深基坑樁錨支護數(shù)值模擬對比研究

陳俊成 曾 洲 楊 惺

(華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院土木工程系，廣東 廣州 510510)

1 概述

城市為了滿足人口、交通和經(jīng)濟等各方面的需求不斷地開發(fā)地下空間，而深基坑順應(yīng)這種趨勢應(yīng)運而生。深基坑的施工存在很多風(fēng)險，為了防患于未然，有必要對深基坑的支護結(jié)構(gòu)的變形和受力進行研究。王超、丁海濤[1]采用MIDAS對樁錨支護結(jié)構(gòu)進行數(shù)值模擬，得到了各個工序下基坑的隆起情況和支護樁的內(nèi)力，并對基坑進行了優(yōu)化。周勇、李康[2]采用ADINA對樁錨支護結(jié)構(gòu)進行基坑開挖數(shù)值模擬，得到了不同因素對支護結(jié)構(gòu)位移的影響。

本文以廣東省惠州市惠城區(qū)水口鎮(zhèn)尚東公館基坑西側(cè)樁錨支護結(jié)構(gòu)為研究對象，運用理正深基坑7.0PB4和MIDAS-GTS分別計算基坑西側(cè)不同施工階段支護結(jié)構(gòu)的位移和彎矩，對比分析得出了支護樁的變形和內(nèi)力變化特點。

2 工程概況

2.1 工程簡介

尚東公館基坑工程位于惠州市惠城區(qū)水口鎮(zhèn)，地下室為地下2層，基坑周長約252.55 m，基坑深度8.00 m～8.68 m，基坑安全等級為二級，基坑使用年限為1年。

2.2 基坑支護方案

基坑西側(cè)采用上部1∶1.5放坡，下部采用φ800@1 200灌注樁+2道錨索支護；基坑的外側(cè)采用φ800@600攪拌樁止水。

2.3 土層基本力學(xué)參數(shù)

表1 基坑西側(cè)土層的基本力學(xué)參數(shù)

基坑西側(cè)設(shè)計用到的土層基本學(xué)參數(shù)如表1所示。

2.4 施工工況

基坑西側(cè)的施工工況如表2所示。

表2 基坑西側(cè)的施工工況

3 解析法

對尚東公館基坑西側(cè)樁錨支護結(jié)構(gòu)采用理正深基7.0PB4軟件進行解析計算模擬。

3.1 靜力計算模型

理正深基坑計算系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)靜力計算中將地下排樁簡化為彈性地基豎直梁[3]，并采用m法計算。

3.2 計算參數(shù)及模型

地面超載取20 kPa；不考慮地下水的影響；按JGJ 120—2012建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程[4]和JGJ 94—2008建筑樁基技術(shù)規(guī)范[5]相關(guān)規(guī)范取m值，見表3。

表3 基坑西側(cè)土層的基本力學(xué)參數(shù)

尚東公館基坑西側(cè)樁錨支護結(jié)構(gòu)的解析法計算模型如圖1所示。

4 數(shù)值分析方法

對尚東公館基坑西側(cè)樁錨支護結(jié)構(gòu)采用MIDAS-GTS進行數(shù)值模擬計算。

4.1 模型單元及計算參數(shù)的選定

1)土體：平面應(yīng)變單元；灌注樁：直線梁單元+樁土接觸單元；錨索自由端：桁架單元；錨索固定端：植入式桁架單元。

2)計算模型：土體—摩爾庫侖模型；灌注樁和錨索—彈性模型。

3)計算參數(shù)：灌注樁采用直徑為800 mm的圓形截面；第一根錨索采用3×7φ5的鋼絞線，第二根錨索采用4×7φ5的鋼絞線；錨固體直徑均為150 mm。

4)邊界約束條件：左右：水平約束；底部：豎向約束+轉(zhuǎn)動約束；其他位移邊界自由。

5)地面超載取20 kPa。

4.2 模型網(wǎng)格的劃分

以0.5 m的間距劃分模型網(wǎng)格，基坑西側(cè)樁錨支護結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬圖形如圖2所示。

5 結(jié)果分析

5.1 樁身位移對比分析

理正深基坑7.0PB4采用的是解析法，而MIDAS-GTS采用的是有限元數(shù)值模擬法，兩種不同的方法計算出不同工況下灌注樁樁身位移分別如圖3a),圖3b)所示。

兩種方法得到的支護樁在不同工況下的樁身最大位移、位置以及位移特點如表4所示。

表4 兩種方法計算灌注樁樁身最大位移位置，大小及特點

分析解析法得到的灌注樁樁身位移隨施工階段的變化可以發(fā)現(xiàn)，樁身位移呈現(xiàn)樁中部位移最大，樁底位移較小的特點。原因為：隨著基坑逐漸開挖，由于有冠梁將灌注樁連在一起和受到了錨索的約束，故樁頂?shù)奈灰茣^樁中部的位移小，而樁的中部沒有約束，故樁的最大位移出現(xiàn)在樁的中部；樁底由于是錨固端，故幾乎沒有位移。 分析數(shù)值模擬法得到的灌注樁樁身位移隨施工階段的變化可以發(fā)現(xiàn)，樁身位移呈現(xiàn)樁頂位移最大，樁底位移較小的特點。原因為：數(shù)值模擬法考慮了開挖2 m邊坡對樁身側(cè)向位移的影響，故數(shù)值模擬法的樁身位移會相較于解析法得到的樁身位移偏大；此外由于模型采用的是2D模型，并未考慮冠梁的存在及作用，故樁頂在未施作錨索時是無約束條件的，故支護樁的位移會呈現(xiàn)上大下小的特點。施作錨索后只能減小樁中上部的位移，但是上大下小的特點依舊沒變。

對比分析解析法和數(shù)值模擬法得到的灌注樁樁身側(cè)向位移，我們可以發(fā)現(xiàn)深度10 m以上的樁身側(cè)向位移有較大的差異，深度10 m以下的樁身側(cè)向位移只有較小的差異。

5.2 樁身彎矩對比分析

兩種不同的方法計算出不同工況下灌注樁彎矩分別如圖4，圖5所示。兩種方法得到的支護樁在不同工況下的樁身最大正負彎矩大小和位置如表5所示。

從以上兩種方法計算所得的對比圖表可以得出以下的規(guī)律：

1)分析解析法計算得到的樁身彎矩圖可以發(fā)現(xiàn)，不同的工況下，樁身的彎矩呈現(xiàn)上部大下部小的S型曲線。原因為：在基坑的開挖過程中，基坑外側(cè)的主動土壓力不斷增加，而基坑內(nèi)側(cè)的土被挖走，被動土壓力減小，而且樁頂有冠梁和錨索的約束條件，故在基坑的上部呈現(xiàn)向基坑內(nèi)側(cè)凸出的彎矩曲線；而在基坑的下部，由于基底以下的土層不被挖除，故仍有被動土壓力作用在樁的下部，而且被動土壓力的增長速度比主動土壓力的大，故樁的下部呈現(xiàn)向基坑外側(cè)凸出的彎矩曲線。

表5 兩種不同方法計算灌注樁彎矩結(jié)果

2)分析數(shù)值模擬法計算得到的樁身彎矩圖可以發(fā)現(xiàn)，不同的工況下，樁身的彎矩符合樁頂自由樁底錨固的拋物線彎矩特點。原因為：在基坑的開挖過程中，基坑外側(cè)的主動土壓力不斷增加，而基坑內(nèi)側(cè)的土被挖走，被動土壓力減小，而且樁頂有錨索的約束條件，故在基坑的上部呈現(xiàn)向基坑內(nèi)側(cè)凸出的彎矩曲線；而樁底位于中粗砂層，相當于樁底是錨固的，故會在樁底產(chǎn)生樁端彎矩?？傮w而言用數(shù)值模擬法計算得到的樁身彎矩符合懸臂梁的彎矩分布規(guī)律。

3)對比分析解析法和數(shù)值模擬法得到的灌注樁樁身彎矩，我們可以發(fā)現(xiàn)深度15 m以上的樁身彎矩只有較小的差異；深度15 m以下的樁身彎矩存在較大的差異，這與模型建立時在樁底采用的固端約束有很大的關(guān)系。

6 結(jié)語

本文分別采用理正深基坑7.0PB4和用MIDAS-GTS對尚東公館基坑西側(cè)的樁錨支護結(jié)構(gòu)進行位移和彎矩計算，分析總結(jié)出了不同計算方法得出的樁錨支護結(jié)構(gòu)的位移和彎矩隨不同施工階段的變化特點。但是由于沒有實測數(shù)據(jù)作為對比數(shù)據(jù)，所以不能夠確定兩種計算方法的合理性，這仍需作者本人進一步研究分析，從而驗證解析法和數(shù)值模擬法對計算樁錨支護結(jié)構(gòu)樁身側(cè)向位移和彎矩的合理性。