深基坑工程中内撑式桩锚支护结构的应用研究

王龙祥

（河北中色华冠岩土工程有限公司，河北 廊坊 065201）

内撑式桩锚支护结构是将锚杆与内支撑等支护构件组合在一起，形成稳定的支护结构，保证支护桩均匀受力，提高基坑支护工程的安全性。利用FLAC 3D数值分析软件，模拟基坑支护现场施工的实际情况，建立基坑支护的数值模型，选择相应参数，计算出现场基坑支护工程的数值，为内撑式桩锚支护结构的应用提供了参考。

1 内撑式桩锚支护结构

内撑式桩锚支护结构是一种内撑式与锚杆式相结合的桩锚撑组合支护结构。这种结构能严格控制支护桩的水平位置，在减少工程投资的基础上，提高工程施工进度。由于内撑式桩锚支护结构具有桩锚组合和桩撑组合的特性，因此，其变形强度较大，受力更科学，在施工中能最大程度地发挥材料的潜力，解决基坑工程施工中存在的相关问题，在基坑工程施工中被广泛采用。内撑式桩锚支护结构综合利用联合支护结构中各支护构件的优点，提高了内撑式桩锚支护结构的适用范围和安全性，同时也解决了基坑支护中存在的一些问题。该支护结构在复杂的深基坑工程施工中，采用锚杆与内支撑相结合的支护体系，可以将支护桩的受力传递到周围土层，使支护桩的受力均匀，在允许的范围内发生变形。在基坑工程中，根据实际情况，采用内撑桩锚支护结构，充分利用支护构件的特性，提高了基坑稳定性。

2 支护结构的受力和变形

2.1 影响桩顶位移的因素

（1）支撑水平间距。当支撑间距较小时，桩顶最大位移减小，施工时可用少量支护桩；当支撑间距大时，则减少支撑桩的数量，桩顶最大位移增加，因此，合理设置支撑间距很重要。桩顶位移与支撑水平间距呈正比曲线关系，且随支撑间距的增大而增大。为此，对支护桩的水平距离应进行科学设计、合理布局，在有效控制支护桩顶最大位移的基础上减少工程投资。

（2）基坑地面过载。在基坑施工中基坑周围存在地面荷载，允许有一定的荷载值存在，但实际施工中，由于荷载超过基坑承载值，基坑工程施工缺乏安全保障，应合理控制基坑周边荷载。随着基坑地面荷载的增大，桩顶最大位移也也随之增大，荷载对基坑支护有一定的影响。因此，在基坑施工中，应将基坑周边的荷载控制在设计荷载范围之内。

（3）竖向间距系数。桩顶最大位移受影响很大，其变化随间距的增大而增大，一般是先减小后增大。在竖向间距系统达到最优值时，桩顶位移变化最小，在实际施工中，采用竖向间距系统的最优解选择支护结构的深度，但在实际施工中，最优解与实际值会有一定误差，这主要受施工地质条件和施工现场因素的影响。

（4）相对间距系数。相对间距系数对桩顶位移改变很小，一般受影响的桩顶位移变化范围在3mm以内。在支护结构设计中同时对竖向间距系数和相对间距系数采用最优解，桩顶位移才能达到最小值。

（5）开挖深度系数。对桩顶位移有一定的影响，开挖深度系数与桩顶最大位移呈线性关系，开挖深度系数增大后，桩顶位移也随之增大，但当开挖深度系统增大到相应值时，对桩顶位移的影响逐渐减小。基坑开挖工程中要避免基坑超挖，超挖将导致桩顶位移增大。

2.2 支护结构的受力及变形

2.2.1 冠梁受力变形

2.2.2 支护桩受力变形基坑开挖深度与桩身水平位移成正比关系，基坑开挖深度增大，支护桩的位移也相应增大，内支撑支护桩结构中桩身在中部位置发生位移。假设支护桩端嵌固过程中未发生位移，则支护桩位移呈抛物线变化。

3 参数对支护结构中桩体内力的影响

3.1 FLAC 3D数值分析软件

FLAC 3D通过数值分析对支护结构受力情况和变形特性进行模拟，并用混合离散法有效解决塑性问题，FLAC 3D作为数值分析软件更科学、可靠。计算中采用的FLAC 3D方法是一种动态求解方法，该方法误差小、计算结果准确。FLAC 3D内部包含众多结构单元，可对实际构件进行模拟，而且建模简单、计算快、结果准确。利用FLAC 3D软件构建模型并模拟分析了支护结构的受力和变形特性，将模拟数据与实测数据进行对比，确定模型参数。在基坑支护工程中利用FLAC 3D数值分析软件，可实现对内撑式桩锚支护结构受力情况和变形特性进行准确的数值模拟以及数据分析，为内撑式桩锚支护结构的应用提供了数值依据。

3.2 构建数值模型

3.2.1 基本假定

在深基坑工程施工中，诸多外界因素都会影响支护结构的受力情况，利用FLAC 3D软件构建数值模型，对支护条件和地质条件等因素进行模拟，以达到或接近实际施工工况的要求，并对支护结构的变形特性和受力情况进行模拟，为内撑式桩锚支护结构应用提供数据参考。

基本假定：基坑开挖施工前期应采取防水措施，控制施工现场的地下水深度，将地下水控制在开挖面的1m以下。由于施工现场的土层分布不均匀，且土层土质比较复杂，因此，在数据模型中按照土层均匀分布进行建模，数值选取平均厚度和均匀分布的土层进行设定。由于数值模型计算中存在局限性，对锚索预应力损失值不能充分考虑，且锚索也是一次性施工完成，因此，数值模拟忽略了锚索预应力损失。土体受到外界挤压会发生变形，但在数值模拟中无法计算施工中造成的土体变形，所以，开挖前的支护桩对土体造成的影响可以忽略不计。工程施工中的支护结构均设为弹性体。

3.2.2 土体本构模型及参数

土体本构模型可以模拟支护桩受力与变形之间的关系，并体现出土体的力学性能，数值计算中的关键步骤是选取本构模型。本构模型模拟根据实际勘察数据，选用M-C模型，其计算速度快，应用于多种土体，其中L为体积参数模量，N为切变参数模量，F为弹性参数模量，为泊松比，参数之间的关系如下：

已知泊松比和压缩模量，可在模型中计算出所需的体积模量和切变模量。其中，弹性模量与压缩模量之间的关系如公式（3）。施工前期勘察中，选取土体的压缩模量，通过试验可得压缩模量小于弹性模量，将压缩模量扩大3～6倍可计算出弹性模量，模型计算结果与实际情况比较符合，或在公式（5）中计算弹性模量，参数取值应以实际测量的数据为依据，经多次调试计算出土体的弹性模量。

3.2.3 支护结构及参数

支护结构建模及参数见表1。

表1 支护结构建模参数

基坑工程土体形成过程会受外力作用，一般情况下土体为固态，感受自然应力，为提高模拟数值的准确性，土体消除自重对模型进行初始平衡。利用FLAC 3D可采用多种方法对土体自重引起的沉降进行消除。支护结构模型模拟方法：支护材料的抗拉强度取较大值，以保证支护结构模型在自重应力下平衡。模型中心位置对称，受到竖直向下的重力影响，水平方向不发生位移。结合施工土体实际情况，赋值土体参数，从模型中分析支护结构发生的变化。在模型中模拟基坑开挖工序，并进行分布模拟运算，在保证基坑支护施工安全的前提下，控制支护结构的变形，在基坑开挖地面距离0.6m以下的基础上安装支护构件，施工开挖工况模拟见表2。

表2 施工开挖工况模拟

3.3 数值结果分析

利用FLAC 3D软件对基坑开挖工况进行模拟，计算并记录整个支护构件受力和位移变化。利用FLAC 3D数值分析软件构建数值模型，模拟基坑施工现场工况，对土体本构模型参数和支护结构参数进行计算，并用数值分析法研究了支护结构的水平位移、桩身弯矩、内支撑轴力和锚索受力。

（1）支护桩身变形分析。在开挖过程中，桩身水平位移与开挖深度之间成非线性增加关系，随开挖深度增大，支护桩位移也随之增大。由于受周边岩土土体的约束，支护桩底部位移变化几乎为零，模拟数据与实际测量数据一致。随着支撑构件暗盒锚索构件的安装，对支护桩位移进行了有效限制，并分担了支护桩承受的外力。开挖深度在15m处安装了钢支撑，有效限制了支护桩位移。

（2）桩身弯矩分析。基坑开挖深度增大，桩身最大弯矩也随之增大，原因是锚索和内支撑的安装，促使支护桩弯矩发生拐点，桩身受力合理改变了桩身的弯矩分配。钢支撑预加应力，桩身发生变化，与悬臂支护结构明显不同，支护桩弯矩呈弓字形状分布。随着基坑施工的进行，桩身弯矩逐渐减小，开挖结束后最大负弯矩在开挖面以上，最大正弯矩在开挖面下。

（3）内支撑轴力分析。通过内支撑轴力可以准确地确定支撑选型和尺寸，开挖深度在20m处内支撑轴力最大，且位于基坑中间位置，在靠近基坑侧面的冠梁分担了支撑轴力，所以，基坑侧面支撑轴力小。内撑式桩锚支护结构兼具桩锚、桩撑相结合的特性，支护结构的变形强度较大，受力更科学，在应用过程中可最大程度地发挥施工材料的潜能，并解决基坑工程施工中存在的相关问题。在基坑开挖结束后进行底板施工时，基坑底板降低了基坑支撑内力，在保证安全的前提下，应尽快进行基坑开挖工程中的支护结构施工和土方开挖施工，最大程度减少基坑支护工程的危险性。

（4）锚索受力分析。锚索轴力在施工过程中增长较慢，支护构件安装的每一步都能减小锚索的外力影响，锚索与桩之间也逐渐达到受力平衡。在底板后续施工中缓解了锚索轴力，因而锚索轴力的增加逐渐减小，锚索锚固段承受支护桩的外力，锚固段逐渐减小，轴力也逐渐减小，直至受力为零，锚固构件安装完成。施工中要保证锚固开始段在危险滑动面之外，这样才能保证基坑施工安全。

4 结语

内撑式桩锚支护结构综合利用联合支护结构中各支护构件的优点，提高了内撑式桩锚支护结构的适用范围和安全性，同时也解决了基坑支护工程中存在的一些问题。利用FLAC 3D软件构建模型模拟分析了支护结构的受力及变形特性，并将模拟数据与实测数据对比，确定模型参数，最终得出内撑式桩锚支护结构应用的数据，为内撑式桩锚支护结构应用提供了理论依据。