微型樁—錨桿聯(lián)合支護(hù)體系加固基坑效果的數(shù)值分析

陳理恒

(上海市政工程設(shè)計研究總院(集團(tuán))有限公司，廣東 佛山 528200)

0 引言

城市發(fā)展至今，建設(shè)用地已愈發(fā)緊張，因此探索地下空間的應(yīng)用已經(jīng)成為世界范圍內(nèi)較大城市的通用策略。地下空間的發(fā)展必然會涉及基坑工程。在我國，基坑工程的發(fā)展已經(jīng)較為成熟，基坑支護(hù)方面也在借鑒國外經(jīng)驗的基礎(chǔ)上漸漸形成自有理論體系。各類支護(hù)結(jié)構(gòu)的復(fù)合使用已經(jīng)是未來我國基坑支護(hù)發(fā)展的大趨勢。微型樁—錨桿聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)是我國近年來發(fā)展起來的一種有效的基坑復(fù)合支護(hù)，因其能夠充分發(fā)揮微型樁和錨桿各自的優(yōu)點，因此，在保證基坑壁穩(wěn)定及限制基坑底部穩(wěn)定方面有獨特優(yōu)勢。

然而，專門針對微型樁—錨桿聯(lián)合支護(hù)的支護(hù)效果的文獻(xiàn)并不多見，實際施工監(jiān)測盡管可以監(jiān)測基坑施工過程中基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊地層的變化，但無法為設(shè)計提供有力參考。有限元分析恰恰可以解決這一問題，能夠根據(jù)實際地質(zhì)條件，研究設(shè)計中所采用的支護(hù)結(jié)構(gòu)是否有效。本文采用Geostudio 軟件探索微型樁—錨桿聯(lián)合支護(hù)體系在基坑支護(hù)中的效果，其分析方法可供廣大同行參考。

1 Geostudio 簡介

目前，國內(nèi)能夠用于研究巖土工程分析的軟件很多，如ABAQUS，F(xiàn)LAC3D 等均有著廣泛的應(yīng)用，但其均屬大型通用軟件，建模較繁瑣。本文選用Geostudio 專業(yè)巖土工程分析軟件，能夠較方便的實現(xiàn)大部分巖土工程研究的模擬，且結(jié)果的穩(wěn)定性已得到廣大同行的驗證。

Geostudio 軟件中包含的模塊較多，本文主要用到里面的SIGMA/W 來分析基坑開挖對周邊地層的影響。SIGMA/W 是完全基于巖土體本構(gòu)模型關(guān)系基礎(chǔ)上建立的專業(yè)分析模塊，對應(yīng)力和變形分析效果較好。

2 模型的建立

某基坑最大深度為10 m，寬度為40 m。根據(jù)地質(zhì)鉆探資料，在地表以下4 m 之內(nèi)為填土，4 m～8 m 為強(qiáng)風(fēng)化板巖，下部為中風(fēng)化板巖(見圖1)。施工過程中，對基坑壁采用微型樁+錨桿(兩排)進(jìn)行支護(hù)。考慮到基坑開挖前以施作降水，分析中暫未考慮地下水的影響。

2.1 模型材料參數(shù)

因考慮到基坑的對稱性，取其一半建立模型。模型中所取材料的參數(shù)見表1。

另外，分析中將微型樁和錨桿分別看成梁和桿單元，并且錨桿中存在錨固預(yù)應(yīng)力。錨桿分為錨固段和自由段，其中，錨固段由于注漿的緣故，有效作用區(qū)域增大，經(jīng)過換算可得到微型樁和錨桿的力學(xué)參數(shù)如下:

微型樁:彈性模量為E=2.0×108kPa，橫截面面積為A=2.93×10－4m2，慣性矩為M=8.64×10－6m4。

錨桿錨固段:彈性模量為E=2.5×107kPa，橫截面面積為A=2.93×10－3m2。

錨桿自由段:彈性模量為E=2.0×108kPa，橫截面面積為A=2.0×10－4m2。

圖1 土層示意圖

表1 土體力學(xué)參數(shù)表

2.2 邊界條件

分析采用二維平面應(yīng)變模型，假設(shè)模型底部足夠深，不受基坑開挖的影響，因此，可取其水平位移和豎直位移均為0;模型左側(cè)無水平位移，右側(cè)位于基坑的中心線上，僅存在豎直方向上的位移，水平位移取0，另外，在基坑周邊無其他附加荷載作用。

3 結(jié)果分析

土體開挖及錨桿施加過程中，土體內(nèi)部的應(yīng)力場和位移場均在發(fā)生變化，要確定土體開挖及微型樁+錨桿的支護(hù)效果，有必要對土體的應(yīng)力場和位移場進(jìn)行分析。

3.1 豎向應(yīng)力場分析

土體內(nèi)部的豎向應(yīng)力對基坑穩(wěn)定性有重要影響，對于研究坑內(nèi)土體凸起有重要意義。當(dāng)基坑內(nèi)外土體的豎向應(yīng)力相差較大時，往往會引起坑內(nèi)較大豎向位移。圖2 為不同時刻基坑內(nèi)外土體的豎向應(yīng)力場云圖。

對比圖2 中的不同開挖時刻的云圖可知，在基坑逐漸開挖過程中，基坑內(nèi)外的豎向應(yīng)力差逐漸增大。另外，錨桿的施作對于局部應(yīng)力場有輕微的影響，主要是因為錨桿中錨固力所導(dǎo)致。

3.2 豎向位移場分析

圖2 土體內(nèi)部豎向應(yīng)力場云圖

豎向位移場分析可以研究基坑開挖對周邊的影響范圍。圖3為第一層錨桿施作前后土體的豎向位移云圖。

圖3 地層豎向位移云圖

從圖3a)可以看出，當(dāng)基坑開挖至2 m 深時，距離基坑較遠(yuǎn)區(qū)域內(nèi)土體產(chǎn)生輕微沉降，坑內(nèi)則存在較大的向上位移，最大達(dá)到了1.4 cm;如圖3b)所示，在施作錨桿后，由于錨固力的作用，基坑外部沉降區(qū)域有所變化，且在靠近微型樁附近的區(qū)域土體存在輕微的凸起，約0.2 cm，微型樁周邊的位移場有所改變，但范圍很小。

3.3 水平位移場分析

水平位移場對于分析基坑穩(wěn)定性有著重要作用，同時也是基坑穩(wěn)定監(jiān)測的最主要內(nèi)容之一。在實踐中，往往可以通過監(jiān)測基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移來判定其是否處于穩(wěn)定狀態(tài)。圖4 為基坑開挖過程中不同時刻地層內(nèi)部的水平位移場云圖。

從圖4 中可以清楚的看到，基坑開挖時，基坑壁周圍的水平位移較大，并且影響范圍較廣，在未施作第一層錨桿時，影響深度達(dá)到了16 m，寬度達(dá)到約20 m，最大水平位移發(fā)生在微型樁上部因土體開挖導(dǎo)致的采空區(qū)。對比錨桿施作前后，可以看出，錨桿對于控制土體的水平位移效果顯著。由于錨桿的施加，不僅僅使得水平位移場的范圍大幅縮小，而且水平位移幅值也減小，因此，可以判定，錨桿對于基坑壁的穩(wěn)定性有著重要影響。圖5 為不同施工階段微型樁結(jié)構(gòu)的水平位移圖。

對比圖中各曲線也可發(fā)現(xiàn)，第一層錨桿施作前，樁體的最大水平位移發(fā)生在樁頂，為6 mm 左右，施加錨桿后，微型樁的最大水平位移下移，約為2 m 深度附近，其值為3 mm 左右。同樣，在第二層錨桿施加前后微型樁的水平位移也存在類似規(guī)律。

圖4 地層水平位移場云圖

圖5 微型樁水平位移

4 結(jié)語

通過以上微型樁—錨桿支護(hù)的分析，可以得到以下結(jié)論:

1)基坑開挖對基坑周邊的應(yīng)力場影響較大，基坑內(nèi)外的應(yīng)力差往往會導(dǎo)致基坑的失穩(wěn)及坑內(nèi)土體隆起，錨桿對于豎向應(yīng)力場有影響，但是影響較小，范圍較窄。

2)隨著基坑的開挖，距離基坑一定范圍之外的土體會發(fā)生向下的沉降，因分析中基坑的深度不大，基坑外部的土體沉降不足1 mm，但坑內(nèi)土體上隆較為嚴(yán)重，達(dá)到14 mm 左右。

3)水平位移對于基坑壁的穩(wěn)定性有重要影響，錨桿對于加固基坑壁效果顯著，能夠有效減少水平應(yīng)力場范圍及幅值。

［1］謝康和，周 健.巖土工程有限元分析理論與應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社，2002.

［2］王建軍.基坑支護(hù)現(xiàn)場試驗研究與數(shù)值分析［D］.北京:中國建筑科學(xué)研究院博士學(xué)位論文，2007.

［3］Micro-pile Design and Construction Guidelines［M］.2000，F(xiàn)HWA，USA.

［4］李海深.復(fù)合型土釘支護(hù)工作性能的研究［D］.長沙:湖南大學(xué)土木工程學(xué)院博士學(xué)位論文，2004.