桩锚支护体系下深基坑开挖过程有限元分析

第29卷第2期 湖南城市学院学报（自然科学版）V ol.29 No.2 2020年3月 Journal of Hunan City University（Natural Science）Mar.2020
桩锚支护体系下深基坑开挖过程有限元分析
曹文峰
(福建农业职业技术学院园艺园林学院，福州 353001)
摘要：基坑施工过程失稳因素多，危险性较大，因此在基坑设计和施工过程中必须考虑内力和变形的发展变化问题﹒运用PLAXIS软件对钻孔灌注桩+三重管高压旋喷(摆喷)桩+预应力锚索支护体系支护条件下
深基坑开挖过程进行模拟计算，分析了基坑水平位移、竖直位移和围护桩内力，并与实测值进行比较﹒结果
表明，利用有限元法可以很好地模拟各开挖工况，计算出基坑的水平位移和竖直位移，围护桩和锚索的轴力、
剪力和弯矩，能够形象直观地反映基坑各工况下的受力状态﹒
关键词：深基坑；桩锚支护；开挖；有限元
中图分类号：TU745.5 文献标识码：A doi:10.3969/j.issn.1672-7304.2020.02.0004
文章编号：1672–7304(2020)02–0010–06
Finite Element Analysis of Excavation Process of Deep Foundation Pit under
Pile-anchor Support System
CAO Wenfeng
(School of Horticulture and Landscape, Fujian V ocational College of Agriculture, Fuzhou, Fujian 353001, China) Abstract: In the process of foundation pit construction, there are many unstable factors and great risks. Therefore, the development and change of internal force and deformation must be considered in the design and the process of foundation pit construction. By using PLAXIS software, the excavation process of the deep foundation pit under the support system of bored cast-in-place pile + triple pipe high-pressure rotary jet (swing jet) pile + prestressed anchor cable is simulated, and the horizontal displacement, vertical displacement and support of foundation pit are analyzed, and compared with the measured value. The results show that the finite element method can simulate the excavation conditions well, calculate the horizontal displacement, vertical displacement of the foundation pit, and the axial force, shear force and bending moment of the retaining pile and anchor cable, and it can visually reflect the stress state of the reaction foundation pit under various working conditions.
Key words: deep foundation pit; pile-anchor support; excavation; finite element
随着城镇化进程的快速推进，高层和超高层建筑在城市中出现的越来越多，基坑工程也随之增多﹒基坑施工是跨学科的复杂系统工程[1]，在勘测、设计、开挖、监测和使用的全过程都面临着各种风险[2]﹒根据过往经验，深基坑的开挖过程危险性较大，特别是在城市范围内，基坑开挖地质环境复杂，受道路及车辆荷载、周边建筑荷载、施工荷载、地下水及各类管线影响较大，且受地形限制不能采用放坡开挖，导致基坑失稳的因素较多，一旦破坏则带来的损失巨大，因此基坑安全等级更高[3-4]﹒
PLAXIS软件是荷兰代尔夫特理工大学(Technische Universiteit Delft，TUD)开发的一款专业的岩土计算和分析软件，主要目的是解决荷兰特有的软土地基开挖问题，迄今已有30多年的历史，在欧洲各国得到广泛运用﹒自该软件引入我国以来，在房屋建筑、市政、公路和铁路等基坑工程中得到了大量运用﹒我国不少学者利用PLAXIS软件对各种深基坑开挖工况进行了模拟分析，较好地指导了基坑开挖施工﹒在基坑变形与内力分析中，常用的方法有极限平衡法和弹性抗力法﹒极限平衡法计算简单，主要应用于内力计算，但是难以计算支护结构的变形；而弹性抗力法可以计算支护结构的变形，但不能计算支护
收稿日期：2019-07-04
基金项目：福建农业职业技术学院科研项目(2018JS008)
作者简介：曹文峰(1982-)，男，安徽蒙城人，工程师，硕士，主要从事道路和桥梁工程研究﹒E-mail:****************
曹文峰：桩锚支护体系下深基坑开挖过程有限元分析
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结构周围土体的变形[5-8]﹒吴建奇等[7]对江冲海积平原地貌下地连墙+内支撑深基坑进行了模拟分析，贾涛等[8]对粉黏土地质条件下某高层建筑深基坑各开挖工况进行了模拟分析，施忠然等[9]对基坑双排桩支护结构进行了有限元分析计算﹒通过他们的研究发现，PLAXIS软件能够很好地解决基坑变形问题﹒通过搜索文献发现，桩+锚+喷复合支护情况下基坑变形情况研究不多﹒本工程基坑采用钻孔灌注桩+三重管高压旋喷(摆喷)桩+预应力锚索复合支护体系﹒本文利用PLAXIS软件，对该基坑各工况下变形情况进行有限元数值模拟分析，研究了桩锚支护条件下深基坑开挖变形规律﹒
1 工况概况
1.1 基坑基本情况
该在建工程位于河南省某市医院内，主体结构为19层(部分20层)的住宅楼，采用剪力墙结构﹒该工程设2层地下室，最大开挖深度9.5m﹒基坑平面呈不规则状，东西最大面宽60.5m，南北最大面宽59.3m，基坑面积较大﹒基坑周边有5幢建筑需要保留，其中1幢永久保留，4幢施工期间临时保留，待施工完毕后拆除﹒基坑安全等级为1级﹒
1.2 地形地貌周边情况
该场地原属山前坡地后经推土和填土平整，地面相对平坦﹒填土年限据可靠记录有10 a﹒场地内及周围分布有污水管、给水管和雨水管等地下管线，均已按照要求进行加固或迁移﹒
1.3 工程地质情况
场区范围内上覆新近人工填土层(Q4ml)、第四系冲洪积层(Q4al+pl)、第四系残积层(Q4el)，下伏上侏罗统凝灰岩(J3ajb)﹒各地层及分布参数见表1﹒
表1 各地层及分布参数
土层序号土层名称层厚/m 天然重度/(kN·m−3) 黏聚力/kPa 内摩擦角/(°)
1 人工填土(Q4ml)
3.9 17.6 12
18
2 砂粉质黏土(Q4al+pl)
2.1 19.0 18 15
3 粉质黏土(Q4el) 12.5 19.5 25
20
4 强风化凝灰岩 4.
5 20.5 30
30
5 中风化凝灰岩 10.5 20.9 -
-
2 基坑支护设计及变形监测方案
2.1 基坑支护设计
本工程±0.000相当于绝对标高15.397 m，现场地周边相对标高−0.90~2.25 m﹒基坑施工前场地将挖土整平至−0.50 m，基坑围护结构的安全等级为1级，基坑支护剖面见图1﹒
图1 基坑桩锚支护剖面
1)经方案比选，基坑围护结构采用钻孔灌注桩+φ1000三重管高压旋喷(摆喷)桩联合预应力锚索支护体系﹒在桩顶采用C25钢筋混凝土压顶冠梁，提高围护桩的整体性﹒
2)排桩采用适应性强、成桩质量好的钻孔桩，钻孔桩直径1.20 m，桩间距1.80 m﹒桩芯混凝土等级为C25﹒
3)基坑内侧在钻孔桩间中点设2排预应力锚索﹒锚索用4根7φ5的钢绞线，水平间距1.2 m﹒
4)在预应力锚索位置分设槽钢腰梁﹒腰梁采用2根28c槽钢，槽钢分上下夹住锚索，槽钢与
围护桩壁面之间用三角垫板并使用膨胀螺栓连接
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﹒2根槽钢与三角垫板焊接，每根槽钢内侧腹板使用钢板加强﹒
5)为确保基坑安全，需加强地表水和地下水的处理措施﹒针对地表水，在基坑顶部适当位置用砖砌筑排水沟，并用水泥砂浆抹面，用以拦截地表水；在基坑底部，沿围护桩侧用砖砌排水沟，并按照要求在基坑底部各拐角点处设置集水井，辅以抽水设备，用以排除基坑内积水﹒
2.2 基坑变形监测
根据相关规范[10-11]要求，结合本工程实际情况，主要监测以下方面的数据：1)坡顶和坡顶建筑物沉降；2)坡顶水平位移；3)坡体侧向位移；4)锚索拉力﹒经方案比选，本基坑监测项目包括坡顶和坡顶建筑物沉降观测点13个；坡顶水平位移观测点10个；坡体侧向位移监测点5个；锚索拉力测试点4个﹒见图2﹒根据上述规范，本坡
图2 施工监测平面
顶水平位移沉降不能超过允许值，若坡顶水平位移和沉降累计超过25 mm 或水平位移速率大于5 mm/d 时，需及时采取措施，防止基坑坍塌﹒
3 开挖过程数值模拟
3.1 模型构建
为了模拟计算的合理和准确性，沿基坑受力最不利边线取一剖面作为研究对象，采用二维模型进行模拟﹒模型采用平面应变，15节点单元﹒根据PLAXIS 操作手册，基坑几何尺寸水平方向−90~＋90 m ，深度0~30 m ，开挖深度0~9.5 m ﹒基坑顶部荷载按25 kN/m 考虑，布置在基坑左侧﹒ 3.2 数据输入及模型建立
根据各土层力学数据和结构体主要参数，建立了PLAXIS 二维分析模型，施加初始应力后生成网格﹒由于在开挖前，已将地下水位降到开挖
面以下0.5 m ，故考虑为排水施工﹒土体材料模型采用摩尔-库伦模型，根据PLAXIS 计算规则，本支护结构灌注桩采用板单元进行模拟，用点对点锚杆单元来模拟锚索自由段，用土工格栅单元来模拟锚索锚固段，土体与结构物之间的界面通过界面强度来定义，计算模型及网格划分见图3﹒ 3.3 单元参数计算
1)板单元参数计算﹒该基坑工程钻孔混凝土灌注桩采用为C25混凝土，直径1.20 m ，间距1.8 m ﹒板单元等效厚度h 计算式为
3
412π64.D t D +=（） (1)
板单元的轴向刚度计算式为
.EA Ed = (2)
板单元的抗弯刚度计算式为
()312.EI E dh = (3)
图3 计算模型和网格划分
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式中：E 为板单元弹性模量，MPa ，取2.80×104；
A 为板单元截面面积，m 2
；h 为板单元等效厚度，m ；ܦ为围护桩直径，m ；t 为桩间净距，m ；d 为计算宽度，m ，本文取1 m ﹒
将以上各参数代入式(1)~式(3)，计算后得出板单元各参数见表2﹒
表2 桩板单元特性参数
板单元厚度/m 轴向刚度EA/(kN·m −1)
抗弯刚度
EI/(N·m −1)
0.878 2.46E+7 1.58E+6 2)锚杆和土工格栅单元参数计算﹒锚索轴向刚度00E A 计算式为
()3
00π2.E A En d = (4)
锚固段轴向刚度EA 计算式为
0011.EA E A E A =+ (5)
式中：E 为钢绞线的弹性模量，MPa ，取1.95×105； n 为钢绞线根数；d 为钢绞线直径，mm ；E 1为注浆段弹性模量，MPa ，本文取2.55×104
；A 1为注浆体截面积，m 2
﹒
本工程中锚索采用4根7×φ5的钢绞线，水平间距1.2 m ﹒将有关参数代入式(4)~式(5)，计算出锚杆及土工格栅的参数见表3﹒
表3 点对点锚杆和土工格栅单元特性参数 轴向刚度EA/(kN·m −1
)
抗弯刚度EI/(N·m −1
)
1.07×105
4.82×105
3.4 基坑开挖工况模拟分析
根据施工组织设计，该基坑开挖主要步骤如下：①钻孔围护桩施工→②三重管旋(摆)喷桩施工→③冠梁施工→④坡顶排水沟、地面排水设施施工→⑤监测点布置→⑥开挖基坑至第1道预应
力锚索处→⑦第1道预应力锚索张拉锁定→⑧开挖基坑至第2道预应力锚索处→⑨第2道预应力锚索张拉锁定→⑩开挖基坑底设计标高﹒根据以上施工步骤和PLAXIS 的计算规则，将本基坑的开挖过程简化为4个工况，分别是：工况1，排桩及旋喷桩施工；工况2，开挖第1层土体到第1道锚索下0.5 m ，设置第1道锚索；工况3，开挖第2层土体到第2道锚索下0.5 m ，并设置第2
道锚索；工况4，开挖第3层土体﹒ 4 计算结果及分析
4.1 基坑变形分析
从图4、图6和图8可知，在基坑开挖过程，基坑水平位移随开挖深度增加而增大，当基坑开挖到设计深度时，其水平位移也发展到最大﹒由于第1道锚索在冠梁下2.4 m 处，围护桩类似于悬臂桩受力状态，因此最大水平位移均在桩顶﹒经计算，工序2施工完毕时，其最大水平位移为3.94 mm ；工序3施工完毕时，其最大水平位移为10.59 mm ；工序4施工完毕时，其最大水平位移为23.09 mm ，均未超过报警值﹒且最大水平位移在基坑顶部已有建筑荷载一侧﹒在工序4施工完毕时，该基坑荷载侧水平位移实测值为18 mm ，比计算值小5 mm ﹒
从图5、图7和图9可知，在基坑开挖过程中，坑底土体处于不断卸载过程中，故坑底竖直位移最大，方向向上﹒经计算，工序2施工完毕时，其最大竖直位移为15.31 mm ；工序3施工完毕时，其最大竖直位移为15.29 mm ；工序4施工
图4 工序2基坑水平位移
图5 工序2基坑竖直位移
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图6 工序3基坑水平位移
图7 工序3基坑竖直位移
图8 工序4基坑水平位移
图9 工序4基坑竖直位移
完毕时，其最大竖直位移为18.77 mm ，均未超过报警值﹒经与监测值比对，该基坑的最大竖直位移为21.8 mm ，比计算值大3.03 mm ﹒
4.2 围护桩内力变化
从图10~图11可以看出，在基坑开挖第1层土体并施工第1道锚索后，围护桩受到坑外土体
图10 工序2~4围护桩弯矩变化
图11 工序2~4围护桩剪力变化
向坑内的推力，故在围护桩上部受正弯矩，下部受负弯矩；随着开挖的进行，最大弯矩点不断下 移，同时由于受到2道锚索的限制，在2道锚索位置处弯矩均明显缩小﹒围护桩剪力的状况与弯矩类似，且随着基坑开挖深度的增加和锚索的加
载，最大剪力点不断下移﹒计算表明，在桩锚支
护体系中，施加预应力锚索后可与围护桩共同承
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受土体压力，并能分担围护桩承受的各种荷载﹒5 结语
1)基坑右侧变形集中在顶部0~5 m范围内﹒基坑左侧由于有地面荷载，故其变形除了集中在围护桩外侧外，还在荷载作用的范围内有位移较大的现象﹒由于第1道锚索设置在冠梁下2.4 m，故围护桩顶部处于悬臂桩受力状态，因此水平位移集中在围护桩顶部位置﹒
2)由于土体的开挖导致基坑卸载，坑底有向上凸涌的趋势，故竖直位移集中在基坑底部，且随着开挖深度的加大，基坑底部竖向位移也随之加大；基坑中部的竖向位移也明显大于围护结构附近部位，因此在开挖坑内土体时，需加强对基坑竖直位移监测，防止坑底破坏﹒在开挖至设计标高时，应及时施作底板，确保基坑安全﹒
3)杆和土工格栅单元可以很好地模拟预应力锚索结构﹒从分析情况来看，在注浆体部位、锚索与围护桩结合部位都存在着应力集中现象﹒因此在施工时需加强对注浆体、锚索与围护桩结合部位的施工质量检验和监测﹒
通过合理确定土体参数及围护桩和锚索结构参数，运用PLAXIS有限元软件不仅可以很好地模拟各开挖工况，还可以计算出基坑的水平位移和竖直位移，并能够计算出围护桩、锚索的轴力、剪力和弯矩，按照要求绘制出需要的弯矩图、剪力图和轴力图，能够形象直观地反映出基坑各工况下受力状态，较好地指导基坑开挖施工过程﹒参考文献：
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(责任编校：陈健琼)。