基于FLAC3D的樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)變形分析

黃志全，張瑞旗，王安明

(華北水利水電大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，河南鄭州450045)

隨著城市化建設(shè)的高速發(fā)展，高層建筑密集化，基坑工程往往受到場地條件的限制，沒有充足的空間進(jìn)行放坡，而且周圍環(huán)境復(fù)雜，地下管線密集，基坑變形監(jiān)測[1－2]在基坑支護(hù)工程中凸顯出其重要性。為了支護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定性、合理性和經(jīng)濟(jì)性達(dá)到最優(yōu)化配合，設(shè)計出了多種新型的支護(hù)形式，例如預(yù)應(yīng)力錨桿柔性支護(hù)技術(shù)[3]、地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)[4]、土釘與預(yù)應(yīng)力錨索復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)[5]等。近幾年，土釘與預(yù)應(yīng)力錨索復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)憑借其良好的性能在鄭州地區(qū)得到了廣泛的推廣和應(yīng)用。但是，復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)與土體相互作用機(jī)理仍不完善，很難通過解析方法計算基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形及對周圍環(huán)境的影響，不利于支護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計，甚至有可能出現(xiàn)工程事故[6]。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，各種先進(jìn)的研究理論和數(shù)值軟件運用到基坑工程中，例如ANSYS[7]、ADINA[8]和 FLAC[9]等，對基坑開挖和支護(hù)具有指導(dǎo)意義。本文以鄭州某深基坑工程為背景，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律，運用FLAC3D有限差分軟件對基坑開挖及支護(hù)進(jìn)行模擬研究，并針對不同基坑支護(hù)設(shè)計下基坑穩(wěn)定性分析展開研究。

1 工程概況及支護(hù)設(shè)計

1.1 工程概況

擬建項目緊鄰鄭州市某城市道路，工程地面以上為廣場，地下為2層車庫，框架結(jié)構(gòu)，基坑長123.0 m、寬86.5 m、坑深 11.0 m，采用天然地基梁筏基礎(chǔ)。

工程周邊環(huán)境相對復(fù)雜，東側(cè)臨城市道路，基坑底邊線距離外墻16.0 m，墻外3.3 m為管線埋深1.0 m;南部緊鄰的主樓13層，大樓基礎(chǔ)基底為8.5 m，基礎(chǔ)型式為鉆孔灌注樁基礎(chǔ);西側(cè)為一樓盤售樓部，基坑底邊線距離外墻22.0 m，外墻距離售樓部16.0 m;北側(cè)基坑底邊線緊鄰城市干道，距離人行道南路 8.1 m，距離電纜線 12.0 m，埋深 2.5 m，距離快車道污水管道17.0 m，埋深2.5 m。具體周圍環(huán)境布置見圖1。

擬建場地地形平坦，最大高差0.62 m，地貌單元為黃河沖積平原。根據(jù)鉆探揭露，場地內(nèi)分布的土層主要是粉土和粉質(zhì)粘土，各土層的性質(zhì)指標(biāo)見表1。

1.2 支護(hù)設(shè)計

根據(jù)工程概況，考慮到基坑?xùn)|側(cè)和北側(cè)緊鄰城市道路以及道路上車流量較大等周圍環(huán)境因素，確定基坑北側(cè)長邊坡采用樁錨支護(hù)，支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面如圖2所示，并以該支護(hù)段為重點研究對象探討支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性情況。

2 監(jiān)測方案及監(jiān)測結(jié)果分析

2.1 監(jiān)測方案

經(jīng)現(xiàn)場實地調(diào)查，基坑支護(hù)的監(jiān)測位置見圖1，根據(jù)建筑基坑監(jiān)測規(guī)范[10]，變形監(jiān)測項目和測點布置見表2?；訉﹀^索拉力的監(jiān)測，使用錨索應(yīng)力計在錨索端部進(jìn)行，監(jiān)測頻率1次/d，底板澆筑后3 d量測一次。監(jiān)測精度≤1/100Fs，報警值為80%設(shè)計軸力。

2.2 監(jiān)測結(jié)果分析

深層水平位移是基坑監(jiān)測的一個主要項目，也是考察支護(hù)系統(tǒng)安全狀況的關(guān)鍵指標(biāo)。選取基坑北側(cè)靠近城市道路一側(cè)的測斜孔CX2和CX3的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

CX2測斜點的深層水平位移曲線見圖3。開挖初期，還未安裝預(yù)應(yīng)力錨索，深層水平位移與深度近似呈線性關(guān)系，隨著土層的開挖，水平位移平緩地增長。2013年10月26日—2013年11月4日之間，0～3.0 m深度內(nèi)，深層水平位移驟增，最大水平位移發(fā)生于樁頂，由20.1 mm增至112.55 mm，平均變化速率達(dá)到9.24 mm/d，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過預(yù)警值。這是由于在此期間連續(xù)降雨導(dǎo)致工地停工，該支護(hù)段未嚴(yán)格執(zhí)行“邊開挖邊支護(hù)”的原則，加上雨水的入滲，水平位移發(fā)生劇烈變化?，F(xiàn)場及時采取了措施，安裝預(yù)應(yīng)力錨索，2013年11月4日后，深層水平位移趨于穩(wěn)定，且沒有發(fā)生工程事故。3.0m深度以下的深層水平位移變化正常，隨著基坑的開挖緩慢增長，11月24日基坑底板澆筑完成后，基坑側(cè)向變形趨于穩(wěn)定。曲線在6.0 m和8.5 m深度處有明顯的收縮，在其之間形成“鼓肚”狀，這是由于6.0 m和8.5 m處設(shè)置有預(yù)應(yīng)力錨索，可見錨索能有效抑制支護(hù)系統(tǒng)水平位移的發(fā)展。

CX3測斜點深層水平位移曲線見圖4。隨著基坑開挖水平位移逐漸增大，變化速率也呈遞增趨勢，類似于懸臂支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形特性[11]。2013年11月6日之前，深層水平位移的最大值發(fā)生于樁頂，之后，最大水平位移逐漸下移，最終穩(wěn)定在3.5 m深度處，即開挖深度的1/3，與文獻(xiàn)[12]的分析一致。基坑深度3.5 m～6.0 m是第一道和第二道錨索之間，曲線基本上呈線性變化。6.0m和8.5 m間有兩處明顯的彎折，說明錨索發(fā)揮了限制側(cè)向變形的作用。8.5m至測斜管底部，曲線呈線性遞減。11月24日基坑底板澆筑完成后，深層水平位移曲線幾乎重合，說明水平位移變化趨于穩(wěn)定。

基坑的同一側(cè)壁上，且支護(hù)型式相同，但由于支護(hù)的滯后、雨水的入滲等，CX2測點樁頂附近的水平位移遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過預(yù)警值，而CX3測點的數(shù)據(jù)正常，可見“邊開挖邊支護(hù)”以及同步監(jiān)測的重要性。

3 數(shù)值分析

3.1 計算模型

支護(hù)段位于基坑?xùn)|西走向的長邊，為了盡可能減小邊界效應(yīng)的影響，模型選取東西寬10 m(Y方向)，南北取60 m(X方向)，高度選取3倍基坑深度的33 m(Z方向)，計算模型如圖5所示:共計17 200個單元，184 242個節(jié)點，1 513個構(gòu)件。模型的邊界條件是:垂直于X軸的兩邊界面的X方向位移約束，垂直Y方向的兩邊界面的Y方向位移約束，下端界面固定，上表面為自由界面。支護(hù)樁采用樁(pile)單元模擬，土釘和錨索采用錨索(cable)單元模擬，冠梁和工字鋼梁采用梁(beam)單元模擬，土體單元選用Mohr－Column屈服準(zhǔn)則。

3.2 計算方案

根據(jù)基坑施工情況模擬相應(yīng)的工況如表3所示，根據(jù)工況開挖支護(hù)的模型如圖6所示。

數(shù)值計算中，前三個工況對應(yīng)的深層水平位移擾動不明顯，重點對比分析后續(xù)的工況，即基坑開挖深度在6.5 m、9.0 m和11.0 m時深層水平位移變化情況，結(jié)果見圖7。

由計算結(jié)果可知，安裝第2道錨索后，最大水平位移位于2.5 m深，達(dá)到20.9 mm。基坑開挖至坑底后，最大水平位移處于5.0 m深處，達(dá)到26.3 mm，顯然最大位移隨著開挖有下降的趨勢，曲線均呈“鼓肚”狀。計算結(jié)果對應(yīng)最大水平位移的位置相對略深。開挖至9.0 m和坑底時，監(jiān)測值與計算值差別較大，尤其是基坑底部附近，計算值較小，監(jiān)測值偏大，這是因為基坑支護(hù)受多種因素的制約，例如地下水位、施工環(huán)境以及基坑開挖的時空效應(yīng)等。但總體來看，監(jiān)測值和計算值曲線有較好的一致性。

4 基坑變形敏感性分析

在基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計中，不同支護(hù)方案對基坑的穩(wěn)定性影響不同，因此有必要對不同支護(hù)結(jié)構(gòu)形式下基坑變形進(jìn)行敏感性分析。

4.1 錨索預(yù)應(yīng)力對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響

為了探究錨索預(yù)應(yīng)力與深層水平位移的關(guān)系，將錨索預(yù)應(yīng)力分別設(shè)置為60 kN、80 kN、120 kN和140 kN，與原設(shè)計預(yù)應(yīng)力100 kN對比，結(jié)果見圖8。

由圖8可看出，相同條件下，深層水平位移隨預(yù)應(yīng)力的增大而減小，且水平位移的分布規(guī)律逐漸發(fā)生變化。6.0m以上，預(yù)應(yīng)力對水平位移影響較大，當(dāng)預(yù)應(yīng)力為60 kN時，最大水平位移是34.13 mm，預(yù)應(yīng)力為100 kN時，最大水平位移為26.34 mm，當(dāng)達(dá)到140 kN時，最大水平位移為23.85 mm，從60 kN到100 kN，最大水平位移減小幅度為7.79 mm，100 kN增加到140 kN，減小幅度為2.49 mm，可見預(yù)應(yīng)力的增加對限制水平位移作用明顯;同時，隨著預(yù)應(yīng)力增加，最大深層水平位移的位置出現(xiàn)下降趨勢。6.0m以下，預(yù)應(yīng)力對水平位移的影響相對較小，特別是預(yù)應(yīng)力大于100 kN時，影響不明顯，則預(yù)應(yīng)力超過一定值后，限制深層水平位移的效果會降低。預(yù)應(yīng)力為100 kN對應(yīng)的水平位移已經(jīng)能夠滿足施工的要求，原設(shè)計合理。

4.2 支護(hù)樁入土深度對基坑穩(wěn)定性影響

為驗證支護(hù)樁入土深度與基坑變形的關(guān)系，在原支護(hù)樁設(shè)計深度的基礎(chǔ)上加4 m，即入土深度為8 m和16 m，對比不同設(shè)計下深層水平位移曲線見圖9。隨著支護(hù)樁入土深度的增加，支護(hù)系統(tǒng)向基坑內(nèi)側(cè)移動的趨勢有所減緩，說明入土深度對支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形有一定的影響，但是從圖9中對比發(fā)現(xiàn)，曲線差別較小，限制效果并不明顯。因此，在滿足基坑穩(wěn)定的情形下，需確定合理的樁長，而單純的增加支護(hù)樁入土深度以減少變形是不經(jīng)濟(jì)的。

5 結(jié)論

(1)對比兩監(jiān)測點的數(shù)據(jù)可知，基坑施工應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行“邊開挖邊支護(hù)”原則，總體看來，基坑支護(hù)設(shè)計基本上滿足施工的要求。

(2)利用FLAC3D數(shù)值方法模擬基坑開挖和支護(hù)，并與監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果表明:計算結(jié)果和監(jiān)測結(jié)果基本趨勢大體一致，有限差分方法是合理的，可用于基坑施工的數(shù)值分析。

(3)初步研究了錨索預(yù)應(yīng)力大小和支護(hù)樁入土深度的變化對支護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明:錨索預(yù)應(yīng)力對限制支護(hù)系統(tǒng)側(cè)向變形作用明顯，但超過一定值后，效果有所衰減，支護(hù)樁入土深度影響支護(hù)系統(tǒng)的變形，需確定合理的樁長，單純增加入土深度減小變形是不經(jīng)濟(jì)的。

(4)數(shù)值模型中沒有考慮地下水，基坑周圍的動荷載等因素，因此對數(shù)值模擬還需要進(jìn)一步研究。

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