錨索長度對(duì)城市土體基坑邊坡支護(hù)效果影響

王知深李勇朱維申董振興

(1.山東大學(xué) 巖土與結(jié)構(gòu)工程中心，山東濟(jì)南250061；2.山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，山東 濟(jì)南250061)

0 引言

基坑施工在城市建設(shè)中所占比重越來越大，基坑的深度和支護(hù)的難度也隨之增加[1-3]。錨索支護(hù)憑著低廉的造價(jià)，以及較高的支護(hù)效率，被大多數(shù)基坑邊坡支護(hù)工程所應(yīng)用。作為錨索支護(hù)的主要參數(shù)，錨索長度[4-5]是在進(jìn)行基坑邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)首先要考慮的重要問題。錨索長短和布置的設(shè)計(jì)，在很大程度上直接決定了基坑邊坡的支護(hù)效果。因此，許多學(xué)者對(duì)錨固技術(shù)進(jìn)行了研究。江學(xué)輝[6]和張嘉偉等[7]對(duì)千枚巖邊坡加固時(shí)的錨桿長度進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在千枚巖邊坡錨固時(shí)，錨桿長度增加＞25 m時(shí)，錨固效果并不會(huì)跟著錨桿長度的增加而增加。林杭等[8]研究了邊坡支護(hù)采用不同長短相間布置時(shí)，邊坡的支護(hù)效果也有較大區(qū)別。趙華鵬等[9]使用Geo-studio軟件，對(duì)不同支護(hù)方案在層狀邊坡遇到降雨時(shí)的支護(hù)效果進(jìn)行對(duì)比分析。陳隨海等[10]設(shè)置了不同長度、不同傾角、不同張拉應(yīng)力的錨桿，利用數(shù)值計(jì)算，研究了不同參數(shù)錨桿對(duì)公路邊坡進(jìn)行支護(hù)時(shí)，對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。張超[11]研究了松軟特厚煤層在支護(hù)時(shí)，不同錨桿特性對(duì)于支護(hù)效果的影響。邢心魁等[12]通過研究不同錨桿長度在土質(zhì)隧道支護(hù)，圍巖的應(yīng)力分布來確定各種長度錨桿的支護(hù)效果?？拙S風(fēng)等[13]通過雙彈簧單元等效錨桿的支護(hù)效應(yīng)，研究了各種不同錨桿加固方式在邊坡支護(hù)時(shí)的加固效果。僅管現(xiàn)在錨固技術(shù)已經(jīng)取得了長足的發(fā)展，但仍然存在部分工程由于支護(hù)設(shè)計(jì)的錯(cuò)誤等因素導(dǎo)致了邊坡失穩(wěn)等事故的發(fā)生[14]。因此，在設(shè)計(jì)初期，確定錨索長度以及布置方式，對(duì)基坑邊坡支護(hù)有著極其重要的意義。

在城市土質(zhì)邊坡的支護(hù)中，錨索長度以及不同長度的布置，極大的影響著工程的可靠性以及支護(hù)成本的投入，使用不同長度或布置方式的錨索對(duì)基坑邊坡的支護(hù)效果有較大不同，選用更為經(jīng)濟(jì)合理的優(yōu)化支護(hù)方案是保證城市土體深基坑工程順利進(jìn)行的重要條件。文章采用有限差分軟件FLAC3D，以實(shí)際工程為背景，模擬了錨索在不同長度和布置方案情況下的支護(hù)效果，通過對(duì)比各個(gè)方案進(jìn)行支護(hù)時(shí)的安全系數(shù)和邊坡表面位移情況，確定了最優(yōu)支護(hù)方案，并在實(shí)際工程中與其他方案進(jìn)行了對(duì)比，可為今后類似工程提供借鑒和參考。

1 計(jì)算方法概述

快速拉格朗日差分FLAC(Fast Lagrangian Analysis of Continua)軟件是美國ITASCA公司基于有限差分分析開發(fā)的大型商業(yè)軟件，由于其高效和準(zhǔn)確的計(jì)算能力廣泛應(yīng)用在巖土工程的數(shù)值模擬和計(jì)算中。FLAC3D可以模擬巖土或其他材料的力學(xué)行為，尤其在大變形問題的分析方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢[15]。該軟件主要通過建立有限差分網(wǎng)格，設(shè)定材料的力學(xué)參數(shù)和本構(gòu)關(guān)系，并設(shè)定初始以及邊界條件對(duì)模型進(jìn)行定義，通過顯式差分法求解微分方程。這種計(jì)算方式在求解微分方程的過程中，中間步驟高效快速，因此可以運(yùn)用該方法解決一些復(fù)雜問題。FLAC 3D內(nèi)置了十幾種材料本構(gòu)模型、多種計(jì)算模式以及多種邊界條件[16]，可以通過耦合計(jì)算不同材料在不同本構(gòu)條件下各個(gè)模式和邊界條件下的狀態(tài)。

目前，在大多數(shù)FLAC3D計(jì)算中，常選用Cable實(shí)體單元進(jìn)行錨桿錨索行為的模擬。Cable單元在FLAC3D中是一條具有2個(gè)節(jié)點(diǎn)的直線單元，其節(jié)點(diǎn)可以受到軸向力而產(chǎn)生軸向變形，因此可以模擬張拉和壓縮破壞，所以可以用該單元模擬錨桿和錨索，其自由度的定義如圖1所示。該單元可以承受軸向力，但是允許受到彎曲荷載，還可以進(jìn)行集中荷載和預(yù)應(yīng)力的設(shè)置。Cable單元通常采用的是彈性本構(gòu)，因此服從廣義胡克定律，對(duì)于其軸向剛度與橫截面上單位面積、彈性模量和錨桿長度的關(guān)系由式(1)表示為

式中:K為軸向剛度，kN/m；A為橫截面上單位面積，m2；E為彈性模量，MPa；L為錨桿長度，m。

圖1 錨桿單元節(jié)點(diǎn)自由度圖

2 城市土體基坑有限元模型建立

基坑工程坐落于大連市區(qū)，基坑深度約為18 m，根據(jù)地質(zhì)勘察，該基坑表層主要由雜填土構(gòu)成，厚度約為8 m，往下是由約5 m厚的紅黏土構(gòu)成，紅黏土層下方為強(qiáng)風(fēng)化以及中風(fēng)化石灰?guī)r?；诱w穩(wěn)定性較差，安全等級(jí)為一級(jí)。

根據(jù)現(xiàn)場情況建立了三維有限元計(jì)算模型，該模型總共由2335個(gè)單元、4840個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，左右各長為56 m，從地下40 m至地表(如圖2所示)，各層土體部分物理力學(xué)參數(shù)見表1。將模型導(dǎo)入FLAC3D，各層土體部分使用彈塑性本構(gòu)模型，錨索單元使用cable實(shí)體單元進(jìn)行計(jì)算。

圖2 開挖前基坑模型圖

表1 模型力學(xué)參數(shù)表

3 錨索長度對(duì)基坑邊坡支護(hù)效果影響研究

3.1 基坑邊坡支護(hù)穩(wěn)定性分析

為更好的確定不同長度錨索支護(hù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，選取了3種不同的錨固方案進(jìn)行模擬。方案1采用錨索長度L為7/5 m，間排距為2 m×2 m；方案2采用錨索長度L為9/7 m，間排距為2 m×2 m；方案3采用錨索長度L為11/9 m，間排距為2 m×2 m。

基坑開挖后，由于土體卸荷，基坑邊坡主要產(chǎn)生水平方向上的位移。經(jīng)過計(jì)算，開挖后不支護(hù)及采用3種方案支護(hù)后，基坑邊坡的水平方向上的位移云圖如圖3～6所示。

通過圖3～6可以看出，在進(jìn)行錨索加固之后，基坑邊坡土體內(nèi)部水平位移＞15 mm的區(qū)域急劇減小，基坑邊坡水平最大位移在不支護(hù)時(shí)為69.60 mm，采用方案1、方案2、方案3支護(hù)時(shí)的最大水平位移分別為25.35、22.36、22.46 mm。支護(hù)方案1的基坑邊坡水平位移比不支護(hù)時(shí)減小63.58%，支護(hù)方案2的基坑邊坡水平位移比不支護(hù)時(shí)減小67.87%，支護(hù)方案3基坑邊坡水平位移比不支護(hù)時(shí)減小67.73%。

為了進(jìn)一步說明基坑邊坡在開挖過程中的變形特征，在基坑邊坡上選擇代表性的特征點(diǎn)，提取特征點(diǎn)的位移值。各特征點(diǎn)示意圖如圖7所示。經(jīng)計(jì)算得到的各特征點(diǎn)的位移見表2，水平位移“-”表示從基坑邊坡內(nèi)部指向臨空面，豎直位移“-”表示豎直向下。

圖3 未支護(hù)時(shí)基坑邊坡水平方向位移云圖

圖4 方案1支護(hù)時(shí)基坑邊坡水平方向位移云圖

圖5 方案2支護(hù)時(shí)基坑邊坡水平方向位移云圖

圖6 方案3支護(hù)時(shí)基坑邊坡位移云圖

圖7 基坑邊坡特征點(diǎn)示意圖

表2 各方案特征點(diǎn)位移及支護(hù)效果表

根據(jù)圖7和表2可知，以位移減小百分比作為支護(hù)效果的標(biāo)準(zhǔn)，通過對(duì)比各特征點(diǎn)的支護(hù)效果可以得出，在基坑邊坡的上部位置，3種方案的支護(hù)效果都＞74%，支護(hù)效果較好，其中方案3的支護(hù)效果最好，達(dá)到了74.16%，而方案1和方案2的差別不大。在基坑邊坡的中部位置，方案2的支護(hù)效果最好，最大水平位移出現(xiàn)位置附近的關(guān)鍵點(diǎn)BP02和BP03的支護(hù)效果分別為68.31%、51.46%?；舆吰碌南虏课恢?，方案3的支護(hù)效果最好，BP05和BP06的支護(hù)效果分別為7.46%、5.91%。

經(jīng)計(jì)算，在不支護(hù)時(shí)，基坑邊坡的安全系數(shù)為1.05，使用方案1進(jìn)行支護(hù)時(shí)安全系數(shù)為1.61，使用方案2進(jìn)行支護(hù)時(shí)安全系數(shù)為1.55，使用方案3進(jìn)行支護(hù)時(shí)安全系數(shù)為1.48。

通過上述對(duì)比可以看出，在對(duì)基坑邊坡支護(hù)時(shí)，并不是錨索越長越好。在基坑邊坡的中部位置，方案3的錨索長度較大，破壞了基坑邊坡土體深部的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，并且當(dāng)錨索過長時(shí)，錨索前段的剪應(yīng)力減小，錨索的支護(hù)能力降低；另外，使用較長錨索進(jìn)行支護(hù)的方案3的安全系數(shù)為1.48，小于使用支護(hù)方案2進(jìn)行支護(hù)時(shí)的安全系數(shù)1.55，因此方案3較長錨索的支護(hù)效果并不如方案2的支護(hù)效果。

3.2 基坑邊坡錨索支護(hù)優(yōu)化

對(duì)比各長度錨索在不同位置的支護(hù)效果，在基坑邊坡的上部位置，即從基坑邊坡頂部向下的深度范圍約為3 m，選取長度較長的錨索支護(hù)效果較好；在基坑邊坡的中部部位，即從基坑邊坡頂部向下的深度范圍約為3～13 m，使用7/9 m的錨索支護(hù)方案；在基坑底部，即從基坑邊坡頂部向下約為13 m至基坑底部深度范圍，邊坡的位移量較小，使用較長錨索時(shí)減小的位移量＜1 mm，考慮到經(jīng)濟(jì)因素等方面的原因，選用5/7 m錨索支護(hù)方案。新的支護(hù)方案如圖8所示。

圖8 基坑邊坡優(yōu)化支護(hù)方案圖

經(jīng)過計(jì)算，采用優(yōu)化支護(hù)方案的基坑邊坡水平方向位移云圖如圖9所示。進(jìn)行優(yōu)化支護(hù)后，基坑邊坡水平位移最大值減小為19.09 mm，比其他幾個(gè)方案水平位移最大值都小，但4～6 mm位移區(qū)域增大。提取各特征點(diǎn)位移見表3，并計(jì)算該方案的安全系數(shù)。

表3 優(yōu)化方案各特征點(diǎn)位移及支護(hù)效果表

對(duì)比表2和3可以看出，在容易發(fā)生滑移的邊坡中部及上部位置，該方案的支護(hù)效果均＞50%，基坑邊坡中部BP04處的支護(hù)效果達(dá)到了54.10%，超過了方案2及方案3的36.55%和36.30%，在安全系數(shù)方面，使用優(yōu)化方案進(jìn)行支護(hù)時(shí)，基坑邊坡的安全系數(shù)為1.64，安全性比其他幾種方案都高。基坑邊坡各點(diǎn)的位移值均符合建筑基坑工程檢測技術(shù)規(guī)范，安全系數(shù)在合理范圍內(nèi)，考慮到經(jīng)濟(jì)性等方面，優(yōu)化的支護(hù)方案更為合理。

3.3 現(xiàn)場實(shí)測對(duì)比分析

基坑邊坡開挖后，前15 m邊坡使用方案3進(jìn)行支護(hù)，后15 m邊坡使用優(yōu)化方案進(jìn)行支護(hù)，并在邊坡相應(yīng)位置設(shè)置固定標(biāo)志點(diǎn)，使用全站儀進(jìn)行位移監(jiān)測。在5個(gè)多月的施工過程中，觀測點(diǎn)位移變化值逐漸減小，最后趨近于0，說明邊坡已處于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。提取不同支護(hù)方案的各個(gè)觀測點(diǎn)位移，可以得到基坑觀測點(diǎn)位移變化情況，如圖10所示。

圖10 基坑觀測點(diǎn)位移變化圖

由圖10可以看出，監(jiān)測點(diǎn)位移變化規(guī)律與計(jì)算結(jié)果基本一致，說明計(jì)算結(jié)果具有一定的參考價(jià)值。通過實(shí)際監(jiān)測可以看出，在基坑邊坡的頂部，使用方案3產(chǎn)生的位移為13.87 mm，而使用優(yōu)化方案時(shí)，產(chǎn)生的位移為14.72 mm，方案3的支護(hù)效果略好于優(yōu)化方案的支護(hù)效果。使用2種方案時(shí)，基坑邊坡最大位移量均產(chǎn)生在邊坡中上部位置。其中，使用方案3時(shí)，邊坡最大位移為28.93 mm，使用優(yōu)化方案時(shí)，邊坡最大位移為27.37 mm。通過2種支護(hù)方案的位移對(duì)比可以看出，優(yōu)化方案的支護(hù)效果優(yōu)于方案3使用較長錨桿時(shí)的支護(hù)效果。

4 結(jié)論

通過對(duì)大連市一基坑開挖時(shí)使用不同長度錨索支護(hù)情況下邊坡特征點(diǎn)位移以及安全系數(shù)的計(jì)算分析，得出以下結(jié)論:

(1)在使用錨索進(jìn)行基坑邊坡支護(hù)時(shí)，并不是錨索越長，基坑穩(wěn)定性越好，當(dāng)錨索過長時(shí)，前段的剪應(yīng)力降低，并且會(huì)破壞基坑邊坡深部土體的穩(wěn)定性，從而使支護(hù)效果下降。

(2)通過對(duì)比不同長度錨索支護(hù)時(shí)基坑邊坡特征點(diǎn)的位移，優(yōu)化了基坑邊坡的支護(hù)方案，在容易產(chǎn)生滑移的基坑上部位置選用較長的錨索，基坑中部位置選用中等長度錨索，基坑底部邊坡使用較短錨索，采用這種優(yōu)化方式支護(hù)安全系數(shù)為1.64，較其他方案有所增加，基坑邊坡安全性有所提高。

在基坑開挖時(shí)，不能盲目的根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)，要通過監(jiān)測、計(jì)算和分析后，對(duì)薄弱易發(fā)生危險(xiǎn)的部位進(jìn)行重點(diǎn)支護(hù)，才能在節(jié)約成本的條件下，最大限度的提高基坑邊坡的安全性和穩(wěn)定性。