深基坑樁錨支護(hù)設(shè)計(jì)演算及穩(wěn)定性分析

■ 中鐵十八局集團(tuán)市政工程有限公司 胡朝明

1.工程概況

某深基坑項(xiàng)目開挖面積為61500m2，建筑面積為119200m2?；臃譃楸眳^(qū)和南區(qū)，北區(qū)開挖深度為18.00m，南區(qū)開挖深度為10.00m。工程項(xiàng)目場(chǎng)地北、東、南三面臨路，建筑紅線（支護(hù)邊線）大部分緊鄰道路外邊緣?；硬捎脴跺^支護(hù)結(jié)構(gòu)，從組成部分來(lái)講，主要由擋土構(gòu)筑物即護(hù)坡樁、樁頂冠梁、鋼腰梁及錨桿四部分組成[1]，如圖1所示。

圖1 基坑樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)圖

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘察資料與取樣實(shí)驗(yàn)可知，場(chǎng)地第四系覆蓋層厚度大于50m，填土層2m～3m，土質(zhì)不夠飽和，密實(shí)性較差，在基坑開挖后，由于人工填土的抗剪強(qiáng)度較低且不均勻，透水性強(qiáng)，很容易在地下形成陷穴，導(dǎo)致基坑破壁失穩(wěn)，發(fā)生坍塌事故。因此，在施工過程中要確保支護(hù)強(qiáng)度，降低對(duì)周圍環(huán)境的影響?？睖y(cè)地區(qū)各層土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1 各層土體物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)

2.基坑開挖數(shù)值分析

2.1 模型的建立

在基坑工程中，支護(hù)結(jié)構(gòu)是其中一個(gè)最基本的施工流程[2][3]?；庸こ淌┕ぶ芷谳^短，施工技術(shù)先進(jìn)，但安全性能卻較差，投入成本也較高，因此，對(duì)基坑支護(hù)工程方案進(jìn)行模擬分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)十分重要。根據(jù)該項(xiàng)目的工程情況，建立三維模型。為優(yōu)化模型、提高效率，作出如下假定：工程場(chǎng)地內(nèi)土層分布均勻；地下水位較深，位于開挖面以下，故模擬過程不考慮地下水的影響。依據(jù)基坑工程設(shè)計(jì)資料，考慮建模的合理性，最終模型尺寸為：600m×400m×40m，基坑開挖尺寸為160m×120 m ×18m，模型如圖2所示，土層物理力學(xué)性質(zhì)見表1。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型

2.2 初始、邊界條件

模擬過程中模型側(cè)面的水平限定位移，底面垂直限定位移，頂面無(wú)約束；考慮到模型過大，周圍集中荷載較小，初始應(yīng)力主要考慮土層自重引起的壓力。

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

（1）樁身位移分析

如圖3所示，開挖初期由于沒有錨桿的支撐作用，支護(hù)結(jié)構(gòu)近似于懸臂樁，呈現(xiàn)出頂部位移較大、沿樁身逐漸減小的特征；在第二、三、四步開挖階段，側(cè)向土壓力不斷釋放，樁身位移量不斷增大，但由于樁錨結(jié)構(gòu)形成的聯(lián)合作用，樁身位移得到有效控制，最大位移出現(xiàn)在基坑中部，距離樁頂高度為7m～9m的位置。

圖3 分步開挖樁身水平位移變化趨勢(shì)圖

（2）錨桿軸力分析

錨桿在不同的開挖階段呈現(xiàn)出相似的規(guī)律，即錨桿沿長(zhǎng)度方向軸力的分布明顯在兩個(gè)區(qū)域出現(xiàn)不同的特征，其中在自由段長(zhǎng)度內(nèi)，沒有受到側(cè)向摩擦力的作用，錨桿軸力保持不變；進(jìn)入錨固段后，由于存在周圍土體的摩擦作用，錨固力開始逐漸減小，如圖4所示。

圖4 第一排錨桿不同開挖階段軸力圖

3.現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析

3.1 監(jiān)測(cè)方案

基坑工程開挖面積較大，周邊環(huán)境復(fù)雜，存在多條管線，對(duì)基坑穩(wěn)定及變形量控制要求嚴(yán)格。施工期間對(duì)基坑影響范圍內(nèi)進(jìn)行實(shí)施監(jiān)測(cè)，最大限度地規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，降低工程經(jīng)濟(jì)和工期損失，為基坑周邊建構(gòu)筑物提供安全保障服務(wù)[4]，基坑監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布如圖5所示。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析

（1）樁身位移分析

如圖6所示，在樁錨支護(hù)的土體開挖過程中，樁身沿基坑內(nèi)部的水平位移量顯著增加，當(dāng)基坑整體開挖支護(hù)完成后，樁身水平位移量在逐漸減少，由此說(shuō)明樁身水平位移在趨于穩(wěn)定狀態(tài)。位于樁身高度1/2處的樁身位移最大，最終監(jiān)測(cè)的水平位移量分別達(dá)到7.18mm。在曲線圖中大約位于樁身高度5m～9m高度處產(chǎn)生最大位移變形，該高度范圍正對(duì)應(yīng)于開挖的樁錨支護(hù)第二層土體內(nèi)，說(shuō)明該區(qū)域的土體對(duì)樁身產(chǎn)生的擠壓力度較大。

上述曲線圖與設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果、數(shù)值模擬結(jié)果相比較，變形特征相似，呈現(xiàn)魚腹式變形特征，即樁身最大位移發(fā)生在樁頂下部一定距離處。

（2）樁錨桿軸力分析

錨桿內(nèi)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置在受力較大且有代表性的位置，第二排錨桿的軸力隨時(shí)間的變化情況如圖7所示。

圖5 基坑監(jiān)測(cè)布置圖

圖6 基坑?xùn)|側(cè)深層水平位移圖

圖7 錨桿軸力變化圖

錨桿的軸力變化通常會(huì)經(jīng)歷三個(gè)階段，即先下降、后上升、最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。下降階段：由于存在錨桿產(chǎn)生變形、土體結(jié)構(gòu)變化及錨具等方面的影響，會(huì)引起預(yù)應(yīng)力的下降，該工程中監(jiān)測(cè)到錨桿軸力下降值在初始值的10%～20%左右；上升階段：基坑開挖的不斷進(jìn)行，分擔(dān)到錨桿上的壓力會(huì)增大，使得錨桿發(fā)生一定的變形，進(jìn)而引起錨桿軸力的增加；穩(wěn)定階段：這一階段錨桿軸力會(huì)有一些小的波動(dòng)，從整個(gè)階段來(lái)看錨桿的軸力變化已不顯著，說(shuō)明錨桿與土體之間的作用已基本穩(wěn)定。

4.結(jié)論

深基坑的穩(wěn)定性分析對(duì)象是較為復(fù)雜的問題，涉及支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算及圍巖變形破壞問題，在分析中需考慮土層的力學(xué)性質(zhì)、水文情況、支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力與變形、基坑邊坡的水平位移和坑底隆起等因素[5]。本文通過研究某深基坑工程的實(shí)施，采用等值梁法，結(jié)合數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，得出以下結(jié)論：

（1）采用數(shù)值模擬分析，基坑開挖初始階段沒有錨桿的支撐作用，支護(hù)結(jié)構(gòu)近似于懸臂樁，呈現(xiàn)出頂部位移較大、位移量沿樁身向下逐漸減小的特征；隨著開挖實(shí)施，側(cè)向土壓力不斷釋放，樁身位移量不斷增大，但由于樁錨結(jié)構(gòu)形成的聯(lián)合作用，樁身位移得到有效控制，最大位移出現(xiàn)在基坑中部位置，這種豎向土層的“拱效應(yīng)”在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也得到驗(yàn)證。

（2）通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，開挖初始階段，樁體位移與錨桿軸力發(fā)展顯著，錨桿逐漸起到錨固作用后，變形與軸力增加速度放緩，直至趨向穩(wěn)定。對(duì)比數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明樁錨支護(hù)的組合形式在該基坑工程中是穩(wěn)定的、可行的。