深基坑桩-锚支护稳定性模拟研究

摘要：以分析深基坑支护理论为基础，概述了常用的几种计算基坑受力与变形的方法和有限元理论及其特点与适用范围。以郑州市某工程为例，将深基坑的支护与开挖简化为平面应变问题来进行FLAC软件数值模拟计算。根据计算结果，分析支护结构的受力和变形规律。在此基础上，通过调整桩长作进一步计算，以分析桩长对支护结构变形的影响。得出合理的模拟结果，验证有限元模拟的合理性。

关键词：深基坑桩-锚支护FLAC数值模拟

中图分类号：TV551.4文献标识码： A

1引言

21世纪以来，多种基坑支护类型得到了广泛的应用，联合支护也随之得到很多专业人士的青睐，随之出现了时空效应理论，基坑支护技术有了飞速发展。高层建筑的大量兴起和城市地下空间的开发利用，使得深基坑开挖与支护难度日益增大，也促使了深基坑工程分析方法和施工工艺的发展。基坑工程的重要性和复杂性日益突出。目前的深基坑研究尚缺乏成熟技术规范的指导，主要是用半理论半经验的方法解决问题。在基坑工程支护设计中，经验公式相关系数的不合理选取，导致基坑事故时有发生。因此，加强对深基坑计算理论及数值模拟方法的研究，合理模拟深基坑工程的基本过程，提高其指导基坑工程实践的科学性，具有重要的理论和工程实践意义。

2深基坑数值分析方法

数值模拟分析的核心是土的本构关系。计算机应用及计算技术手段的迅速发展极大地推动了非线性力学理论、数值计算方法和土工试验的快速发展，为在岩土工程中进行非线性、非弹性数值分析提供了可行性，这给土的本构关系的研究以极大的推动。

目前岩土数值计算的方法归纳起来，主要有极限平衡法、有限元法、工程简化分析法和经验设计法等[1]。

3桩-锚式支护结构计算理论

3.1桩-锚支护的构成

拉锚式围护结构由挡土结构与锚固部分组成。其挡土结构与悬臂式围护结构相同，主要为钢筋混凝土排桩或地下连续墙。一般大型深的基坑，周围有建筑物而不允许有较大的变形的基坑，以及不允许设内撑的基坑，都可优先考虑选用拉锚式围护结构[2,3]。

3.2桩-锚式支护结构计算方法

多层锚杆支护桩的计算方法较多，例如等值梁法、山肩邦男法、二分之一分担法、逐层开挖支撑力不变法、弹性地基梁法(m法)、有限元算法等。其中等值梁法和弹性地基法在工程中较为常用[4]。

3.3桩-锚支护结构稳定性分析

在实际工程中不仅要对支护结构的荷载及其内力进行分析验算，还需要进行基坑稳定性验算。基坑的稳定性验算是基坑支护设计的重要内容之一，包括边坡整体稳定性、抗隆起稳定性、抗渗流稳定性验算等。基坑稳定性验算主要是计算基坑在内、外荷载作用下是否会丧失稳定，即我们所说的失稳。

深基坑整体稳定性分析实际上是对具有支护结构的深基坑土体的分析，通过分析确定保证深基坑土体稳定时的支护结构嵌固深度。常用的是瑞典条分法与毕肖甫条分法。

4工程实例

4.1工程概况

拟建建筑面积为134286m2，由两栋28层塔楼和5层裙房及地下车库组成，开挖深度约15.0～17.0m。±0.00标高为60.750m，基坑边缘地面平均标高相当于±0.00标高。预计采用框架剪力墙结构，基础形式为筏基或桩基。

场地复杂程度等级为二级，地基复杂程度为二级，勘察等级为甲级，基坑四周距基坑4～10m存在上水、煤气、雨水、污水管线。在技术保证和处理方面需要高度重视为防止降水引起附近地面沉降过大影响管线及周边建筑物的正常使用功能。

根据该场地工程勘察结果，勘探深度范围内地层以第四系冲洪积及第三系冰积地层为主。基坑设计选用的参数详表1。

据区域水文地质资料，勘察场区地下水历年变化不大，略呈下降趋势。施工前采用井点降水法将地下水降至基坑开挖深度以下约0.5m。

4.2数值分析

4.2.1参数选取和模型确定

由于本基坑开挖面较大，选取基坑南端作为分析对象，用FLAC进行数值模拟。该剖面开挖深度为16m，施工荷载15kPa，距坑边缘3.0m，条形荷载宽度取15.0m，基坑开挖距护坡桩预留1200mm。护坡桩设计为：桩径φ1000mm，桩距1.40m，连梁顶位于地面，桩长23.0m，嵌固7.0m。设三层锚杆。

基坑土体在护坡桩和锚杆作用下的变形与锚杆拉力及施工过程紧密相关，整个分析过程按照模拟基坑开挖，每步开挖后进行平衡计算。具体施工步骤为：

第一步开挖：基坑深度5.00m，在-4.50m处施加第一道锚杆；第二步：基坑深度8.50m，在-8.00m处施加第二道锚杆；第三步：基坑深度12.50m，在-12.00m处施加第三道锚杆；第四步：基坑深度16.0m，护坡桩嵌固深度为7.0m。

基坑模型整体宽度取100.0m，深度取50.0m，由于此问题为对称平面应变问题，在建立几何模型时只选取模型的一半为研究对象。

结合实际工程地质条件，选用理想弹塑性本构模型。模型中土的破坏准则采用莫尔－库仑(Mohr－Coulomb)屈服准则描述，锚杆采用FLAC软件中的锚索(Cable)单元进行模拟，喷射混凝土面层则采用梁(Beam)单元进行模拟，护坡桩采用(pile)单元进行模拟。模型两边节点约束水平方向自由度，底部节点约束全部自由度，最终生成施加了边界约束条件的有限元模型如图1所示。

图1 生成的有限元模型

为简化计算，具体计算方案为：首先将模型全部按土体材料参数设定，并将其在X、Y、Z三个方向上的位移设定为0，每一次开挖以后设定一下材料参数，比较严格地按实际施工顺序进行。

4.2.2应力场的平衡

由勘察报告可知，该场地土层分布较简单，基坑在开挖以前受力均匀，初始应力场如图2 。开挖后应力场如图3。

图2初始地应力场

图3 开挖后地应力场

从应力云图中可以看出，模型的初始竖向应力沿高度均匀分布。模型表面的竖向应力基本为0，而随着深度的增大，竖向应力的数值(绝对值)逐渐增大。随着开挖，应力逐渐释放。这个模拟计算结果与实际应力状态的基本规律相符。

4.2.3基坑开挖支护过程模拟

基坑的开挖，扰动了土体初始应力场，导致土体应力重新分布。开挖面上初始应力的释放导致基壁和基底发生水平和竖直位移。其中的水平位移很容易“踢脚”或拉杆断裂，因此基坑壁的水平变形位移应作为基坑支护设计的重点因素考虑。图4与图5分别为第一步与第四步开挖支护结束后，节点的水平位移云图。负值表示位移方向朝向基坑内侧，正值为基坑外侧。

图4第一步开挖完成后水平方向位移云图

图5第四步开挖完成后水平方向位移云图

4.3桩身变形分析

根据图所示的模拟结果可知，基坑开挖引起了桩移，桩移随着开挖过程和锚索的设置位置而发生变化。

当桩长为23.0m时，负向弯矩最大位置发生在13.96m处，最大值为779kN·m。小于设计值822kN·m，结果满足设计要求。

5结语

通过对基坑工程实例的数值模拟分析，并将分析结果与实测资料进行比较，说明支护桩与锚杆采用pile和cable单元模拟基坑开挖支护过程，以及分析支护桩体系的受力、位移及桩周土、地表土移是一种行之有效的方法，得出了不同嵌固深度对基坑支护结构的影响规律。而且内力与位移计算的误差较小。同时结果表明，有限差分法结果更贴近实测结果。说明此方法可更方便而准确地应用于各种支挡结构位移和内力的计算，也可模拟不同参数变化的开挖过程，分析结果更可靠，比传统分析方法具有更广泛的适用性。

参考文献：

[1] 张伟峰.高层建筑深基坑支护法的综合运用[J].施工技术，2003，32(8)：28~29.

[2] 郭礼士，张琳.深基坑桩锚支护体系优化设计浅析[J].资源环境与工程，2005，8，19(3)：185~187.

[3] 田毅，何树，杨国栋.弹性抗力“m”法对单排灌注支护桩的设计应用[J].昆明理工大学学报，2000，2，25(1)，68-70.