樁錨支護體系在基坑工程中數值模擬

高 宣

(河北工程大學土木工程學院，河北 邯鄲 056038)

0 引言

自20世紀80年代以來，中國的基坑工程出現了大量的超深和超大的工程。城市地區地下車庫、深地下室和地下交通系統的建設，盡量減少或者降低對已有建筑的影響。深基坑支護的數值模擬分析顯得尤為重要。Zhandos Y.Orazalin等[1]介紹了利用有限元模擬Stata中心地下室開挖，分析強調了三維開挖和支撐幾何對地面和地面運動的影響。用一個簡單的彈塑性摩爾—庫侖模型在粘土中不排水條件下的基本情況的結果通常與實測的性能非常吻合。Maria A.Nikolinakou等[2]介紹了一種廣義有效應力模型的應用，利用有限元模擬復雜環境下深開挖的支撐系統的性能。基坑在水下開挖由一排預應力錨固墻支撐。結果表明，計算與實測壁變形和錨桿力之間有很好的一致性。研究結果強調了基礎狀態參數信息對先進土壤模型成功應用的重要性。在現有的一些研究中對于樁錨支護體系在基坑支護變形的研究還較少。

1 模型建立

該模型基坑深度為9 m，支護形式選型為排樁—錨桿支護。

數值模擬工程土質條件：本工程選取的為土質良好的粉質粘土。支護結構：排樁采用0.8 m的混凝土灌注樁，樁間距1.4 m，樁的長度是11 m；冠梁的截面尺寸為0.8 m×1.0 m；在冠梁處設置錨索，錨索采用2φ15.2鋼絞線，長度為15 m，水平間距1.8 m，入土角度15°，高壓噴射注漿。錨索設計拉力350 kN，鎖定力200 kN。

2 數值模擬[3-5]

2.1 本構關系

材料的應力—應變關系也叫本構關系，以土體為研究對象的應力—應變關系，稱為土的本構關系。一般材料應力—應變關系為：

{σ}=[D]{ε}

(1)

2.2 摩爾—庫侖(Mohr-Coulomb)模型

在巖土工程數值模擬軟件中，常用的幾種本構模型有：摩爾—庫侖模型、修正D-P模型、擴展的劍橋模型。摩爾—庫侖模型的屈服函數，摩爾形式表達式為：

τ-σtanφ-c=0

(2)

庫侖形式表達式：

(σ1-σ3)-[σ1+σ3]sinφ-2ccosφ=0

(3)

其中,σ為剪切面上的正應力；τ為剪切面上的剪應力；c為材料的粘聚力；φ為材料的內摩擦角。

2.3 模型參數

模型參數如表1所示。

表1 模型參數

2.4 數值模擬過程

本文主要是對基坑的支護樁和錨桿的應力狀態及基坑變形進行模擬和分析，經過大量的試驗和工程實例得出結論，冠梁在一定程度上影響了樁的變形約束，但效果甚微[1]。本文在進行數值模擬的過程中，根據等效彎曲剛度原則，將排樁簡化成等剛度的連續墻。冠梁對于樁體在一定程度上，對樁體起到約束的作用，但是對于模型中數值計算結果的影響不大，在數值模擬計算中不考慮冠梁。由于腰梁主要是錨固和分擔錨桿的錨力，對于研究內容影響不大，所以在本文也沒有模擬梁腰。

在本文中，假設土體是一個理想的彈塑性體，采用M-C準則和關聯流動法則的方法，對基坑開挖進行數值模擬，并確定基坑幾何模型的影響范圍，深度約為1次～2次垂直開挖的范圍，一般情況下，對于開挖寬度在水平方向開挖寬度計算深度擴展2倍～3倍。

該模型中，基坑支護結構單元類型有兩種。基坑土體和支護樁采用ABAQUS中基于摩爾庫侖理論的實體單元C3D8，錨桿采用的是桿單元T3D2。該模型開挖分6步，開挖分3次，每次開挖3 m后進行支護，依次開挖，支護。

3 結論

本文主要分析了基坑開挖不同工況下土體的應力應變，并分析了樁和錨桿的應力和變形。

在不同工況下的云圖：

當基坑開挖至3 m時，插入第1層錨桿，如圖1所示；開挖至6 m時，插入第2層錨桿，如圖2所示；開挖至9 m時，插入第3層錨桿，如圖3所示。

4 結語

隨著基坑開挖階段，樁后土體的水平位移增大，影響范圍也增大。位移值隨基坑邊緣距離的減小而減小。從云圖上也可以看出，位移的最大值不在土壤表面發生。排樁的最大水平位移發生在距離基坑頂面2.5 m～4.5 m的表面，并隨著開挖，在影響范圍內擴大。

與開挖位移減小基坑水平位移的土樁，在第一步中土體最大水平位移的基坑開挖后，最大值出現在靠近相鄰的樁，當水平位移接近土壤表面后基坑樁開挖僅為3 mm。這表明，開挖后樁頂，導致了一個移動的趨勢增加樁基坑土體的主動土壓力，樁的前表面和樁體增大產生的主動土壓力，一個運動趨勢的坑外下部，抵消由開挖基坑土體的水平位移引起的第一步。

樁后土體的最大沉降量，從圖中可以看出，在平衡地應力后，第三步開挖引起的土體沉降最大，這可能是由于開挖過程中主動土壓力引起的。

[1] Zhandos Y.Orazalin,Andrew J.Whittle,Matthew B.Olsen.Three-Dimensional Analyses of Excavation Support System for the Stata Center Basement on the MIT Campus[J].J.Geotech.Geoenviron.Eng.,2015,141(7):216-217.

[2] Maria A.Nikolinakou,Andrew J.Whittle,Stavros Savidis,et al.Prediction and Interpretation of the Performance of a Deep Excavation in Berlin Sand[J].Geotech.Geoenviron.Eng.,2011,137(11):1047-1061.

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