基于FLAC3D樁—錨支護結構參數敏感性分析

冀彥卓

摘 要：該文以錦州石化公司新建柴油罐基坑工程為研究對象，利用大型有限差分軟件FLAC3D對影響基坑開挖的樁錨支護結構敏感性參數進行了數值仿真分析，得出了樁錨支護敏感性參數對基坑變形的影響規律，并對重要參數進行了討論，為今后類似工程提供了參考。

關鍵詞：樁錨支護 參數敏感性分析 數值分析 FLAC3D

中圖分類號：TU753 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）05（a）-0110-04

隨著中國社會的高速發展，基坑工程開挖量也逐漸增加，基坑支護的難度也越來越大。對于已定性分析出采用樁-錨支護結構的基坑支護工程來說，迫切需要如何定量的確定出樁-錨支護結構具體的最佳參數量值。該文以錦州石化公司新建柴油罐基坑支護工程為研究對象，基于大型有限差分軟件FLAC3D對影響基坑開挖的樁錨支護結構敏感性參數進行數值仿真分析[3-4]，進而定性得出樁間距、樁的規格（樁徑）、樁間土體剛度、及錨索（桿）間距等敏感性因素對控制基坑變形的發展趨勢，進一步完善優化定性做出的基坑支護方案，對于其他類似基坑支護工程提供一定的參考價值。

1 工程概況

該工程建筑場地位于錦州石化公司廠內西側，場地因山體走勢總體呈現東側高，西側低，高程介于29.53～46.24 m，高差約為16.71 m。地貌單元為丘陵地貌，成因以殘坡積為主。錦州市位于中緯度地帶，屬于溫帶季風型氣候，常年溫差較大，全年平均氣溫8～9 ℃，年平均降水量540～640 mm，無霜期達180 d。通過野外鉆探揭露，地層主要為填土、粉土、粉質粘土，中砂、礫巖等組成，具體土層特性分布情況詳見表1所示。

地下水主要賦存于回填層中，地下水按埋藏條件屬上層滯水，隔水底板為粉質粘土；下部中砂亦含少量地下水。地下水主要受大氣降水補給的，勘察期間初見水位埋深為0.6～1.4 m，高程為28.73～29.54 m；穩定水位埋深為0.4～1.2 m，高程為28.93～29.74 m。采取水樣進行室內水質分析試驗知，判定該地下水類型為HCO3--SO42--Ca2+-Mg2+，對鋼筋混凝土結構沒有腐蝕性。

2 數值試驗分析

基于FLAC3D平臺建立計算模型及模型參數如下：

仿真計算模型考慮到基坑支護近似于對稱結構，計算范圍取為整體工程四分之一，模型為均勻土體材料。按照類似基坑計算得知，基坑開挖的影響范圍一般為開挖深度的2～3倍，則深度方向考慮50 m，故三維模型尺寸大小為200 m×200 m×50 m（長×寬×高）。仿真材料本構關系取為彈塑性模型，采用Mohr-Coulomb屈服破壞準則。三維模型四周取對稱約束，即分別限制模型6個邊界面中的5個固定面，即位移為零，頂部設置為自由面。土體外部不施加任何力，依靠土體自身重力，不考慮地下水的影響。根據地質勘察報告，土體物理力學參數如表2所示。在基坑開挖過用NULL結構單元來模擬，用Pile結構單元來模擬樁，用Cable結構單元來模擬錨桿和錨索。三維有限元差分模型如圖1～圖2所示。

3 樁-錨支護結構影響因素分析

3.1 排樁的間距分析

在排樁-錨復合支護結構設計時，前后排樁排距是一個非常重要的影響因素之一。因排樁排距大小直接改變排樁承受土壓力大小，是否共同參與擋土作用。分析排樁-錨復合支護結構在改變排樁排距的情況下排樁位移和內力的變化規律，本文對排距為1 m，2 m，4 m，6 m，8 m分別進行了模擬計算。數值計算結果如圖3和圖4所示。

依據圖3和圖4分析可知：排樁之間的排距過大或過小均不利于雙排樁及拉梁冠梁之間的空間變形協調作用，空間變形協調性能不能良好發揮。樁間距太近時類似于單排懸臂樁，后排樁承受較大的土壓力，而前排樁在錨索加設的位置又承受橫向拉力，通過排樁間有限土體又作用到后排樁上，因此前后排樁樁身位移趨于一致，而樁頂位移較大，后排樁的最大位移位置將下移。樁間距太遠時，理想為無限大時，此時前排樁可看作為單排懸臂樁，樁頂有拉梁，樁中有一道錨索，前排樁將承受較大的土壓力，而后排只承受前排樁通過拉梁傳遞過來的拉力，前排樁將會有很大的位移，而后排樁樁頂將會有很大位移，而后排樁樁身將會有整體的偏移。由此可知，樁間距只有在一個合理的范圍內，前后排樁的變形和應力是合理的，才能充分發揮雙排樁以及拉梁冠梁錨索之間的變形協調作用，充分發揮各單元的支護性能。

3.2 排樁的樁徑分析

分別取不同規格的樁進行數值模擬計算，即取400 mm、500 mm、600 mm、800 mm、1000 mm五種情況對比分析。樁間距選取為1.5 m，得到不同樁徑情況下前、后排樁樁身位移如圖5和圖6所示。

對圖5和圖6分析可知，樁徑在一定范圍內增加時，可以明顯控制基坑樁身位移，改善了支護結構的剛度，前后排樁的水平位移明顯減小，效果較為顯著。但當樁徑增加到一定值后，支護效果沒有明顯變化。說明在樁身強度滿足基坑支護強度要求時，通過增加樁的規格（樁剛度）來減少樁身位移是不科學的做法。

3.3 樁間土體加固分析

樁-錨復合支護結構考慮有前后排兩排裝、樁的頂部采用拉梁冠梁及錨索等組成的超靜定支護結構，整體剛度較大，并且各個結構單元之間存在變形協調的作用，整體支護效果良好。但不可忽略前后排樁之間土體的作用，通過改變土體剛度，即對樁間土進行加固的方法來探討其對支護機構的受力和變形影響。假設原有土體的實際剛度為E，分別取0.25E、0.5E、0.75E、1E、1.25E、1.5E、1.75E、2E、2.25E和2.5E來進行模擬計算，并得到樁身最大水平位移值，如表3所示。

將表3數據進行曲線擬合，可得到樁身最大水平位移與樁間土體的剛度變化曲線關系，近似呈冪指數函數，得到數學方程，如圖7所示。endprint

從圖7分析可知，y為支護結構的最大水平位移，x代表樁間土體剛度，當土體剛度較小時，若對土體加固，將會產生很明顯的支護效果，基坑樁身水平位移明顯減小，當排樁間的土體剛度達到一定程度后，再增大樁間土的剛度基坑支護效果不是很明顯。故適當的增加樁間土的剛度將有效的減小樁身水平位移。

3.4 錨索（桿）間距分析

現假設兩樁間錨索數量為2，1.5，1，0.5，即兩排錨索并一樁一錨，兩排錨索上排兩樁一錨、下排一樁一錨（兩排錨索上下間距1m），單排錨索一樁一錨，單排錨索兩樁一錨。所得到的樁身水平位移情況如圖8和圖9所示。

通過圖8和圖9的對比分析可知：當錨索數量增加時，對前排樁的影響較為明顯，限制了樁身的水平位移，使得最大位移位置的位移量減小，這時前排樁通過拉梁冠梁傳遞給后排樁的拉力也相應的減小，使得后排樁的樁頂位移也隨之減小，增加了整個支護結構的穩定性。但在支護施工時，多加一道錨索將會大大增加工程的造價，故在滿足支護結構整體穩定性時，不建議大批量增加錨索的使用量。若是遇到支護結構局部變形過大時，可適當考慮施加錨索，約束樁身位移，限制基坑的變形。

4 結語

該文通過大型有限差分軟件FLAC3D對樁-錨復合支護結構進行多要素敏感性三維數值仿真分析，得到排樁間距、排樁規格、樁間土體剛度、錨桿（間距）等支護參數對擋土墻變形的影響規律，得到主要結論：

（1）樁徑在一定范圍內增加時，可以明顯控制基坑樁身位移，改善了支護結構的剛度，前后排樁的水平位移明顯減小，效果很明顯；

（2）當土體剛度較小時，若對土體加固，將會產生很明顯的支護效果，基坑樁身水平位移明顯減小，當排樁間土體剛度達到一定程度后，再增大樁間土的剛度基坑支護效果不是很明顯。

（3）當錨索數量增加時，對前排樁的影響較為明顯，限制了樁身的水平位移，使得最大位移位置的位移量減小，這時前排樁通過拉梁冠梁傳遞給后排樁的拉力也相應的減小，使得后排樁的樁頂位移也隨之減小，增加了整個支護結構的穩定性。

參考文獻

[1] 劉維雙，宋建.基于FLAC3D的深基坑樁錨支護參數優化分析[J].建筑設計管理，2012（7）：74-76.

[2] 閆綱麗，王斌.基于FLAC3D的深基坑樁錨支護結構分析[J].華北水利水電學院學報，2012（S）：82-85.

[3] 劉繼國，曾亞武.FLAC3D在深基坑開挖與支護數值模擬中的應用[J].巖石力學與工程學報，2006，27（3）：505-508.

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[5] 趙菲，周冰，王渭明，等.深基坑樁錨支護變形模擬分析[J].山東科技大學學報（自然科學版），2013，32（6）：34-38.

[6] 李明瑛，曾朋.基于MIDAS深基坑樁錨支護數值模擬分析[J].水土保持研究，2012（1）：250-253.

[7] 唐徐林.深基坑樁錨支護的受力與變形研究[J].科技與企業，2013（23）：209-209，211.endprint

從圖7分析可知，y為支護結構的最大水平位移，x代表樁間土體剛度，當土體剛度較小時，若對土體加固，將會產生很明顯的支護效果，基坑樁身水平位移明顯減小，當排樁間的土體剛度達到一定程度后，再增大樁間土的剛度基坑支護效果不是很明顯。故適當的增加樁間土的剛度將有效的減小樁身水平位移。

3.4 錨索（桿）間距分析

現假設兩樁間錨索數量為2，1.5，1，0.5，即兩排錨索并一樁一錨，兩排錨索上排兩樁一錨、下排一樁一錨（兩排錨索上下間距1m），單排錨索一樁一錨，單排錨索兩樁一錨。所得到的樁身水平位移情況如圖8和圖9所示。

通過圖8和圖9的對比分析可知：當錨索數量增加時，對前排樁的影響較為明顯，限制了樁身的水平位移，使得最大位移位置的位移量減小，這時前排樁通過拉梁冠梁傳遞給后排樁的拉力也相應的減小，使得后排樁的樁頂位移也隨之減小，增加了整個支護結構的穩定性。但在支護施工時，多加一道錨索將會大大增加工程的造價，故在滿足支護結構整體穩定性時，不建議大批量增加錨索的使用量。若是遇到支護結構局部變形過大時，可適當考慮施加錨索，約束樁身位移，限制基坑的變形。

4 結語

該文通過大型有限差分軟件FLAC3D對樁-錨復合支護結構進行多要素敏感性三維數值仿真分析，得到排樁間距、排樁規格、樁間土體剛度、錨桿（間距）等支護參數對擋土墻變形的影響規律，得到主要結論：

（1）樁徑在一定范圍內增加時，可以明顯控制基坑樁身位移，改善了支護結構的剛度，前后排樁的水平位移明顯減小，效果很明顯；

（2）當土體剛度較小時，若對土體加固，將會產生很明顯的支護效果，基坑樁身水平位移明顯減小，當排樁間土體剛度達到一定程度后，再增大樁間土的剛度基坑支護效果不是很明顯。

（3）當錨索數量增加時，對前排樁的影響較為明顯，限制了樁身的水平位移，使得最大位移位置的位移量減小，這時前排樁通過拉梁冠梁傳遞給后排樁的拉力也相應的減小，使得后排樁的樁頂位移也隨之減小，增加了整個支護結構的穩定性。

參考文獻

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[7] 唐徐林.深基坑樁錨支護的受力與變形研究[J].科技與企業，2013（23）：209-209，211.endprint

從圖7分析可知，y為支護結構的最大水平位移，x代表樁間土體剛度，當土體剛度較小時，若對土體加固，將會產生很明顯的支護效果，基坑樁身水平位移明顯減小，當排樁間的土體剛度達到一定程度后，再增大樁間土的剛度基坑支護效果不是很明顯。故適當的增加樁間土的剛度將有效的減小樁身水平位移。

3.4 錨索（桿）間距分析

現假設兩樁間錨索數量為2，1.5，1，0.5，即兩排錨索并一樁一錨，兩排錨索上排兩樁一錨、下排一樁一錨（兩排錨索上下間距1m），單排錨索一樁一錨，單排錨索兩樁一錨。所得到的樁身水平位移情況如圖8和圖9所示。

通過圖8和圖9的對比分析可知：當錨索數量增加時，對前排樁的影響較為明顯，限制了樁身的水平位移，使得最大位移位置的位移量減小，這時前排樁通過拉梁冠梁傳遞給后排樁的拉力也相應的減小，使得后排樁的樁頂位移也隨之減小，增加了整個支護結構的穩定性。但在支護施工時，多加一道錨索將會大大增加工程的造價，故在滿足支護結構整體穩定性時，不建議大批量增加錨索的使用量。若是遇到支護結構局部變形過大時，可適當考慮施加錨索，約束樁身位移，限制基坑的變形。

4 結語

該文通過大型有限差分軟件FLAC3D對樁-錨復合支護結構進行多要素敏感性三維數值仿真分析，得到排樁間距、排樁規格、樁間土體剛度、錨桿（間距）等支護參數對擋土墻變形的影響規律，得到主要結論：

（1）樁徑在一定范圍內增加時，可以明顯控制基坑樁身位移，改善了支護結構的剛度，前后排樁的水平位移明顯減小，效果很明顯；

（2）當土體剛度較小時，若對土體加固，將會產生很明顯的支護效果，基坑樁身水平位移明顯減小，當排樁間土體剛度達到一定程度后，再增大樁間土的剛度基坑支護效果不是很明顯。

（3）當錨索數量增加時，對前排樁的影響較為明顯，限制了樁身的水平位移，使得最大位移位置的位移量減小，這時前排樁通過拉梁冠梁傳遞給后排樁的拉力也相應的減小，使得后排樁的樁頂位移也隨之減小，增加了整個支護結構的穩定性。

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[7] 唐徐林.深基坑樁錨支護的受力與變形研究[J].科技與企業，2013（23）：209-209，211.endprint