深基坑工程中內撐式樁錨支護結構的應用研究

王龍祥

（河北中色華冠巖土工程有限公司，河北 廊坊 065201）

內撐式樁錨支護結構是將錨桿與內支撐等支護構件組合在一起，形成穩定的支護結構，保證支護樁均勻受力，提高基坑支護工程的安全性。利用FLAC 3D數值分析軟件，模擬基坑支護現場施工的實際情況，建立基坑支護的數值模型，選擇相應參數，計算出現場基坑支護工程的數值，為內撐式樁錨支護結構的應用提供了參考。

1 內撐式樁錨支護結構

內撐式樁錨支護結構是一種內撐式與錨桿式相結合的樁錨撐組合支護結構。這種結構能嚴格控制支護樁的水平位置，在減少工程投資的基礎上，提高工程施工進度。由于內撐式樁錨支護結構具有樁錨組合和樁撐組合的特性，因此，其變形強度較大，受力更科學，在施工中能最大程度地發揮材料的潛力，解決基坑工程施工中存在的相關問題，在基坑工程施工中被廣泛采用。內撐式樁錨支護結構綜合利用聯合支護結構中各支護構件的優點，提高了內撐式樁錨支護結構的適用范圍和安全性，同時也解決了基坑支護中存在的一些問題。該支護結構在復雜的深基坑工程施工中，采用錨桿與內支撐相結合的支護體系，可以將支護樁的受力傳遞到周圍土層，使支護樁的受力均勻，在允許的范圍內發生變形。在基坑工程中，根據實際情況，采用內撐樁錨支護結構，充分利用支護構件的特性，提高了基坑穩定性。

2 支護結構的受力和變形

2.1 影響樁頂位移的因素

（1）支撐水平間距。當支撐間距較小時，樁頂最大位移減小，施工時可用少量支護樁；當支撐間距大時，則減少支撐樁的數量，樁頂最大位移增加，因此，合理設置支撐間距很重要。樁頂位移與支撐水平間距呈正比曲線關系，且隨支撐間距的增大而增大。為此，對支護樁的水平距離應進行科學設計、合理布局，在有效控制支護樁頂最大位移的基礎上減少工程投資。

（2）基坑地面過載。在基坑施工中基坑周圍存在地面荷載，允許有一定的荷載值存在，但實際施工中，由于荷載超過基坑承載值，基坑工程施工缺乏安全保障，應合理控制基坑周邊荷載。隨著基坑地面荷載的增大，樁頂最大位移也也隨之增大，荷載對基坑支護有一定的影響。因此，在基坑施工中，應將基坑周邊的荷載控制在設計荷載范圍之內。

（3）豎向間距系數。樁頂最大位移受影響很大，其變化隨間距的增大而增大，一般是先減小后增大。在豎向間距系統達到最優值時，樁頂位移變化最小，在實際施工中，采用豎向間距系統的最優解選擇支護結構的深度，但在實際施工中，最優解與實際值會有一定誤差，這主要受施工地質條件和施工現場因素的影響。

（4）相對間距系數。相對間距系數對樁頂位移改變很小，一般受影響的樁頂位移變化范圍在3mm以內。在支護結構設計中同時對豎向間距系數和相對間距系數采用最優解，樁頂位移才能達到最小值。

（5）開挖深度系數。對樁頂位移有一定的影響，開挖深度系數與樁頂最大位移呈線性關系，開挖深度系數增大后，樁頂位移也隨之增大，但當開挖深度系統增大到相應值時，對樁頂位移的影響逐漸減小。基坑開挖工程中要避免基坑超挖，超挖將導致樁頂位移增大。

2.2 支護結構的受力及變形

2.2.1 冠梁受力變形

2.2.2 支護樁受力變形基坑開挖深度與樁身水平位移成正比關系，基坑開挖深度增大，支護樁的位移也相應增大，內支撐支護樁結構中樁身在中部位置發生位移。假設支護樁端嵌固過程中未發生位移，則支護樁位移呈拋物線變化。

3 參數對支護結構中樁體內力的影響

3.1 FLAC 3D數值分析軟件

FLAC 3D通過數值分析對支護結構受力情況和變形特性進行模擬，并用混合離散法有效解決塑性問題，FLAC 3D作為數值分析軟件更科學、可靠。計算中采用的FLAC 3D方法是一種動態求解方法，該方法誤差小、計算結果準確。FLAC 3D內部包含眾多結構單元，可對實際構件進行模擬，而且建模簡單、計算快、結果準確。利用FLAC 3D軟件構建模型并模擬分析了支護結構的受力和變形特性，將模擬數據與實測數據進行對比，確定模型參數。在基坑支護工程中利用FLAC 3D數值分析軟件，可實現對內撐式樁錨支護結構受力情況和變形特性進行準確的數值模擬以及數據分析，為內撐式樁錨支護結構的應用提供了數值依據。

3.2 構建數值模型

3.2.1 基本假定

在深基坑工程施工中，諸多外界因素都會影響支護結構的受力情況，利用FLAC 3D軟件構建數值模型，對支護條件和地質條件等因素進行模擬，以達到或接近實際施工工況的要求，并對支護結構的變形特性和受力情況進行模擬，為內撐式樁錨支護結構應用提供數據參考。

基本假定：基坑開挖施工前期應采取防水措施，控制施工現場的地下水深度，將地下水控制在開挖面的1m以下。由于施工現場的土層分布不均勻，且土層土質比較復雜，因此，在數據模型中按照土層均勻分布進行建模，數值選取平均厚度和均勻分布的土層進行設定。由于數值模型計算中存在局限性，對錨索預應力損失值不能充分考慮，且錨索也是一次性施工完成，因此，數值模擬忽略了錨索預應力損失。土體受到外界擠壓會發生變形，但在數值模擬中無法計算施工中造成的土體變形，所以，開挖前的支護樁對土體造成的影響可以忽略不計。工程施工中的支護結構均設為彈性體。

3.2.2 土體本構模型及參數

土體本構模型可以模擬支護樁受力與變形之間的關系，并體現出土體的力學性能，數值計算中的關鍵步驟是選取本構模型。本構模型模擬根據實際勘察數據，選用M-C模型，其計算速度快，應用于多種土體，其中L為體積參數模量，N為切變參數模量，F為彈性參數模量，為泊松比，參數之間的關系如下：

已知泊松比和壓縮模量，可在模型中計算出所需的體積模量和切變模量。其中，彈性模量與壓縮模量之間的關系如公式（3）。施工前期勘察中，選取土體的壓縮模量，通過試驗可得壓縮模量小于彈性模量，將壓縮模量擴大3～6倍可計算出彈性模量，模型計算結果與實際情況比較符合，或在公式（5）中計算彈性模量，參數取值應以實際測量的數據為依據，經多次調試計算出土體的彈性模量。

3.2.3 支護結構及參數

支護結構建模及參數見表1。

表1 支護結構建模參數

基坑工程土體形成過程會受外力作用，一般情況下土體為固態，感受自然應力，為提高模擬數值的準確性，土體消除自重對模型進行初始平衡。利用FLAC 3D可采用多種方法對土體自重引起的沉降進行消除。支護結構模型模擬方法：支護材料的抗拉強度取較大值，以保證支護結構模型在自重應力下平衡。模型中心位置對稱，受到豎直向下的重力影響，水平方向不發生位移。結合施工土體實際情況，賦值土體參數，從模型中分析支護結構發生的變化。在模型中模擬基坑開挖工序，并進行分布模擬運算，在保證基坑支護施工安全的前提下，控制支護結構的變形，在基坑開挖地面距離0.6m以下的基礎上安裝支護構件，施工開挖工況模擬見表2。

表2 施工開挖工況模擬

3.3 數值結果分析

利用FLAC 3D軟件對基坑開挖工況進行模擬，計算并記錄整個支護構件受力和位移變化。利用FLAC 3D數值分析軟件構建數值模型，模擬基坑施工現場工況，對土體本構模型參數和支護結構參數進行計算，并用數值分析法研究了支護結構的水平位移、樁身彎矩、內支撐軸力和錨索受力。

（1）支護樁身變形分析。在開挖過程中，樁身水平位移與開挖深度之間成非線性增加關系，隨開挖深度增大，支護樁位移也隨之增大。由于受周邊巖土土體的約束，支護樁底部位移變化幾乎為零，模擬數據與實際測量數據一致。隨著支撐構件暗盒錨索構件的安裝，對支護樁位移進行了有效限制，并分擔了支護樁承受的外力。開挖深度在15m處安裝了鋼支撐，有效限制了支護樁位移。

（2）樁身彎矩分析。基坑開挖深度增大，樁身最大彎矩也隨之增大，原因是錨索和內支撐的安裝，促使支護樁彎矩發生拐點，樁身受力合理改變了樁身的彎矩分配。鋼支撐預加應力，樁身發生變化，與懸臂支護結構明顯不同，支護樁彎矩呈弓字形狀分布。隨著基坑施工的進行，樁身彎矩逐漸減小，開挖結束后最大負彎矩在開挖面以上，最大正彎矩在開挖面下。

（3）內支撐軸力分析。通過內支撐軸力可以準確地確定支撐選型和尺寸，開挖深度在20m處內支撐軸力最大，且位于基坑中間位置，在靠近基坑側面的冠梁分擔了支撐軸力，所以，基坑側面支撐軸力小。內撐式樁錨支護結構兼具樁錨、樁撐相結合的特性，支護結構的變形強度較大，受力更科學，在應用過程中可最大程度地發揮施工材料的潛能，并解決基坑工程施工中存在的相關問題。在基坑開挖結束后進行底板施工時，基坑底板降低了基坑支撐內力，在保證安全的前提下，應盡快進行基坑開挖工程中的支護結構施工和土方開挖施工，最大程度減少基坑支護工程的危險性。

（4）錨索受力分析。錨索軸力在施工過程中增長較慢，支護構件安裝的每一步都能減小錨索的外力影響，錨索與樁之間也逐漸達到受力平衡。在底板后續施工中緩解了錨索軸力，因而錨索軸力的增加逐漸減小，錨索錨固段承受支護樁的外力，錨固段逐漸減小，軸力也逐漸減小，直至受力為零，錨固構件安裝完成。施工中要保證錨固開始段在危險滑動面之外，這樣才能保證基坑施工安全。

4 結語

內撐式樁錨支護結構綜合利用聯合支護結構中各支護構件的優點，提高了內撐式樁錨支護結構的適用范圍和安全性，同時也解決了基坑支護工程中存在的一些問題。利用FLAC 3D軟件構建模型模擬分析了支護結構的受力及變形特性，并將模擬數據與實測數據對比，確定模型參數，最終得出內撐式樁錨支護結構應用的數據，為內撐式樁錨支護結構應用提供了理論依據。