基于FLAC-3D樁錨支護結(jié)構(gòu)有限元分析

□□ 董堯韡

(山西工程科技職業(yè)大學(xué)，山西 晉中 030619)

引言

隨著時代的進步，建筑物基坑的規(guī)模越來越大，越來越深。基坑支護已成為巖土工程中非常重要的一個環(huán)節(jié)，如何提高支護結(jié)構(gòu)的強度和保護基坑周邊環(huán)境已然成為當(dāng)今學(xué)術(shù)界的重要研究課題之一。樁錨結(jié)構(gòu)的支護體系是由支護樁和錨桿(錨索)組成，其中支護樁可以配合一道或多道錨桿進行支護。樁錨支護結(jié)構(gòu)是深基坑支護的主要形式之一，其主要優(yōu)點是穩(wěn)定性好、安全性能高等[1]。

1 工程概況

華潤中心寫字樓二期項目由華潤置地(太原)有限公司開發(fā)，該工程位于太原市長風(fēng)商務(wù)區(qū)，南臨長興南街、西臨新晉祠路、東臨長興路，交通十分便利。基坑設(shè)計重要性安全等級為一級。基坑使用年限為一年，T2主樓及車庫支護形式為北側(cè)與一期基坑相連，西側(cè)采用三軸止水帷幕與一期相連。西側(cè)、南側(cè)采用鋼筋混凝土灌注樁與三排擴大頭預(yù)應(yīng)力錨索支護，東側(cè)采用放坡支護與三軸止水帷幕，與一期放坡相接；三軸止水帷幕采用樁徑為850 mm的水泥攪拌樁,間距為600 mm,樁間搭接為250 mm；三軸攪拌樁有效樁長為22 m，三軸攪拌樁水泥為強度等級為32.5 MPa的P·S水泥，樁體無側(cè)抗壓強度要求≮0.8 MPa。支護采用樁徑為900 mm和1 000 mm的混凝土灌注樁。基坑平面布置圖如圖1所示。

圖1 基坑平面布置圖

支護樁1樁徑為0.9 m，樁間距為1.4 m，樁長為21 m，共計78根；支護樁2樁徑為1.0 m，樁長為23.5 m，共計21根；樁身混凝土強度等級為C30，主筋保護層厚度為50 mm。

攪拌樁樁徑為850 mm，樁頂標高為-2.500 m,每幅成樁3根，相鄰幅段搭接一根樁,采用“二噴二攪”施工工藝，有效樁長為22 m，咬合為250 mm，共計119根，水灰比為1.5～2.0，1 m3樁體中水泥摻入量≮360 kg。樁體無側(cè)限抗壓強度要求≮0.8 MPa，支護樁1的結(jié)構(gòu)剖面圖如圖2、圖3所示。

圖3 樁體剖面圖

2 數(shù)值模擬

采用有限元軟件FLAC-3D進行數(shù)值模擬，模型采用基坑開挖深度為20 m，鉆孔灌注樁樁徑為900 mm，土體采用3dsolid，建模完成后基坑模擬圖如圖4所示，基坑開挖后X方向的位移云圖如圖5所示，基坑開挖后Z方向的位移云圖如圖6所示，土體參數(shù)見表1[2-3]。

圖4 建模完成后基坑模擬圖

圖5 基坑開挖后X方向的位移云圖

圖6 基坑開挖后Z方向的位移云圖

表1 土體參數(shù)

2.1 地表沉降分析

通過土層的設(shè)置，基坑共模擬了四次開挖，通過后處理提取每次開挖的數(shù)據(jù)。由沉降數(shù)據(jù)以及距離基坑的距離繪制了地表沉降曲線，如圖7所示。

圖7 地表沉降

由圖7可知，隨著四次開挖，地表的豎向沉降在逐漸增加，豎向沉降值由第一次開挖的-4.25 mm增加到第四次開挖的最大豎向沉降值為-11.87 mm。距離基坑由近到遠的沉降值是先增加到達最值后逐漸減小，其中距離基坑近的地方豎向沉降為正值，所以基坑周邊的土體出現(xiàn)了隆起，隆起的最大值為2.24 mm。

2.2 樁身水平位移分析

通過基坑開挖全過程的數(shù)據(jù)分析，提取樁身整體水平位移的數(shù)據(jù)，共提取60 d的數(shù)據(jù)，通過樁身的水平位移以及樁的埋深繪制了樁身水平位移曲線圖[4]，如圖8所示。

圖8 樁身水平位移

由圖8可知，整個支護樁的水平位移值中間大兩頭小，整個呈現(xiàn)凹型，在距離樁頂1/2H處出現(xiàn)最大水平位移。60 d的數(shù)據(jù)顯示，隨著時間的增加，樁身每個位置的水平位移都在增加，6 d樁身最大水平位移為3.98 mm，在60 d時出現(xiàn)了最大值，為16.75 mm。

2.3 錨桿內(nèi)力分析

通過基坑開挖全過程的數(shù)據(jù)分析，提取三根錨桿的全部數(shù)據(jù)，共提取30 d的數(shù)據(jù)，通過錨桿的軸力以及時間繪制了錨桿內(nèi)力曲線圖[5]，如圖9所示。

圖9 錨桿軸力圖

從圖9可以看出，在樁錨結(jié)構(gòu)中，錨桿體系對整個支護結(jié)構(gòu)影響非常大，在一定范圍內(nèi)錨桿數(shù)量的增加會使支護結(jié)構(gòu)的整體性明顯增加。整個支護結(jié)構(gòu)通過增加錨桿后，工程造價雖然有所增加，但相比較其他支護結(jié)構(gòu)，該支護結(jié)構(gòu)的整體性明顯增加，因而樁錨結(jié)構(gòu)的截面設(shè)計應(yīng)充分考慮樁體和錨桿的材料強度，并且對樁身和樁徑造價成本進行調(diào)整。

3 結(jié)論

以太原市某基坑工程為研究背景，通過三維有限元軟件FLAC-3D對基坑的支護結(jié)構(gòu)進行數(shù)值模擬，分別對地表沉降、樁身水平位移以及錨桿軸力進行數(shù)值分析，得出以下結(jié)論：

3.1 基坑開挖過程中地表沉降規(guī)律為距離基坑由近到遠的沉降值是先增加到達最值后逐漸減小，基坑邊緣有地表隆起現(xiàn)象。

3.2 基坑開挖過程中樁身最大水平位移在距離樁頂1/2H處，樁身兩端位移較小，中間較大，整個樁身呈現(xiàn)凹型。

3.3 樁錨結(jié)構(gòu)中，錨桿體系對整個支護結(jié)構(gòu)影響非常大，在一定范圍內(nèi)錨桿數(shù)量的增加會使支護結(jié)構(gòu)的整體性明顯增加。