雙排樁-錨支護結構影響因素分析研究

蔣 宇, 王翠英

(湖北工業大學土木建筑與環境學院， 湖北 武漢 430068)

雙排樁-錨支護結構影響因素分析研究

蔣 宇, 王翠英

(湖北工業大學土木建筑與環境學院， 湖北 武漢 430068)

以武漢城市花園基坑支護項目為依托，建立基坑支護模型，分析雙排樁樁長、錨索長度及預應力對支護結構變形、內力的影響，其模擬結果與監測資料相吻合，兩者對比得出：樁長、錨索長度達到一定值后，再增加其長度，對雙排樁錨支護結構變形和內力影響不明顯，但適當增加錨索預應力，能夠有效限制基坑的變形。

支護結構、雙排樁+錨索、數值模擬

雙排樁錨支護結構的內力、變形與許多復雜因素有關，如雙排樁排距、樁徑、樁長、錨索長度、錨索預應力等。雖然已有許多學者對雙排樁排距、樁徑進行了研究，但是目前研究雙排樁樁長、錨索長度、錨索預應力對雙排樁錨支護結構的影響不多，現場實測數據少，其理論研究滯后于實際應用。本文主要研究前后排樁樁長、錨索長度及錨索預應力對支護結構內力變形的影響。以武漢城市花園基坑支護項目為依托，應用有限元分析軟件MIDAS/GTS建立基坑支護數值模型，選取不同的前后排樁長、錨索長度及預應力這幾個因素作為參數，分析其對樁錨支護結構位移和彎矩的影響 ，其模擬結果與實際監測值進行對比，了解雙排樁-錨支護結構的內力及變形規律，改善支護結構整體布局以優化設計。

1 模型的建立

1.1工程概況

擬建場地位于漢口青年路，場地東、西側為住宅樓，北側為擬建公共場所用地，南側毗鄰街道，該建筑設3層地下室，基坑為長方形(45 m×24 m),開挖深度13.3 m(圖1)。基坑支護結構采用雙排樁(鉆孔灌注樁)加預應力錨索，在樁頂設置冠梁、連梁，充分利用雙排樁-錨支護結構占地空間小、剛度大的優勢。雙排樁-錨支護結構剖面見圖2。

圖 1 基坑平面布置圖

圖 2 雙排樁-錨支護結構剖面圖

1.2有限元計算模型

模型計算范圍取基底以下2倍的基坑開挖深度，影響寬度取2～3倍開挖深度。基坑模型中，土體材料按照不同性質分為6層，材料參數選取見表1。采用實體單元模擬土體，植入式桁架單元模擬雙排樁-錨支護結構中的預應力錨索，梁單元模擬支護樁，板單元模擬冠梁、連梁；土層采用摩爾庫侖本構模型，冠梁、連梁、錨索采用彈性模型。接觸參數選:最終剪力650 kN/m, 剪切剛度模量50 000 kN/m3, 法向剛度模量500 000 kN/m3, 樁端承載力4000 kN, 樁端彈簧剛度16 000 kN/m。

在雙排樁之間設置有止水帷幕，在基坑開挖深度及基坑底以下一定范圍內隔斷了地下水的流動，因此，在模擬計算時未考慮地下水對雙排樁-錨支護結構的影響。

表1 材料參數對應表

2 基坑開挖過程模擬

根據現場基坑的實際情況，第一步：建立基坑幾何形狀、擴展實體單元、布爾運算、根據土層厚度及開挖支護位置分割實體，根據精度要求進行網格劃分[1]，修改網格參數，完成三維基坑開挖模型(圖3)；第二步：繪制錨索錨固段和自由段多段線，利用錨建助手完成三層錨索(植入式桁架單元)模擬，第三步：對基坑開挖的側邊網格吸取單元，用梁單元完成支護樁的模擬(圖4)；第四步，定義邊界條件、荷載條件及施工階段的定義，對基坑三維模擬進行分析計算。

圖 3 基坑開挖模型

圖 4 雙排樁-錨支護結構模型

3 數值模擬結果分析

3.1雙排樁樁長

樁身嵌固深度與雙排樁樁長有著密切聯系。雙排樁樁長的改變，相當于樁身嵌固深度的改變，對雙排樁-錨支護結構內力變形有影響，實際工程中，雙排樁支護結構時常設計為前后排樁樁長不等[2]。模擬分析兩種情況：第一，前排樁樁長相等，后排樁樁長不等，分別為18 m、20 m、22 m、24 m、26 m、28 m；其次，后排樁樁長相等，前排樁樁長不等，分別為18 m、20 m、22 m、24 m、26 m、28 m。

1)前排樁樁長始終為24 m，后排樁樁長分別取18 m、20 m、22 m、24 m、26 m、28 m時進行分析討論。不同后排樁樁長情況下前、后排樁樁身水平位移及彎矩見圖5、圖6。

圖 5 前后排樁水平位移隨后排樁樁長變化

圖 6 前后排樁彎矩隨后排樁樁長變化

圖5可知，前、后排樁的最大水平位移隨著后排樁樁長增加而逐漸減小，但減小的不明顯。

圖6可知，前、后排樁的最大彎矩值隨著后排樁樁長增加而逐漸減小，但減小的不明顯。

2)后排樁樁長始終為24 m，前排樁樁長分別取18 m、20 m、22 m、24 m、26 m、28 m時分析討論。根據不同前排樁樁長情況，前、后排樁樁身水平位移及彎矩見圖7、圖8。

圖 7 前后排樁水平位移隨前排樁樁長變化

圖 8 前后排樁彎矩隨前排樁樁長變化

圖7可知，隨前排樁樁長增加，前、后排樁樁身坑底以上部分的水平位移在逐漸減少，且這種減小的趨勢在逐漸變緩；基坑坑底以下樁身部分水平位移也隨前排樁樁長增加而減小，但變化不顯著。

圖8可知，隨著前排樁樁長的增加，前排樁身負彎矩逐漸減小，樁身正彎矩逐漸增大；后排樁的樁身正、負彎矩均逐漸減小。

因此，前排樁的樁長增大與后排樁的樁長增大都使得雙排樁的樁頂水平位移降低，但是當樁長增加到一定程度時，再增加樁長對支護結構水平位移的限制效果不很明顯，因此，只要樁體嵌固深度符合要求，樁長合理即可。前排樁的樁長變化對于雙排樁支護結構的影響作用大于后排樁，設計時，重點考慮前排樁樁長。

3.2錨索長度

雙排樁-錨支護結構是一種改善基坑內力、變形較為有效的支護方式，錨索的存在極大的改善了雙排樁-錨支護結構的受力與變形狀況。前、后排樁長都為26 m，錨索長度(三排均保持一致)分別為12 m、16 m、20 m、24 m、28 m時，雙排樁-錨支護結構前、后排樁水平位移和彎矩的數值模擬結果見圖9、圖10。

圖 9 前后排樁水平位移隨錨索長度變化

圖10 前后排樁彎距隨錨索長度變化

圖9可知，錨索長度為12 m時，前、后排樁樁身水平位移分別為：27.06 mm、24.03 mm，兩者均比較大，這種情況可能是長度過短的錨索位于基坑土體的假想滑移面之內，其抗拔作用不明顯。前、后排樁樁體水平位移隨著錨索長度的增加而顯著減小，同時這種減小的幅度會隨著錨索長度的增加有所減弱。

圖10可知，錨索長度不超過20 m時，前、后排樁的正負彎矩隨著錨索長度的增加而逐漸減小，當錨索長度大于20 m，前、后排樁的正負彎矩隨著錨索長度的增加而減小的趨勢不再顯著。

綜合上述分析，錨索設計時，錨索過短，不能發揮其應有的作用，錨索過長，雖然能減小樁身水平位移及正負彎矩，但效果不明顯，同時又會造成浪費，因此設計時應綜合考慮。

3.3錨索預應力

雙排樁-錨支護結構中，錨索處于受拉狀態。錨索一端通過圍檁與前排樁相連，另一端錨固于土層中或者巖層中，為前排樁提供一定的拉拔力，保持結構的相對穩定。當錨索預應力(三排均保持一致)分別取100 kN、120 kN、140 kN、160 kN、180 kN時，雙排樁樁身水平位移和彎矩數值模擬結果見圖11、圖12。

圖11 前后排樁水平位移隨錨索預應力變化

圖12 前后排樁彎距隨錨索預應力變化

圖11可知，前、后排樁的最大水平位移在錨索預應力為100 kN情況下分別為20.47 mm、16.65 mm，樁頂水平位移分別為8.45 mm、8.44 mm。前、后排樁的最大水平位移在錨索預應力為180 kN情況下分別為18.56 mm、15.04 mm，樁頂水平位移分別為6.48 mm、6.48 mm。前、后排樁的水平位移均隨著錨索預應力增大而減小，但減小的趨勢不明顯。

圖12可知，當錨索預應力為100 kN時，前排樁的最大正、負彎矩分別為564.55 kN·m和953.36 kN·m，后排樁的最大正、負彎矩分別為138.89 kN·m和456.87 kN·m。當錨索預應力為180 kN時，前排樁最大正、負彎矩分別為547.58 kN·m和949.36 kN·m，后排樁的最大正、負彎矩分別為137.32 kN·m和463.05 kN·m，前、后排樁的正、負彎矩均隨著錨索預應力增大而減小，但這種減小的趨勢逐漸減弱。

4 監測結果與數值計算結果對比分析

在基坑開挖及支護工程施工過程中，周圍環境與圍護結構是一個動態變化過程。基坑監測必須貫穿于基坑施工全過程，及時準確的掌握支護結構最大位移位置以及受到的錨索最大軸力，可以方便施工設計人員根據實際情況調整相應的基坑支護方案，信息化指導施工，確保施工安全。

4.1預應力錨索張拉與監測

4.1.1預應力錨索張拉本工程錨索屬于全長粘結性拉力型錨索，錨索設置水平安放角為15°，材料選用高強度、低松馳全長粘結型預應力鋼絞線，極限強度1860 MPa，設計值1320 MPa。試驗采用整體張拉法,選用YDC-240型液壓千斤頂張拉,用高壓油泵加壓,錨具選用XYM 15-7型(圖13)。錨索每孔張拉力分別為100 kN、120 kN、140 kN、160 kN、180 kN。

4.1.2水平位移監測采用測斜法進行雙排樁-錨支護結構深層水平位移監測。本項目測斜管為PVC管，?70 mm，內壁刻有兩對互成90°的導槽，測試方位由導槽控制。埋設時，一組導槽與圍護體垂直，另一組與基坑墻體相平行。測試時，將測斜儀探頭沿導槽緩緩沉至孔底，然后進行向上連續分段測量。本項目測斜儀采用CX-06型測斜儀進行測斜測試，測斜精度為±0.1 mm/0.5 mm，CX-06型測斜儀如圖14；當現場施加錨索預應力(三排均保持一致)分別取100 kN、120 kN、140 kN、160 kN、180 kN時，監測雙排樁樁身水平位移。

圖13 預應力錨索張拉

圖14 CX-06型測斜儀

4.2監測結果與數值計算結果對比分析

不同錨索預應力MIDAS/GTS計算的樁體水平位移與實測結果進行對比見圖15、圖16。

圖15 前排樁水平位移監測值與模擬值隨錨索預應力變化

圖16 后排樁水平位移監測值與模擬值隨錨索預應力變化

由圖15、圖16可知，現場施加不同錨索預應力時，雙排樁-錨支護結構前、后排樁水平位移的監測值與數值模擬值曲線基本相似，均隨著錨索預應力增大而減小，但這種減小的趨勢逐漸減弱。監測值和數值模擬得出的最大水平位移值的位置大致相同，說明采用MIDAS/GTS有限元軟件的計算結果是可信的。

5 小結

本文通過雙排樁樁長、錨索長度及預應力大小對雙排樁-錨支護結構前后排樁內力、變形的影響

進行有限元分析，并與監測資料對比，得出如下結論。

1)雙排樁-錨支護結構的水平位移會隨著前后排樁樁長、錨索長度的增加而減小，當雙排樁樁長增加到26 m，錨索長度增加到24 m時，水平位移的限制效果不明顯；因此，基坑支護設計中滿足穩定性要求即可，樁長、錨索長度不必過長。

2)雙排樁-錨支護結構樁身變形和內力會隨著錨索預應力的增加而明顯降低。由于預應力錨索能夠為前排樁提供一定程度的橫向約束，在實際工程中，可適當增加錨索預應力加強對樁身變形和內力的控制。

3)雙排樁-錨支護結構前、后排樁，不同錨索預應力水平位移的監測值與數值模擬計算值曲線趨勢基本相似，說明采用MIDAS/GTS有限元軟件的計算結果是可信的。

[1] 王飛.雙排樁-錨索復合支護結構在軟土基坑的應用及數值模擬分析[D].阜新：遼寧工程技術大學,2013:41-43.

[2] 李榮玉.門架式雙排樁-錨桿(索)組合支護結構在深基坑工程中的應用研究[D].昆明：昆明理工大學,2014:69-71.

[3] 李治.MIDAS/GTS在巖土工程中應用[M].北京：中國建筑工業出版社，2014.

[4] 劉建航，侯學淵.基坑工程手冊，[M].北京：中國建筑工業出版社，1997.

[責任編校：張巖芳]

InfluencingFactorsofDouble-rowPileAnchorSupportingStructure

JIANG Yu, WANG Cuiying

(SchoolofCivilEngin.,ArchitectureandEnvironment，HubeiUniv.ofTech.，Wuhan430068，China)

This study, based on Hankou City Garden foundation pit supporting project in Wuhan, set up the foundation pit supporting model, analyzed the impact of the length of double-row pile, the length of cable and prestress on the deformation and the internal force of supporting structure. The simulation result is consistent with the monitoring data. Comparison between the two methods proves that, after reaching a certain value of the length of the pile and the length of the cable, the increase of its length exerts no effect on the deformation of supporting structure and internal force of double-row pile anchors. But an appropriate increase of the prestress of anchor cables will effectively limit the deformation of foundation pit.

foundation pit project; double-row pile anchor; numerical simulation

2017-02-09

蔣 宇(1990-)， 男， 湖北紅安人，湖北工業大學碩士研究生，研究方向為巖土工程

1003-4684(2017)05-0033-05

TU473

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