深度加大，基坑顶部地表沉降值也增加，在距离基坑顶部4～5 m地表沉降量达到最大，总体呈先增大后减小的V形分布，但在距离基坑大于15 m时，沉降量变化非常小，可忽略。随施工过程开挖步骤增加，开挖引起的地表沉降位移也在逐渐增大，在开挖过程5时，距离基坑顶部4 m处的沉降位移达到10.49 mm。

由图15可以看出，在基坑施工过程中，开挖对周围地表有一定影响。在施工过程中，对基坑影响范围内存在地下、地上建(构)筑物加强监测，以防不利因素带来不良影响。

图15 基坑顶部地表沉降位移变化规律

4 结 论

(1)对比分析现场实测数据与本文数值模型的计算结果可知，数值结果与实测结果较为接近。因此，采用该数值模型对多阶深基坑进行研究是可行的、合理的。

(2)开挖施工过程对桩锚支护结构的内力影响较为明显。上阶桩弯矩先增大后减小且存在反弯点，剪力先增大后减小，轴力先增大后减小且在锚索作用处发生突变。下阶桩弯矩先增大后减小至0，随后无明显变化；剪力先增大后减小至0，随后反向先增大后减小，轴力先增大后减小，同样在锚索作用处出现突变，但不明显。

(3)桩身水平位移距坑底越远，数值越大，但岩层的小于土层的，且上阶桩呈线性分布，下阶桩呈非线性分布；上阶桩和下阶桩的桩顶水平位移和桩顶沉降位移均随开挖过程的推进逐渐增大；同时，开挖施工对周围地表的沉降影响较大，在距基坑边缘4～5 m影响最为明显；当距离>15 m时，影响不明显。

(4)研究结果可为类似多阶深基坑支护结构体系的设计、施工提供参考。在设计时应综合考虑多阶深基坑支护结构周围建筑物的加固、地表沉降量，合理选择桩锚支护结构体系、桩体配筋、锚索数量及其相对位置等，从而优化设计。