深基坑樁錨支護土拱效應及穩定性分析

張主華 王大柱

(株洲市規劃設計院，湖南 株洲 412007)

深基坑樁錨支護土拱效應及穩定性分析

張主華 王大柱

(株洲市規劃設計院，湖南 株洲 412007)

以株洲市中央商業廣場深基坑為研究對象，采用人工挖孔灌注樁加兩道預應力錨桿支護方案，利用FLAC3D對深基坑開挖過程進行三維數值模擬，分析了樁間土拱效應形成機理，并對該基坑開挖過程中支護結構的變形和樁間土拱效應隨開挖深度的變化規律進行了研究，為類似基坑工程的支護設計提供參考。

深基坑，土拱效應，穩定性，樁間距

在巖土工程中，土拱效應是廣泛存在的，它是由介質的不均勻變形所產生的一種應力轉移與重分布現象。近年來有關抗滑樁樁后土拱效應研究逐漸增多，但對深基坑開挖過程所引起樁間土體的土拱效應及其穩定性方面的研究相對較少，因此，本文以株洲市中央商業廣場深基坑為研究對象，選用人工挖孔灌注樁加兩道預應力錨桿支護結構方案，利用FLAC3D對深基坑開挖過程進行三維數值模擬，分析了樁間土拱效應形成機理，并對該基坑開挖過程中支護結構的變形和樁間土拱效應隨開挖深度的變化規律進行了研究，為類似基坑工程的支護設計提供參考。

1 工程概況

株洲市中央商業廣場位于鐘鼓嶺步行街與新華西路交叉口東南角。由A，B，C三棟連體高層建筑組成，地上29層，地下3層，框架—剪力墻結構。地下室基坑約為87.5 m×76.5 m，基坑深度6.6 m～12 m，基礎形式為樁筏基礎。施工場地東向和南向緊鄰高層建筑物，西向緊鄰鐘鼓嶺步行街、北向緊鄰新華西路。采用人工挖孔灌注樁加兩道預應力錨桿進行支護。

2 數值計算模型

2.1 基坑開挖工況模擬

基坑挖深10 m，分三個工況：工況一：開挖至-4 m，安裝第一道錨桿；工況二：開挖至-7.5 m，安裝第二道錨桿；工況三：開挖至-10 m。

2.2 三維計算模型及網格劃分

本文對支護結構進行簡化，根據對稱性取9根樁共8跨部分，沿x方向總長為40 m，樁前為20 m、樁后為20 m，沿y方向寬為16 m，沿z方向高為20 m，模型樁直徑為1 m，樁間距為2 m，樁總長13 m，其中嵌固深度長3 m。支護樁和巖土體采用實體單元，錨桿采用錨索結構單元進行計算，樁土接觸面采用無厚度接觸面單元“Interface單元”進行模擬。模型底部施加x，y，z方向的約束，模型兩側施加y方向約束，模型前、后方施加x方向約束。

2.3 計算參數

根據地質勘察報告提供的參數和通過對該地區同類工程的類比，巖土體和支護樁主要物理力學參數的取值見表1，錨桿參數為:彈性模量200 GPa，泊松比0.25，截面積982 mm2，水泥漿外圈周長408 mm，內摩擦角25°，粘結剛度2×109N/m2，水泥砂漿粘結力2×105N/m；樁土接觸面的切向剛度ks和法向剛度kn分別為:ks=1×108N/m2和kn=1×108N/m2。

表1 巖土體和支護樁計算參數表

3 數值模擬結果及分析

3.1 開挖前地層初始應力狀態模擬

基坑開挖前，地層土體在自重應力和地面超載作用下已處于穩定狀態，因此在進行基坑開挖模擬前，需要對模型進行初始應力狀態模擬，形成初始應力場后將位移重置為零。

3.2 水平位移分析

圖1為基坑開挖工況水平位移等值云圖，由圖1可以看出樁后土體位移比樁間土體位移小，向樁后方向土體的位移逐漸減小，最后兩者位移達到均勻。這說明支護樁的支擋作用很明顯，后側土體傳來的水平推力傳遞到樁上，由樁來支承。

圖2為樁間土體水平位移—深度關系曲線，圖3為樁體水平位移—深度關系曲線，圖4為樁—土相對水平位移—深度關系曲線(說明:樁—土相對水平位移是土體位移減去樁身位移)。

由圖2可以看出，樁間土體水平位移隨深度的增加逐漸減小，最大水平位移發生在基坑頂部，最小位移在基坑底部，在基坑淺部開挖過程中，沿深度方向基本上呈線性變化，但隨著基坑中、深部土方開挖，相應深度處樁間土體水平位移有較大增加，當開挖到基坑底部時，基坑頂部水平位移值達到最大。每步開挖引起的最大水平位移分別為5.29 mm，9.17 mm，13.43 mm。

由圖3可以看出，樁體水平位移沿深度變化規律為：水平位移樁頂大，樁底小，基本上沿深度呈線性變化。在基坑開挖過程中，水平位移值隨著基坑開挖深度增加而增加，當開挖到基坑底部時，樁頂水平位移值達到最大，為13 mm，并且每開挖一步引起的水平位移增量基本相同。

國內不少學者采用二維數值方法對土拱效應問題進行研究，一般假設樁身是完全約束的，不發生任何位移，這是不合實際的，因為抗滑樁或支護樁樁間土拱效應是具有三維應力轉移機制，土拱的形成與樁—土間的相對運動及土體自身的應力狀態緊密聯系的。無論樁頂或樁端是何種約束條件，樁身在側向土壓力作用下都會發生一定的位移，所以考慮采用樁—土相對水平位移的大小來衡量土拱效應的明顯程度。從圖4可以看到，樁—土相對水平

位移在淺部較小，土拱效應不太明顯，隨著深度的增加相對位移逐漸增大，在8 m處達到最大，為2.34 mm，土拱效應最明顯，而后相對位移又急劇減小，在10 m坑底處的相對位移為-1.65 mm，此時樁身的水平位移比土體大，土拱效應基本消失。因此土拱效應的明顯程度是沿深度先增強后減弱的。

3.3 最大主應力拱分析

由于基坑在開挖過程中支護結構和土體隨著時間和空間的變化而產生不同的位移和變形的特性，從而使樁間土體在各工況形成的土拱效應不同，如Z=-6 m深度處樁間土體，在基坑開挖至-4 m之前，樁間大主應力拱還未形成，呈很小的三角形，是由于樁間土體受到未開挖的樁前土體的阻擋而發生的不均勻位移很小，并且土體水平位移沿深度方向是遞減的，未開挖處發生的位移就更小了。這也說明土拱產生的條件之一是土體必須發生一定的不均勻位移；當開挖至-7.5 m時，樁后土體因應力釋放而側向變形突然增大，受到樁體的阻擋作用使土體相互擠壓，造成大主應力方向發生偏轉，在樁間形成一個大主應力拱，隨著開挖深度的增加，土拱作用范圍不斷擴大，土拱效應一定程度的增強；當開挖到坑底-10 m時，大主應力拱很明顯。但并不是樁間土體土拱效應總是隨著基坑開挖逐漸增強，對于離樁頂平面深度小于4 m的樁間土體，工況一時土拱效應逐漸增強，當開挖到工況二時，樁—土相對位移較小，土拱效應變得不明顯，土拱效應呈現出先增強后減弱的趨勢；深度大于4 m的樁間土體，土拱效應隨開挖深度的增加逐漸增強。所以，對于樁錨支護結構的土拱效應在基坑開挖過程中并不是一成不變的，隨著開挖的時間和深度的發展，土拱效應也表現不同。一般來說，樁間土拱效應在該層土體開挖的工況內是逐漸增強的。

4 結語

1)通過FLAC3D三維數值模擬分析，結果表明考慮樁間土拱效應作用為支護樁設計提供依據，為類似基坑工程的支護設計提供參考。

2)土拱效應的影響因素很多，如樁的形狀、樁的間距及樁土接觸面性狀等對其有一定影響，建議對土拱效應的影響因素開展進一步的研究工作。

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[3] 陳福全,侯永峰,劉毓氚.考慮樁土側移的被動樁中土拱效應數值分析[J].巖土力學,2007,28(7):1333-1337.

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[5] 張主華,陳秋南,王建東.復雜環境條件下深基坑支護方案設計[J].西部交通科技,2010(5)：46-47.

Study on soil arching effect and stability of pile-anchor retaining in deep foundation pit

Zhang Zhuhua Wang Dazhu

(ZhuzhouPlanningandDesignInstitute,Zhuzhou412007,China)

Studying on the central commercial plaza in Zhuzhou city. The article adopts the retaining scheme of manual digging bored piles with two prestressed anchors for the deep foundation pit, and three dimensional numerical simulation was carried out by FLAC3D for deep foundation pit, the forming mechanism of arching effect between adjacent piles was analyzed, the horizontal displacement of retaining structure and variation of soil arching effect between adjacent piles in the process of excavation were further studied, so it provides reference to similar retaining design.Key words: deep foundation pit, soil arching effect, stability, spacing between adjacent piles

2015-05-22

張主華(1980- )，男，碩士，工程師； 王大柱(1972- )，男，高級工程師

1009-6825(2015)22-0065-02

TU463

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