軟土基坑雙排樁一錨索復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬分析

王學(xué)軍

摘要：雙排樁一錨索復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)是一種就現(xiàn)階段來講比較先進(jìn)的基坑支護(hù)形式，它結(jié)合了樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)與雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的技術(shù)優(yōu)勢，能夠從整體上提高支護(hù)剛度，有效預(yù)防基坑變形，在軟土地區(qū)能夠達(dá)到很好的支護(hù)效果。本文基于沈陽北站綜合交通樞紐地下人防工程基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)建三維數(shù)值模型，針對基坑開挖施工中的支護(hù)結(jié)構(gòu)、基坑的內(nèi)力和變形進(jìn)行模擬計(jì)算，并將計(jì)算后得到的參數(shù)與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，從中總結(jié)出軟土地區(qū)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律，為工程實(shí)踐提供更準(zhǔn)確的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：雙排樁；錨索；軟土基坑；數(shù)值模擬

1工程簡介

1.1工程概況

沈陽北站綜合交通樞紐地下人防工程，位于沈陽市市中心，總建筑面積約為52000㎡。擬建的工程場地位于沈陽市北站路與友好街的交會處——南廣場地下，交通便利，是集地上廣場、火車站、公交車站及地鐵的大型綜合交通樞紐工程。場地的地貌單位類型屬第四紀(jì)渾河新扇，該地層主要由雜填土，粉質(zhì)粘土、中粗砂及礫砂等組成。

1.2基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案

①頂部3m采用1：1.2放坡，并掛6.5@200x200鋼筋網(wǎng)噴射c20混凝土，噴射厚度為80mm；②下部采用600mm螺旋鉆孔壓灌樁支護(hù)樁加樁后錨樁、拉梁、錨索聯(lián)合支護(hù)方案；③支護(hù)樁中心距為1m，錨樁中心距為2m，支護(hù)樁與錨樁排距4m。錨索采用低松弛高強(qiáng)度鋼絞線2束7.5，錨索設(shè)計(jì)標(biāo)高-7m，水平間距為1m，一樁一錨，錨索長25m，錨孔直徑為160mm，20°傾角，錨固體注純水泥漿；④采用排距為303mm、樁徑為500mm、樁中心距為350mm的雙排水泥土攪拌樁施作止水帷幕，樁身呈正三角形相互咬合150mm，位于支護(hù)樁與錨樁的外側(cè)；⑤支護(hù)樁、錨樁、冠梁及拉梁混凝土強(qiáng)度等級為C25，主筋為HRB400級鋼筋，加勁筋是HRB335級鋼筋，箍筋為HPB235級鋼筋。

1.3監(jiān)測結(jié)果

①水平位移。本文主要以基坑南側(cè)支護(hù)樁段為例，監(jiān)測點(diǎn)由西向東依次順序排列。樁頂水平位移檢測結(jié)果：N1點(diǎn)水平位移最小，最大值約為24mm，而N2、N3、N4及N5的水平位移都大于預(yù)警值（30 mm），N3位移量達(dá)到了100mm，是幾個(gè)點(diǎn)中位移幅度最大的點(diǎn)。②豎向位移。前排樁樁頂位移是先上抬隆起后下沉，最終趨于穩(wěn)定。一般來說，基坑開挖得越深，豎向位移越明顯。因?yàn)殚_挖過程中必須將坑內(nèi)土體徹底移除，使土應(yīng)力重新分布。這就逐步加大了基坑外部土體的剪力，致使土體出現(xiàn)塑性區(qū)，土地的塑性流動會造成基坑周邊的沿著坑內(nèi)的方向位移。樁與土在發(fā)生相互作用之后，樁頂也因此產(chǎn)生了向上上移動的趨勢，并且在一定的范圍內(nèi)，樁頂產(chǎn)生了隆起。此外，由于完成了預(yù)應(yīng)力錨索施工，前排樁被施加了一定的預(yù)應(yīng)力，更是加劇了隆起的現(xiàn)象。

2雙排樁一錨索復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)三維數(shù)值模擬分析

2.1模型的建立

基坑開挖中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，X軸（寬度），Y（長度），Z軸（開挖深度），根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況及經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽邕x為200mx200mx50m三維彈塑性模型。采用摩爾一庫倫（Mohr-Cotdomb）屈服準(zhǔn)則，四周取對稱約束，上部設(shè)定（z=0）為自由面，僅考慮土體重力，不考慮地下水的影Ⅱ向。

2.2模擬結(jié)果

2.2.1支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移

隨著基坑開挖深度的加大，前后排樁均表現(xiàn)出了沿著基坑內(nèi)方向產(chǎn)生位移的形勢。在開挖到坑底時(shí)，錨索的存在產(chǎn)生了較大的抗拔力，前排樁則表現(xiàn)為中間大兩頭小的情況，表現(xiàn)為變形的曲線，而最大位移值在基坑底部開挖面周圍開始出現(xiàn)。對于后排樁，其頂部的水平位移最大，伴隨樁長度的加大，水平位移變形逐漸變小。

2.2.2前后排樁的水平位移對比

鑒于使用的支護(hù)結(jié)構(gòu)體系是雙排樁一錨索復(fù)合型，并且在樁頂有拉梁與冠梁互相進(jìn)行連接，產(chǎn)生了側(cè)移剛度，并且前排樁的錨索也因此產(chǎn)生了足夠的抗拔力，通過提取不同開挖過程前后排樁樁身位移變形對比得出：

①在完成各個(gè)開挖工程以后，前后排樁的樁頂具有相同的位移，說明拉梁產(chǎn)生了良好的剛性連接，把樁頂連接起來都形成了一個(gè)整體。②開挖階段不同，前排樁最大側(cè)移值是隨著開挖深度的不斷增大而漸向下移動，處于開挖面周圍。主要原因是在樁頂?shù)睦号c樁身4米左右的位置都有錨索單元，并且產(chǎn)生了較好的支護(hù)作用，使得前排樁具有較好的側(cè)移剛度，并使其發(fā)展受到了限制，而且呈現(xiàn)出中間大兩頭小的特征。③伴隨開挖深度的增加，后排樁的最大側(cè)移值也逐漸增大，最后才趨于穩(wěn)定。而就變化規(guī)律來看，與單純的單雙排樁的側(cè)移變形具有相同的規(guī)律，說明錨索單元的作用點(diǎn)自在前樁，對后排樁的影響則比較小。④前排樁側(cè)移的變化曲線速度比較快，并且比后排樁超前。說明前后排樁發(fā)揮作用的時(shí)間不同，前排樁首先起到支護(hù)作用。⑤在開挖坑底時(shí)，前后排的排樁都產(chǎn)生了一定的唯一，并且變化量比較小，逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。說明前后排樁支護(hù)作用發(fā)揮的比較充分，樁的長度設(shè)置也比較合理，也沒有出現(xiàn)由于樁長的原因而導(dǎo)致變形的情況。

2.2.3坑后土體沉降

伴隨基坑深度的加大，每一次開挖都會造成土體的沉降，并且增大了沉降量和影響的范圍，沉降變形的曲線和“勺”形比較相似：而沉降量與相對基坑開挖面的距離有關(guān)，伴隨距離的增大而降低，最后才能穩(wěn)定下來：而最大沉降點(diǎn)與基坑的深度也有很大關(guān)系，伴隨基坑深度的增大而逐漸遠(yuǎn)離基坑方向，最終與相距基坑20到25米左右的距離開始趨于穩(wěn)定，在30米之后，最終穩(wěn)定下來。

2.2.4樁頂處豎向位移

不斷的進(jìn)行開挖會產(chǎn)生向上隆起的特點(diǎn)，主要原因在于土體與支護(hù)架構(gòu)之間的粘結(jié)摩擦力開始發(fā)揮作用，極大的限制了該處土體的豎向沉降，但是與支護(hù)結(jié)構(gòu)相對較遠(yuǎn)的土體以及水平位移會擠壓樁后附近的土體，使其出現(xiàn)了隆起的情況。此外，已經(jīng)完成施工的錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)也提供了較大的側(cè)向抗拔力，加劇了隆起的趨勢。

2.2.5坑內(nèi)土體隆起分析endprint

隨著基坑深度的不斷增加，基坑底部土體的隆起不斷變大。并且坑底部分的土體隆起表現(xiàn)出曲線分布的特征，并且基坑的邊緣，具有最小的隆起值，而中心的隆起值最大，并越來越穩(wěn)定。一方面是由于基坑的坑內(nèi)土體慢慢被移除，極大的釋放了坑內(nèi)土體的自重應(yīng)力，導(dǎo)致了坑內(nèi)的土體開始向上回彈：另一方面基坑坑后的土體會產(chǎn)生塑性流動，并向坑內(nèi)進(jìn)行滑移，且橫向擠壓坑底，造成坑底出現(xiàn)隆起。

3模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果對比分析

3.1水平位移對比分析

根據(jù)對支護(hù)結(jié)構(gòu)前排樁的水平位移進(jìn)行模擬的結(jié)果以及實(shí)際測量取得的結(jié)果，可以得出，在完成開挖基坑支護(hù)，樁頂發(fā)生了約60毫米的水平位移，與實(shí)際測得的N2和N4的水平位移值比較接近。在實(shí)際的模擬過程中，對樁頂?shù)乃轿灰浦颠M(jìn)行剔除，忽略了對整體支護(hù)結(jié)構(gòu)空間效應(yīng)的考慮，也說明了N1和N5的實(shí)際測量的水平位移偏小的原因。對N3進(jìn)行實(shí)測，其水平位移較大，原因在于運(yùn)輸通道的存，出現(xiàn)了在模擬過程中并不存在的外部荷載，導(dǎo)致變形比較大?？偟膩碚f，模擬的結(jié)果和實(shí)際測量的結(jié)果比較接近，其他數(shù)據(jù)基本上相同，說明模型的設(shè)置比較合理。

3.2豎向位移對比分析

根據(jù)對前排樁進(jìn)行豎向模擬以及實(shí)測所取得的結(jié)果可知，在完成基坑開挖以后，前排樁的樁頂其豎向位移上抬的距離在6毫米以下，而基坑坑外的土地的沉降曲線中豎向位移的最大上抬值達(dá)到10毫米，與模擬值相差4毫米。主要原因是在進(jìn)行模擬時(shí)，沒有見地下水的影響考慮在內(nèi)。

4結(jié)論

①雙排樁一錨索復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)在受力以及變形時(shí)，由于各結(jié)構(gòu)單元具備一定程度的變形和協(xié)調(diào)的性質(zhì)，剛度比較大，能夠產(chǎn)生較好的支護(hù)效果，具有良好的適用性。

②雙排樁”錨索復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是有雙排樁以及樁錨結(jié)構(gòu)，整體的穩(wěn)定性比較好，能夠應(yīng)用的范圍也比較廣泛，通過軟件進(jìn)行模擬可以得出這樣幾個(gè)規(guī)律：

1）樁身水平位移：前后排樁的樁頂具有相同水平位移，并且前排樁有明顯的中間大和兩頭小的的變形趨勢。后排樁從樁頂?shù)綐兜锥贾饾u減小。2）基坑豎直位移：基坑后方的沉降曲線與“勺”形比較類似。在開挖初期，樁后的土體微微的隆起，而內(nèi)部土體隆起現(xiàn)象最為明顯，在基坑的邊緣附近最小，中間處最大，在完成基坑開挖之后比較穩(wěn)定。3）樁身彎矩：后排樁整體的彎矩趨勢不斷增發(fā)，前后排樁具有不同的彎矩變化形勢，原因在于錨索只在前排樁發(fā)揮作用，使得前排樁的受力機(jī)理發(fā)生了變化。而后排樁是通過拉梁和冠梁連接到前排樁，其與單純雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)具有類似的彎矩變化趨勢。在進(jìn)行整體施工時(shí)，前排樁具有比后排樁更大的正負(fù)彎矩，說明前排樁是承擔(dān)土壓力的主要構(gòu)件，發(fā)揮著比較大的支護(hù)作用。

③雙排樁一錨索復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)屬于較為靜定的結(jié)構(gòu)，并且具有這種性質(zhì)的結(jié)構(gòu)，在外荷載作用時(shí)，結(jié)構(gòu)體系可以自動的對結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行調(diào)節(jié)，對于比較復(fù)雜，變化較大的外荷載，都能發(fā)揮較好的協(xié)調(diào)作用，以防止支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生變形。endprint