深基坑樁錨支護受力特征分析
——以海南某基坑支護為例

田野*，羅飛，李小剛，范然，王建筱，邵勇，陳志浩

（湖北省城市地質工程院，湖北武漢，430074）

深基坑樁錨支護受力特征分析
——以海南某基坑支護為例

田野*，羅飛，李小剛，范然，王建筱，邵勇，陳志浩

（湖北省城市地質工程院，湖北武漢，430074）

運用MIDAS GTS NX有限元軟件輔助理正深基坑進行方案設計，對海南某地塊項目建立二維深基坑模型，分析基坑支護結構的應力-應變、位移、支護結構內力及周邊土體沉降等。根據模型的計算結果可知，坑頂沉降在坑邊較小，隨距坑邊距離增加，沉降逐漸增大，達到一定程度后逐漸減小至零；支護結構水平方向位移主要發生在支護樁周界區域，從變化規律上看，樁頂位移較小，隨開挖深度的增加，位移逐漸增加，臨基底位移達到最大值，基底以下位移逐漸減小并趨于穩定；受力錨索軸力在自由段均勻分布且在整個錨索長度范圍內為最大值，進入錨固段后錨索軸力向錨端逐漸減小。

深基坑；樁錨；數值模擬；MIDAS GTS NX-2D

引言

隨著社會的發展，我國城市建設不斷邁向高層、超高層建筑，深基坑工程也就越來越多。在當前的基坑工程中，由于各場地形條件、工程地質條件、施工技術等各類因素的影響，支護結構型式多種多樣，既有典型的單一支護結構，也有較復雜的多種支護結構的組合[1]。樁錨支護可用于不同深度的基坑，但錨桿容易產生超越紅線、地下施工遇障礙物或毗鄰建筑物基礎等限制[2]。與其它支護方法相比，樁錨支護安全系數高，施工文明，便于土方開挖和地下室基礎施工，這一支護方法在海南地區應用非常廣泛，也取得良好的社會經濟效益[3]。本文運用 MIDAS-NX 有限元軟件輔助理正基坑支護進行方案設計，對海南某地塊項目建立二維深基坑模型，利用莫爾-庫倫本構模型，分析基坑支護結構的應力-應變、位移、支護結構內力及周邊土體沉降等，探討樁錨支護受力特點，為基坑設計、施工及變形監測提供依據。

1 軟件簡介

MIDAS GTS NX(New experience of Geo-Technical analysis System)巖土和隧道有限元分析軟件是基于計算機圖形處理和分析技術集合而成的通用巖土分析軟件。GTS NX可考慮巖土分析中最重要的材料非線性以及巖土的初始應力狀態，最大化反映實際現場情況。在不同的荷載和邊界條件下，可進行的分析包括靜力分析、滲流分析、應力-滲流耦合分析、固結分析、施工階段分析、動力分析等分析領域。通過定義多個施工階段，進行不同施工階段內力及位移分析，驗證結構的安全性及對周邊環境的影響，從而指導方案的優化設計。GTS NX 提供多種土體本構模型，本工程采用修正莫爾-庫侖本構模型，支護結構采用線彈性模型。

2 工程概況

該地塊位于海南某市一地區，擬建 5棟高層住宅，設三層整體地下室，地下室開挖深度13.78m，開挖面積24000m2，開挖周長 710m。基坑支護型式采用鉆孔灌注樁加三排預應力錨索支護，支護樁樁徑1.0m，樁間距1.3m，錨索水平間距1.3-2.6m，樁后設計三軸攪拌樁止水圍幕。

3 場地地質條件

在場地范圍內，場地地層為人工填土層（Qml）、第四系中更新統海陸相沉積層（Q2mc）、第四系下更新統海相沉積層（Q1m）以及上第三系海相沉積層（N2m）,基坑支護設計所需的各土層的物理力學參數指標如表1所示：

表1 基坑支護設計參數Table 1 Design parameters of foundation pit support

4 有限元模型建立

表2 基坑支護模型材料參數表Table 2 Foundation pit support model material parameters

采用有限元軟件對本工程進行模擬分析,設置三排預應力錨索，傾角20°。由于土體是典型的彈塑性材料，卸載模量遠大于加載模量，修正莫爾-庫侖模型能更清楚的表明壓縮和卸載的關系。因此本工程土體采用修正莫爾-庫侖本構模型，能清楚模擬土體卸載時的應力-應變關系。為研究施工過程中各構件的荷載效應和變形分析，二維有限元模型中土體模型、灌注樁采用平面應變模擬。根據工程經驗，模型計算范圍取基底以下2倍的基坑開挖深度，影響寬度取開挖深度的2～3倍。土體按照不同材料分為7層，材料參數按基坑支護模型材料參數表和基坑支設計參數表（表2）選取。

圖1 二維有限元模型Fig.1 Two-dimensional

圖2 支護結構剖面圖modelFig.2 Profile of Support structure

5 模擬結果與分析

本工程設計3層錨桿，按照實際施工工序，分5步模擬基坑的施工過程。Midas通過刪減土體單元和增加結構支護單元（樁、錨桿單元）來模擬開挖和支護[4]。

5.1 基坑豎向位移

圖3 開挖至基底時豎向位移圖Fig.3 The vertical displacement diagram based on model

圖4 理正計算坑頂沉降Fig.4 Foundation pit settlement based on Lizheng software

支護結構對土體的位移起到了一定的控制作用，同時土體與樁之間的摩擦（樁與土體之間的接觸單元）限制了土體的變形，所以地表最大沉降發生位于距開挖面一定距離處[5]。根據模擬結果(圖3)，坑頂沉降在坑邊較小，隨距坑邊距離增加，沉降逐漸增大，其沉降變化規律與理正計算軟件拋物線法計算結果較一致，隨距坑邊距離增加，沉降達到一定程度后逐漸減小至零。在進行基坑設計時，當抗隆起驗算滿足規范要求后，往往忽視隆起位移，但從模擬結果可知，本項目最大位移發生在基底，其最大隆起位移值達到24.5mm，并在支護結果以外的土體仍有微小的變化，說明基坑開挖會對更大范圍內的土體產生擾動。

5.2 支護結構水平位移

根據模擬結果(圖5)，支護結構水平方向位移主要發生在支護樁周界區域，包括樁端以下受基坑開挖影響產生的微小擾動位移。從變化規律上看，樁頂位移較小，隨開挖深度的增加，位移逐漸增加，臨基底位移達到最大值，基底以下位移逐漸減小并趨于穩定，其變化規律與理正深基坑計算軟件較一致，理正計算最大位移為17.82mm，模擬計算最大位移為11.7mm，略小于設計軟件結果。

圖5 開挖至基底時水平位移圖Fig.5 The horizontal displacement diagram based on model

圖6 理正計算支護樁水平位移Fig.6 The horizontal displacement based on Lizheng software

5.3 支護結構受力特征

圖7 開挖至基底時支護樁彎矩圖Fig.7 Bending moment diagram of supporting pile based on model

圖8 開挖至基底時第一層錨索軸力圖Fig.8The axial force diagram of the first line anchor

圖9 開挖至基底時第二層錨索軸力圖Fig.9The axial force diagram of the second line anchor

圖10 開挖至基底時第三層錨索軸力圖Fig.10 The axial force diagram of the third line anchor

圖示（圖7-圖10）為開挖至基底后支護樁彎矩圖和錨索軸力圖，由模擬結果知，第一排錨索軸力在自由段均勻分布且在整個錨索長度范圍內為最大值，進入錨固段后錨索軸力向錨端逐漸減小。錨桿自由段相當于一端固定，另一端自由的桿件，受軸向力后整段桿件中軸力均勻分布，而進入錨固段后由于砂漿的傳力作用，逐漸將錨桿軸力分擔給錨孔周圍土體承擔，因此，錨桿軸力逐漸減小[5]。但同時第二排和第三排錨索的受力特點與第一排錨索完全不同，第二排和第三排錨索未出現自由端軸力均勻分布且達到最大值的情況，結合支護樁彎矩圖中樁彎矩的變化情況，可知第二排和第三排錨索未產生有效的錨固作用。但在理正深基坑設計軟件中取消第二排和第三排錨索后，會發現整體位移基本在規范允許范圍內，但抗傾覆等穩定系數不滿足規范要求。模擬結果也進一步提示第一排錨索的錨固作用更大，在施工中更應加強施工質量的控制。

圖11 開挖至基底效果圖Fig. 11 The foundation pit after excavation

圖12 開挖至基底效果圖Fig.12 The foundation pit after excavation

6 結束語

本次基坑順利開挖至基底，位移得到有效控制，根據施工期間及后期監測數據顯示，最大水平位移在 2cm以內，未出現明顯地面變形或結構破壞現象。本文運用MIDAS GTS NX 有限元軟件輔助理正深基坑進行方案設計，對海南某地塊項目建立二維深基坑模型，將土體劃分有限網格單元，建立周邊荷載條件、邊界條件，利用莫爾-庫倫本構模型，分析基坑支護結構的應力-應變、位移、支護結構內力及周邊土體沉降等。根據模型的計算結果得出如下結論：

（1）坑頂沉降在坑邊較小，隨距坑邊距離增加，沉降逐漸增大，達到一定程度后逐漸減小至零。在進行基坑設計時，隆起位移值不應被忽略，并應注意在支護結果以外的土體仍有微小的變化，說明基坑開挖會對更大范圍內的土體產生擾動。

（2）支護結構水平方向位移主要發生在支護樁周界區域，包括樁端以下受基坑開挖影響產生的微小擾動位移。從變化規律上看，樁頂位移較小，隨開挖深度的增加，位移逐漸增加，臨基底位移達到最大值，基底以下位移逐漸減小并趨于穩定。

（3）受力錨索軸力在自由段均勻分布且在整個錨索長度范圍內為最大值，進入錨固段后錨索軸力向錨端逐漸減小。第一排錨索的錨固作用更大，在施工中更應加強施工質量的控制。

[1]陳忠漢. 深基坑工程[M]. 2版. 北京(機械工業出版社),2002.

[2]王波. 排樁錨桿聯合支護在深基坑中的應用[J]. 低溫建筑技術,2008,(03).

[3]雷貴華. 海南某地塊深基坑工程設計實例[J]. 資源環境與工程,2016,30(1)： 100-104.

[4]張勇,賴惠成. 基于Midas技術的多層分布式應用程序開發[J]. 新疆大學學報,2003,20(2)： 139-141.

[5]李明英,曾明. 基于MIDAS深基坑樁錨支護數值模擬分析[J]. 水土保持研究,2012,19(1)： 250-253.

Analysis of Stress Characteristics of Pile - anchor Supporting in Deep Excavation——Taking the Support of a Foundation Pit in HaiNan As an Example

TIAN Ye*,LUO Fei,LI Xiaogang,FAN Ran,WANG Jianxiao,SHAO Yong,CHEN Zhihao
(Hubei Institute of Urban Geological Engineering,Hubei Wuhan,430074,China)

A two-dimensional deep foundation pit model is established by using large finite element soft ware (i.e MIDAS GTS NX),based on a Foundation Pit in HaiNan .The stress-strain,displacement,internal force of support structure and settlement of surrounding soil in foundation pit support structure are analyzed.The model shows that the pit roof settlement is small in the pit edge,and the distance from the pit is increased,and the settlement gradually increases to a certain degree and then gradually decreases to zero.The lateral displacement of the support structure is mainly occurred in the perimeter area of the support pile,from the point of view of change rule,pile top displacement is small,with the increase of excavation depth,displacement increase gradually,in the base displacement peak,basement under the displacement decreases and tends to be stable.The force of the force is evenly distributed in the free segment and the maximum in the whole length of the cable,and the anchor cable is gradually reduced to the anchor when it enters the anchorage section.

Deep foundation；Pile-anchor retaining；Numerical simulation ；MIDAS GTS NX-2D

TU473

B

1672-9129(2017)06-0133-04

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.06.047

田野,羅飛,李小剛,等. 深基坑樁錨支護受力特征分析——以海南某基坑支護為例[J]. 數碼設計,2017,6(6)： 133-136.

Cite：TIAN Ye,LUO Fei,LI Xiaogang,et al. Analysis of Stress Characteristics of Pile - anchor Supporting in Deep Excavation——Taking the Support of a Foundation Pit in HaiNan As an Example[J]. Peak Data Science,2017,6(6)： 133-136.

2017-02-05；

2017-03-13。

田野（1984-），男，工程師，碩士，研究方向：地下水科學與工程，主要從事基坑、地災等方面工作。

Email：23997194@qq.com