超載下樁錨支護(hù)基坑的受力與變形分析

王彩蒙，宇云飛，朱常志，劉明珠

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院，河北 保定 071001）

城市建設(shè)中的深基坑工程，其周邊環(huán)境往往比較復(fù)雜，如周邊存在地下管線、道路以及既有建筑等，基坑的設(shè)計(jì)與施工應(yīng)確保周邊環(huán)境的安全。當(dāng)基坑邊緣距相鄰既有建筑物較近時(shí)，應(yīng)考慮相鄰既有建筑物超載對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)受力與變形的影響，以防因基坑開(kāi)挖導(dǎo)致相鄰既有建筑物產(chǎn)生過(guò)大的附加不均勻沉降，從而引起建筑物的開(kāi)裂、傾斜甚至倒塌。目前，已有不少專家或?qū)W者［1-12］基于各自的工程案例，采用理論或數(shù)值方法對(duì)基坑開(kāi)挖與既有建筑物的相互影響進(jìn)行了研究。筆者利用FLAC3D 軟件，建立了以北京某樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的深基坑工程為例的數(shù)值分析模型，考慮是否有相鄰既有建筑物超載的影響，對(duì)基坑在不同的開(kāi)挖工況下，支護(hù)樁的水平位移和彎矩、錨索的軸力以及基坑周邊的附加沉降進(jìn)行了分析，以期對(duì)類似工程提供參考與借鑒。

1 工程概況

該深基坑工程位于北京市朝陽(yáng)區(qū)，坑深11 m，平面形狀為五邊形，尺寸詳見(jiàn)圖1?；?xùn)|側(cè)距基坑邊緣5 m 有5 棟居民樓，地上4 層，地下1 層，東西長(zhǎng)58 m?；釉O(shè)計(jì)采用樁錨支護(hù)，排樁為鉆孔灌注樁，樁徑0.8 m，樁長(zhǎng)18 m，樁間距1.4 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C25；冠梁高0.6 m，寬0.8 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C25；腰梁為28b 型號(hào)的雙工字鋼，錨桿參數(shù)見(jiàn)表1。水泥采用標(biāo)號(hào)為P.O 42.5 的普通硅酸鹽水泥，樁間鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，并用C20 的細(xì)石混凝土噴面。場(chǎng)區(qū)地層以第4 系黏性土、粉土及砂礫石交互地層為主，場(chǎng)地土層參數(shù)見(jiàn)表2。

圖1 基坑邊界長(zhǎng)度圖Fig.1 Boundary length diagram of foundation pit

表1 錨索的設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameters of anchor cables

表2 土層的參數(shù)Table 2 Parameters of soil layer

2 數(shù)值模型的建立

2.1 數(shù)值模型

選取存在既有建筑物的基坑?xùn)|側(cè)中部區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，運(yùn)用FLAC3D 軟件，建立了其三維數(shù)值分析模型?？紤]模型的邊界效應(yīng)和既有建筑物對(duì)基坑開(kāi)挖的影響，從基坑邊向外延伸64 m 為模型短邊邊界，從基坑底部向下延伸39 m 為模型底邊界，延伸距離均大于3 倍的基坑開(kāi)挖深度，基坑開(kāi)挖部分長(zhǎng)36 m，寬28 m，深11 m。模型底邊界為固定鉸支座，各方向沒(méi)有位移，模型上邊界為自由邊界，是基坑的地面，模型的4 個(gè)側(cè)面為滾軸支座，無(wú)側(cè)面的平面法向位移［13］。該模型的坐標(biāo)原點(diǎn)在前方左下角，X軸方向長(zhǎng)為100 m，Y軸方向?qū)挒?8 m，Z軸方向高為50 m，如圖2、圖3。

圖2 局部模型Fig.2 Local model

圖3 開(kāi)挖結(jié)束模型Fig.3 Excavation end model

采用Mohr-Coulomb 模型模擬土體的變形，考慮基坑開(kāi)挖卸荷之后，坑內(nèi)土體會(huì)受到影響。于是，計(jì)算模型中土層彈性參數(shù)的取值以基坑底部為分界線，基坑底部以上土層的彈性參數(shù)取值為實(shí)際測(cè)量值的3 倍，基坑底部以下土層的彈性參數(shù)取值為實(shí)際測(cè)量值的5 倍［14］，計(jì)算得出的結(jié)果更接近實(shí)際。以軟件內(nèi)置的線彈性結(jié)構(gòu)單元模擬支護(hù)結(jié)構(gòu)，如圖4 所示。以結(jié)構(gòu)單元“beam”模擬冠梁和腰梁，以結(jié)構(gòu)單元“pile”模擬支護(hù)樁，冠梁和支護(hù)樁的彈性模量的取值為28 GPa，泊松比均取0.25，腰梁彈性模量取210 GPa，泊松比取0.3。錨索采用結(jié)構(gòu)單元“cable”模擬，共設(shè)3 道，傾角均為15°，彈性模量取195 GPa。既有建筑物超載按100 kPa 考慮，忽略樁間土拱效應(yīng)、掛網(wǎng)噴面等對(duì)土體位移的約束效應(yīng)。

圖4 支護(hù)結(jié)構(gòu)布置Fig.4 Layout of supporting structure

2.2 基坑的開(kāi)挖工況

表3 為基坑的開(kāi)挖工況。

表3 開(kāi)挖工況Table 3 Excavation conditions

3 數(shù)值結(jié)果與分析

以模型中部作為研究對(duì)象，分別考慮是否存在超載時(shí)，在基坑的不同開(kāi)挖工況下，支護(hù)樁樁身水平位移、樁身彎矩、錨索軸力及基坑周邊地表附加沉降的變化規(guī)律。

3.1 樁身水平位移變化規(guī)律

通過(guò)對(duì)比分析圖5 中的(a)和(b)可以得出，隨基坑開(kāi)挖深度的增加，樁身水平位移逐步增大，并且沿著樁身中上部的水平位移比較大，下部的水平位移比較小，最大水平位移位于0.5 倍的基坑開(kāi)挖深度處。相較于無(wú)超載時(shí)，存在超載時(shí)的樁身水平位移值變化很大。由此得出，基坑開(kāi)挖越深，土對(duì)樁身水平位移的約束作用逐漸減弱，坑頂邊緣超載對(duì)樁身上部水平位移的影響愈加顯著。

圖5 不同工況的樁身水平位移曲線Fig.5 Horizontal displacement curve of pile body under different working conditions

3.2 樁身彎矩變化規(guī)律

通過(guò)對(duì)比分析圖6 中的(a)和(b)，可以得出，基坑開(kāi)挖越深，樁身彎矩越大，沿樁身似“弓”字分布。工況1 之后，樁身最大正負(fù)彎矩值位置均有所下移，最大正彎矩均小于最大負(fù)彎矩的絕對(duì)值。無(wú)論坑頂是否存在超載，最大正負(fù)彎矩值的位置在各相應(yīng)的工況下不會(huì)改變，開(kāi)挖的越深，數(shù)值上相差的越大。隨基坑開(kāi)挖和支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)揮應(yīng)有的作用，樁身彎矩受土的影響在減少，受錨索的約束在增大，坑頂超載對(duì)樁身中部彎矩影響較大。

圖6 不同工況的樁身彎矩曲線Fig.6 Bending moment curves of piles under different working conditions

3.3 錨索軸力變化規(guī)律

通過(guò)對(duì)比分析圖7 中(a)和(b)可以得出，錨索的自由段軸力變化曲線接近水平直線，且最大，錨固段軸力則迅速減小到某值。隨基坑開(kāi)挖深度的變化，錨索軸力在增加，但錨索周圍在工況7 時(shí)沒(méi)有工況5 時(shí)增加的多?？禹斒欠翊嬖诔d時(shí)，錨索最大軸力值在各相應(yīng)工況下相差很大。可以得出，隨著基坑的開(kāi)挖和其余2 道錨索的布置，第1 道錨索軸力受開(kāi)挖深度的影響在減小，受其余2 道錨索的影響在增大?？禹敵d對(duì)第1 道錨索自由段以及錨固段前端和中部軸力影響較大，對(duì)錨固段末端幾乎沒(méi)影響。

圖7 不同工況的第1 道錨索軸力曲線Fig.7 Axial force curves of the first layer anchor cables under different working conditions

3.4 基坑周邊地表附加沉降變化規(guī)律

通過(guò)對(duì)比分析圖8 中(a)和(b)可以得出，隨工況的變化，考慮既有建筑物超載的附加沉降變形曲線呈“凹槽”狀，不考慮超載的地表附加沉降幾乎為零。

圖8 不同工況的基坑周邊地表沉降曲線Fig.8 Surface settlement curve around foundation pit under different conditions

地表附加沉降主要影響區(qū)大約距基坑邊2 倍開(kāi)挖深度，最大沉降位置不變，沉降的絕對(duì)值越來(lái)越大。主要影響區(qū)之外，隨距基坑邊距離的增大，沉降值越來(lái)越小，幾乎等于零。有無(wú)超載時(shí)，各對(duì)應(yīng)工況的基坑周邊地表附加沉降值相差較大。說(shuō)明隨基坑開(kāi)挖深度的加大，樁身中上部水平位移增大，引起基坑周邊地表附加沉降?？禹敵d對(duì)距基坑邊2 倍開(kāi)挖深度范圍內(nèi)的地表附加沉降影響較大，主要影響區(qū)之外，附加沉降值基本不變。

4 結(jié)論

坑邊存在建筑物超載時(shí)，隨著開(kāi)挖深度的加大，支護(hù)樁樁身中上部水平位移較大，下部較小，而不是“鼓肚”狀分布；樁身彎矩沿樁身似“弓”字分布，最大正、負(fù)彎矩值位置會(huì)向樁底方向移動(dòng)，最大正彎矩值比最大負(fù)彎矩的絕對(duì)值小很多，其彎矩值遠(yuǎn)大于無(wú)超載時(shí)的樁身彎矩；錨索自由段軸力最大且基本不變，錨固段軸力迅速減小，且軸力最大值遠(yuǎn)大于無(wú)超載時(shí)錨索軸力最大值；地表附加沉降呈“凹槽”狀分布，距坑邊2 倍開(kāi)挖深度外地表沉降幾乎為零，而無(wú)超載時(shí)地表幾乎無(wú)沉降。研究成果可為類似基坑支護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。

深基坑開(kāi)挖對(duì)相鄰既有建筑物的影響分析與控制至關(guān)重要。基坑周邊存在建筑物超載時(shí)，不僅會(huì)加大支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力，還會(huì)改變基坑周邊地表沉降的變形規(guī)律，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)驗(yàn)算基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的正常使用極限狀態(tài)，避免其設(shè)計(jì)不足之處對(duì)基坑周邊環(huán)境和建筑物產(chǎn)生不必要的影響。若基坑周邊有淺基、多層建筑物時(shí)，其所受基坑開(kāi)挖的影響會(huì)更大。因?yàn)檫@些多層建筑物整體性差，建筑結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)度低導(dǎo)致其抵抗變形的的能力很弱，基礎(chǔ)埋深又淺，很小的擾動(dòng)變形就會(huì)引發(fā)建筑物不均勻沉降，嚴(yán)重的甚至?xí)鸸艿榔屏眩ㄖ锟逅扔绊懮?cái)產(chǎn)安全的事故發(fā)生。