緊鄰紅線基坑支護垂直錨索施工模擬分析

曾繁良，韓青芝，方萬剛

（中國建筑第二工程局有限公司華南分公司，廣東 深圳 518048）

1 工程概況

佛山保利天珺秀臺項目位于佛山市禪城區，占地面積約3.53 萬m2，總建筑面積約為38.03萬m2。本項目主要由超高層住宅、地下車庫、商業、酒店和公寓等組成。地上主體結構為框架-核心筒，基礎為直徑1 200mmC30 旋挖灌注樁，地下室2～3 層，底板標高-7.25～-2.70m，基坑深度約6.35～14.10m，周長約690m。基坑支護形式有重力式擋墻、單雙排灌注樁、灌注樁+內支撐、懸臂灌注樁、土釘墻等。

本工程東側地下室邊線距離用紅線約5.0m，紅線外現狀為公園；西側地下室邊線距離用紅線約5.0m，紅線外現狀為空地；南側地下室邊線距離用紅線約5.0m，紅線外現狀為東平路，西南角有通信紅線；北側地下室邊線距離用紅線最近約5.0m，最遠約9.6m，紅線外為河涌（緊貼凈涌紅線）。

本項目南側約200m有潭州水道經過，場地北側及西側為一條水溝，與場地地下室有密切的水力聯系。鉆孔實測地下水初見水位平均埋深2.01m，穩定水位平均埋深1.08m 根據工程地質勘查報告，項目場地的地層結構自下而上為：人工填土層（雜填土、素填土）、海陸交互層（淤泥、淤泥質土、淤泥質粉細砂）、沖洪積沉積層（粉細砂、粉質黏土、粉質黏土）、基巖（強風化泥質粉砂層、中風化泥質粉砂層）。各巖層主要物理力學參數如表1 所示。

2 設計方案分析

本文采用ABAQUS 有限元分析軟件建立支護結構和土體的豎向剖面二維平面應變模型，采用生死單元方式模擬基坑開挖全過程時空效應。建立初始狀態模型如圖1 所示，圖1（a）中編號⑨表示攪拌樁，采用水泥作為固化劑用以加固地基土；編號⑩表示鋼筋混凝土灌注樁，混凝土密度為2 400kg/m3，楊氏模量25.5GPa，泊松比0.167，其作為主要支護結構。數值模型選用B’C支護段的豎向剖面土層分布，將攪拌樁和灌注樁作為預先澆筑的部分建立在地基土之下進行地應力平衡分析，獲得現實環境下的地基土受力變形狀態。圖1（b）顯示地應力平衡后的土體位移數值，最大值接近于零，土體在自重壓力下完成固結。

基坑開挖全過程根據土體屬性和挖掘深度共分為了4 個模擬工況，圖2 表示4 個工況的具體變化狀況。支護結構內側基坑深度共6.35m，分別按照開挖深度0.2m、1.1m、4.7m、6.35m 進行工況劃分，隨著開挖深度的增加，支護樁頂部水平位移也逐漸增加。為了能減小水平位移，本文采用的垂直預應力錨索加強了支護樁結構的穩定性，支護樁頂部水平位移變化得到有效減緩。

圖2 開挖工況順序圖

圖3 顯示了支護樁的水平位移變化圖，圖3（b）工況4 中的數值模擬頂部位移為0.0156m，對比圖4 的實測支護樁頂部水平位移初始穩定值約為0.016m，證明數值模擬結果較為合理。圖3（a）不采用垂直預應力錨索時，支護樁頂部水平位移分別為0.0004m、0.0026m、0.0713m、0.1265m；采用垂直預應力錨索后，支護樁頂部水平位移分別為0.0010m、0.0011m、0.0028m、0.0156m。對應的位移倍數分別為2.50、0.42、0.04、0.12。不采用垂直預應力錨索時，支護樁最大水平位移分別為0.0006m、0.0031m、0.0713m、0.1265m；采用垂直預應力錨索后，支護樁最大水平位移分別為0.0029m、0.0048m、0.0161m、0.0277m。對應的位移倍數分別為4.59、1.52、0.23、0.22。

圖3 數值模擬下支護樁水平位移圖

圖4 支護樁頂實測水平位移累計變化曲線圖

從以上數據可以得出，垂直預應力錨索能夠顯著減小基坑開挖造成的支護結構位移現象，支護樁頂部位移最大能縮小0.04 倍，支護樁最大位移能縮小0.22 倍。隨著開挖深度的增加，采用垂直預應力錨索縮小最大水平位移的效果越明顯，但是縮小支護樁頂部水平位移的效果出現先增大后減小的現象，在工況1 到工況3 階段能逐步從2.50 倍縮小至0.04 倍，在工況4 時縮小為0.12倍。對于不同開挖深度的基坑來說，要求對垂直預應力錨索的預應力大小和安裝位移進行合理設計，以求獲得最佳的支護效果。假如基坑達到某一較大深度時，還需要驗證垂直預應力錨索對加固支護結構的有效性。

本文定義支護樁內側為基坑一側，垂直預應力錨索安裝在支護樁外側，圖5 較好地描述支護樁兩側摩阻力變化規律，樁內側摩阻力基本遵循上段樁摩阻力沿支護樁向下、下段樁摩阻力沿支護樁向上的規律。從圖5（b）中可以看出，由于采用垂直預應力錨索能加強支護樁上段部分與地基土的接觸力，工況1 至工況4 中，樁上段內側摩阻力變化較穩定，與圖5（a）中摩阻力迅速減小形成鮮明對比，同時使得下段較大摩阻力處有一定減小。

圖5 數值模擬下支護樁內側摩阻力圖

數值模擬下支護樁外側摩阻力圖顯示支護樁外側摩阻力在樁上段部分隨工況變化差異性較小，樁下段部分摩阻力方向沿樁向上變化為沿樁向下，主要由于隨著基坑開挖的進展，支護樁外側需要提供更大的摩阻力抵消樁內側摩阻力的損失。采用垂直預應力錨索能增加樁上段部分的外側摩阻力用以抵抗支護結構的水平側移，減小樁下段部分的外側摩阻力，相當于支護結構有著富裕的穩定性，能充分發揮地基土與支護樁之間的穩定作用力。

3 結語

無論采用ABAQUS 有限元分析進行模擬分析還是施工中基坑支護變形監測，均可得出灌注樁+垂直預應力錨索的支護形式優于單一灌注樁支護，支護樁間或樁芯增加垂直預應力錨索，可加強支護樁上段部分與地基土的接觸力，增加樁上段部分的外側摩阻力用以抵抗支護結構的水平側移。根據現場基坑圍護結構位移監測情況顯示，樁頂豎向位移累計最大值為5.93mm，樁頂水平位移累計最大值為20.2mm，支護結構深層水平位移累計最大值為22.62mm，與模擬數據高度吻合。本文介紹的垂直預應力錨索模擬分析，為今后緊鄰紅線基坑支護類似工程提供了參考，在現場應注意結合攪拌樁的施工，完善施工經驗，不斷總結提高。