特大圓形錨碇基坑結構效應模擬及實測對比分析

張 建 肖景平

(珠海市規劃設計研究院，廣東 珠海 519000)

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特大圓形錨碇基坑結構效應模擬及實測對比分析

張 建 肖景平

(珠海市規劃設計研究院，廣東 珠海 519000)

根據某橋梁特大圓形錨碇基坑實測數據，建立了有限元分析模型，對比了該圓形錨碇基坑的結構效應，結果表明：支護結構的水平位移沿深度方向呈明顯的“大肚”形；環形內襯支護體系對基坑變形有較好的“自控制”；圓結構促使部分徑向荷載轉化為環向荷載，環向結構應力均遠大于徑向結構應力，圓形基坑“結構拱效應”作用明顯。

圓形基坑，拱效應，水平位移，應力

地下連續墻廣泛用于大樓地下室、地鐵車站、隧道豎井、大型橋梁等基礎結構物的建造，已先后應用于多座特大橋的錨碇深基礎施工。其中，采用矩形平面形式的潤揚長江公路大橋北錨碇最大變形高達135 mm，而采用圓形平面形式的陽邏大橋南錨碇最大變形控制在30 mm內，黃埔大橋北錨碇則將變形控制在10 mm以內，足見地下連續墻的結構形式由剛度較弱的矩形結構，逐漸轉化成剛度較強的圓形結構[1,2]。

為此，本文結合某橋梁特大圓形錨碇基坑實測監測數據，輔以有限元軟件，詳細分析數據規律，探討圓形地連墻結構因開挖引起的受力變形特性，以期為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

某橋梁位于廣東省珠江三角洲地區，主跨約為1.7 km，東錨碇基礎采用圓外徑為90 m的地連墻圍護結構，壁厚1.5 m，開挖深度約為29 m，錨碇基礎底部嵌入中風化泥巖、泥質粉砂巖層。

該錨碇區域覆蓋層主要由第四系全新統海陸交互相粉質黏土、淤泥質土、砂土和第四系更新統粉質黏土、砂土、砂礫組成，厚度約27.10 m～28.70 m，基底由白堊系白鶴洞(K1b)泥質粉砂巖、中砂巖組成，基巖存在風化不均勻、風化夾層現象；穩定連續中～微風化巖埋深約27.10 m～34.60 m，巖面起伏大，中風化泥質粉砂巖飽和單軸抗壓強度在11.6 MPa；微風化泥質粉砂巖飽和單軸抗壓強度在18.29 MPa～35.86 MPa，平均24.28 MPa，標準值為20.4 MPa，中風化中砂巖飽和單軸抗壓強度在5.33 MPa～13.27 MPa，平均8.64 MPa，標準值為7.3 MPa，屬極軟～較軟巖。

表1 各層土的性質參數

基坑開挖有關巖土參數如表1所示，地質剖面如圖1所示。

2 有限元建模方案

本文中的土體選用Mohr-Coulomb模型進行模擬。

在模型建立前，需對整個模型進行如下幾項基本假定：1)對于模型中的土體部分，假定其按均勻層狀分布，且為各向同性材料，并服從M-C屈服準則;2)假定土體為無限域，則只考慮土體的豎向應力;3)基坑施工中，土體開挖一般工期較短，因此按不排水條件進行計算。

模型尺寸的確定及網格劃分：圓形基坑具有軸對稱性，為節約計算時間，提高計算效率，因此取1/4平面進行計算。根據前人的研究成果及實際工程經驗，因開挖而導致的影響范圍大致可按如下方法確定：墻體兩側的影響范圍可取3倍～4倍的開挖深度；墻體底部的影響范圍可取2倍～4倍的開挖深度。針對本工程的地質情況，最終確定模型的大小劃分為長135 m、高90 m。位移邊界條件的確定如下：左右兩側限制水平位移及轉角，底部限制豎向位移及轉角，頂部為自由邊。基坑剖面網格劃分見圖2。

3 監測點布置

監測點布置原則:1)各監測點的安裝應根據現場情況而定；2)安裝各監測點之前需對整個工程進行分析，挑選最不利位置進行監測；3)無論是埋入土體中還是在地表處的監測點，均需采取保護措施；4)在監測點安裝好后，需對各個監測點提取初始值，便于后期數據的處理；5)施工過程中遇監測點數據無法采集，應及時查明原因和補救。

4 結果分析

4.1 深層水平位移分析

分析圖3～圖5可知：支護結構的水平位移沿深度方向逐漸增大，達到最大值后又急劇減小，呈明顯的“大肚”形。支護結構的水平位移最大值實測約為4 mm，模擬結果約為5.6 mm，最大位移均處于地表下10 m左右處；同時，各開挖步中支護結構上部的水平位移增長較緩，達到最大值后開始急劇減小，最后水平位移幾乎為0，這主要是由于本工程地下連續墻底端已嵌入巖層，最大程度的限制了其水平位移，這也是嵌巖支護結構與普通支護結構的最大區別；曲線特性表明，這與一般的深基坑[3,4]變化有所不同。

4.2 環向應力與徑向應力分析

圖6，圖7為基坑每層開挖后環向應力與徑向應力隨深度的變化圖。綜合各圖可以發現：在深度0 m～-25 m之間，環向應力均遠遠大于徑向應力，這說明圓形基坑的“拱效應”發揮了較好的作用，有利于發揮混凝土材料的抗壓性能，提高基坑的穩定性；在深度-25 m～-29 m之間，環向應力與徑向應力的大小已較為接近，此段區域已開始進入中風化巖層；在深度-29 m～-40 m之間，已是中、微風化巖層，此時環向應力與徑向應力均由正值變為負值，最后在底部接近于0，這是由于巖石的基床系數比上部土體的基床系數大，因此造成底部應力與上部應力的方向相反；同時，對于徑向應力，從各圖中可以看出，在深度約為-29 m處均有突變點，這是因為此處為上部較為軟弱土層進入較為堅硬巖層的臨界點，因此導致此處的徑向應力突變。

本基坑分10步開挖，由于篇幅有限，故選擇有代表性的數據圖進行分析。

5 結語

本文以特大圓形錨碇基坑為研究對象，在實際工程數據基礎上，輔以有限元模擬分析，研究其結構效應，得出如下結論：

1)支護結構的水平位移沿深度方向逐漸增大，達到最大值后又急劇減小，呈明顯的“大肚”形；

2)基坑開挖全過程，水平位移增長率先大后小，且存在較大轉折點，支護體系發揮良好作用，實測最大水平位移約為4 mm，模擬最大水平位移約為5.6 mm，均處于地表下約10 m；

3)結構環向應力均遠遠大于徑向應力，這說明圓形基坑的“結構拱效應”發揮較好作用，將部分徑向荷載轉化為環向荷載，使得環向應力大于徑向應力，發揮了混凝土材料的抗壓性能，實現了基坑穩定的“自控制”。

[1] 王 琨，張太科，陳順超.廣州珠江黃埔大橋懸索橋錨碇基坑支護受力和變形特性分析[J].西南大學學報(自然科學版),2010(7):133-138.

[2] 羅耀武，凌道盛，陳云敏，等.環形超深基坑圍護結構受力變形特性分析[J].巖土力學，2011(2):617-622.

[3] 葉 強，吳慶令.某深基坑工程的監測分析與變形特性[J].巖土工程學報,2010(S2):541-544.

[4] 劉春原，蔡偉紅，趙志斌，等.圓形地下連續墻的變形分析[J].巖土工程學報,2008(S1):26-30.

Simulation and analysis on the effect offoundation pit structure of super large circular anchor

Zhang Jian Xiao Jingping

(Zhuhai Institute of Urban Planning & Design, Zhuhai 519000, China)

On the basis of the measured data of the foundation pit of a large circular anchor in a bridge, the finite element ananlysis model was established, the structural effect of the circular anchor pit is compared. The results show that the horizontal displacement of the supporting structure along the depth direction showed a “big belly” shape; circular lining supporting system of foundation pit deformation has a good “self control”; circular structure makes the partial radial load into the circumferential ring structure to load, stress are far greater than the radial stress, circular pit the “arch effect” effect.

circular foundation pit, arch effect, horizontal displacement, stress

1009-6825(2017)12-0074-02

2017-02-15

張 建(1983- )，男，碩士，工程師; 肖景平(1990- )，男，碩士

TU463

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