基坑开挖对围岩锚杆应力的影响规律.pdf

基坑开挖对围岩锚杆应力的影响规律李立军孙海滨顾 诚喻德良(中建二局第三建筑工程有限公司北京)收稿日期:作者简介:李立军()男河北唐山人专科注册一级造价师一级建造师主要从事建筑施工工作摘 要:由于基坑旁存在隧道在基坑开挖过程中基坑周围的土体因开挖卸载而向基坑内变形从而引起隧道的变形隧道的支护结构可以保证隧道的变形稳定性因此有必要研究基坑开挖引起的隧道锚杆支护结构的应力 采用数值模拟方法研究了基坑与隧道之间的距离以及基坑开挖的宽度和深度对隧道锚杆应力的影响结果表明:当隧道与基坑之间的距离发生变化时锚杆的轴向力也相应发生变化左侧锚杆的轴向力先增大后减小最大的轴向力位于锚杆的中部随着基坑开挖宽度的增加左侧锚杆的应力变化不大对于左侧锚杆随着开挖深度的增加左侧锚杆的应力不是单调增加而是呈现先增加后减少的趋势当开挖深度超过一定值时开挖深度对土壤侧向位移的影响逐渐减小随着开挖深度的增加顶部锚杆的轴向力先减后增关键词:基坑开挖围岩锚杆应力中图分类号:文献标志码:文章编号:():/引 言目前已有众多学者关注基坑开挖对附近地铁隧道的影响但大多数结果是根据实际工程经验得出的 通常基于现场数据、半实证和半理论公式对地下工程进行定性分析魏云霞提出了一种新的纵向结构模型来考虑环之间的剪切位错但由于定量分析和计算有限无法进行基坑施工过程的模拟计算 魏纲等发现基坑侧壁的位移、基坑挡土的变形以及基坑回填土的沉降会导致地下管线的水平位移张晋梅等认为基坑与隧道的距离程度会改变围岩的水平位移主要表现为横向变形 张卫兵等发现基坑开挖对相邻隧道有明显影响尤其是水平位移 周勇等通过基坑开挖相邻建筑物开裂的工程案例研究了刚柔支撑基坑对邻近建筑物结构安全的影响并探讨了开裂原因和预防措施 另一方面随着数值计算的发展许多学者编写了数值模拟软件来研究基坑开挖与相邻隧道的相互作用 韩贵等采用数值模拟方法模拟隧道上方基坑的开挖过程结果与现场实测数据基本一致 孙振宇等通过数值模拟研究了基坑开挖的尺寸效应和空间效应 黄亚钟等使用 软件建立了一个三维数值计算模型以模拟建筑物深基坑的开挖效果并与二维模型进行比较综上所述理论或数值分析方法已被广泛用于研究基坑开挖对相邻地铁隧道的影响 然而基坑开挖周边地质条件复杂深基坑开挖对相邻地铁隧道的影响研究并不系统完善尤其是支护隧道 因此本研究以某工程案例为背景通过数值模拟分析了深基坑开挖的全过程探讨了基坑开挖影响下相邻地铁隧道锚杆的轴向应力特性研究结果可为同类工程提供参考 数值计算模型及工程概况.工程概况本文研究对象为某地铁 号线 左线起止距离为左.左 .右线起止距离为右 .右 .左右线总长度分别为 .和.隧道段为单孔单线圆形隧道盾构施工采用锚杆加固 最小平曲线半径为 线距范围为.隧道最大纵坡.顶部埋深.基坑面积约 地铁隧道结构顶部至基坑底部的距离约为.最近的水平距离约为.屋盖埋深约.基坑开挖深度约.基坑采用明挖法施工采用 工法支撑 基坑与隧道的位置关系如图 所示图 基坑与隧道的位置关系.数值计算模型本文主要使用 开发的 软件研究基坑开挖对围岩锚杆应力的影响 基于有限差分法可以描述土壤和工程材料的三维构成模型 根据模拟计算分析的力学特点在 中可以准确模拟材料的弹塑性变化或流动过程广泛应用于隧道、边坡、矿山、硐室等岩土工程的计算分析 基坑土体物理参数见表 本文重点分析隧道和基坑之间的相互作用表 土体物理参数内聚力/内摩擦角/()容重/()变形模量/泊松比.目前锚杆在隧道工程中被广泛使用当隧道变形时锚杆也会变形并产生支撑应力 因此隧道的变形稳定性可以通过监测锚杆的应力变化来反映 利用 建立数值计算模型如图 所示并将 准则(摩尔库仑准则)赋予该模型 在建模中隧道周围的网格被加密该模型包含 个网格有 个节点 模型的左侧和右侧受到法线边界条件的约束模型的底部受到 个方向的位移约束 隧道的直径为 深度为 基坑旁边有隧道基坑开挖过程中由于开挖卸荷基坑周围的土体变形进入基坑导致隧道变形 隧道的支护结构可以保证隧道的变形稳定性因此有必要研究基坑开挖引起的隧道锚杆支护结构的应力 锚杆布置完成后进行混凝土喷射 隧道锚杆力学参数如表 所示图 数值模型表 锚杆参数锚杆直径/锚杆面积/锚杆抗拉强度/锚杆预应力/锚杆长度/锚杆之间的角度/().围岩锚杆轴向力影响因素的敏感性分析.基坑和隧道之间的距离将基坑与隧道之间的距离()分别设定为、选择隧道的左侧锚杆和顶部锚杆作为监测对象记录施工过程中锚杆轴向力的变化当基坑旁有 个隧道时隧道要用锚杆加固 基坑开挖后基坑周围的土体往往会向基坑内移动 此时隧道左侧的土体也趋向于向基坑内移动如图()所示(以 为例)基坑开挖后隧道周围的土体呈负向移动进入基坑且左边的锚杆逐渐被拉伸并承受拉应力显示为正值如图()所示 此外基坑右侧顶部的水平位移是最大的然而隧道周围 倍锚杆直径范围内的土壤也受到影响从锚杆轴向力的分布可以看出沿锚杆长度方向轴向力的分布并不均匀而是呈现先增后减的趋势()基坑开挖后土体位移()开挖后锚杆的轴向力分布图 锚杆轴向力分布当隧道与基坑之间的距离发生变化时锚杆的轴向力也相应发生变化 利用 中的 功能导出左侧锚杆的应力如图 所示 从图中可以看出左侧锚杆的轴向力均为正值进一步表明锚杆处于拉伸状态随锚杆长度增加轴向力先增大后减小最大的轴向力位于锚杆中部当(基坑与隧道之间的距离)为 时锚杆的轴向力最大达到 随着 的增加锚杆的轴向力逐渐减小不同 条件下锚杆最小轴向力分别为、进一步表明 越大基坑与隧道之间的距离越大基坑开挖的影响越小即隧道周围土体的变形越小因此相应的锚杆轴向力越小此外为进一步研究 对隧道顶部锚杆的影响同样利用 中的 功能导出不同 条件下顶部锚杆的轴向力如图 所示可以看出顶部锚杆的应力分布与左侧锚杆相似轴向力沿锚杆长度方向先增大后减小锚杆的最大轴向力出现在锚杆的中部最大值为 当基坑未开挖时锚杆承受拉力但随着基坑的开挖由于开挖的回弹作用锚杆受到挤压导致拉力下降 然而随着 的增加基坑开挖引起的回弹效应减少所以锚杆的应力继续增加此外在 均匀变化的过程中锚杆的轴向力呈现出不均匀的特点 当 时锚杆轴向力的变化很小 进一步表明当 时隧道的开挖效应可以忽略不计 因此在实际施工中为了减少基坑开挖对隧道的影响建议两者之间的距离应控制在 以上图 左侧锚杆轴向力变化图 顶部锚杆轴向力变化.基坑宽度为进一步分析基坑开挖宽度对隧道锚杆的影响将基坑开挖宽度设定为 研究不同开挖宽度下隧道左、顶部锚杆的轴向力如图 所示 从图()中可以看出左侧锚杆沿不同基坑宽度条件下的变化幅度较小表明基坑宽度对左侧锚杆无明显影响基坑开挖导致土体在基坑内水平移动而基坑开挖的宽度并不影响土体的水平位移 当锚杆长度为 时轴向力达到最大(平均值为.)而随着锚杆长度越长轴向力下降越明显当锚杆长度为 时轴向力在不同基坑宽度条件下平均达到.此外通过比较顶部锚杆和左侧锚杆的应力可以看出左侧锚杆的应力要比顶部锚杆大得多 这是因为隧道左侧有基坑开挖所以土体变形主要是由水平位移引起的且由于土体开挖的回弹作用导致隧道顶板锚杆的轴向力值较小 同时可观察出锚杆轴力随长度先增大后减少不同顶部锚杆长度的轴向力最大值分别为.、.、.、.、.()不同基坑宽度的左锚杆轴向力()不同基坑宽度的顶部锚杆轴向力图 左锚杆和顶部锚杆轴向力.基坑深度为了分析基坑开挖深度对隧道锚杆的影响将基坑开挖深度设定为 由于开挖深度对土体回弹有很大影响隧道顶部的锚杆所承受的载荷变化很大 因此研究了不同开挖深度下隧道顶部锚杆和左侧锚杆的轴向力如图 所示 从图中可以看出开挖深度对锚杆轴向力的影响规律与开挖宽度相同 对于左侧锚杆随着开挖深度的增加左侧锚杆的应力不是单调增加而是呈现出先增加后减少的趋势 这是因为当基坑开挖深度发生变化时基坑右侧最靠近隧道的界面尺寸发生变化这时土体进入基坑的水平位移也发生变化且不同锚杆长度的最大轴向力分别为:.、.、.、.、.、.最大轴力发生在锚杆长度为 的位置上 而对于顶部锚杆锚杆轴力则随着基坑深度增加呈先降低后增大趋势基坑深度为 时轴力达到最小主要原因为开挖深度较小时土体位移变化不明显易导致锚杆轴力发生较小变化 而当开挖深度超过一定值时开挖深度对侧向土位移的影响逐渐减小 当开挖深度达到 时对轴向力的影响最大最大锚杆轴力已达到.()不同基坑宽度的左锚杆轴向力()不同基坑宽度的顶部锚杆轴向力图 左锚杆和顶部锚杆轴向力图 为基坑开挖引起的土体垂直位移可以看出基坑开挖引起的土体回弹效应比较明显土体的垂直回弹效应对左侧锚杆的轴向力影响不大但对顶部锚杆的轴向力有很大影响 这是因为隧道开挖后顶部的土体由于卸荷而向下移动这时锚杆与土体相互作用承受轴向拉力 随着开挖深度的增加顶部锚杆的轴向力先减少后增加 这是因为当基坑的开挖深度较小时回弹效应对隧道顶板的位移有很大影响 这时由于土壤的回弹效应锚杆的轴向力下降 当开挖深度较大时由于开挖面离隧道较远其影响相对较小 因此随着开挖深度的增加锚杆的轴向力也增加()()()图 开挖深度对土壤垂直位移的影响 结 论)当隧道和基坑之间的距离发生变化时锚杆的轴向力也相应发生变化 左侧锚杆的轴向力先增大后减小最大的轴向力位于锚杆的中间位置 当 为 时锚杆的轴向力最大随着 的增加锚杆的轴向力逐渐减小)顶部锚杆的应力分布与左侧锚杆相似 随着 的增加基坑开挖引起的回弹效应减少所以锚杆的应力继续增加 当 大于一定值时锚杆轴向力的变化很小 这表明当 大于一定值时隧道的开挖效应可以忽略不计)随着基坑开挖宽度的增加左侧锚杆的应力变化不大 这是因为基坑开挖导致土体在基坑内水平移动而基坑开挖的宽度并不影响土体的水平位移)对于左侧锚杆随着开挖深度的增加左侧锚杆的应力不是单调增加而是呈现先增加后减少的趋势 当开挖深度超过一定值时开挖深度对土体侧向位移的影响逐渐减小 随着开挖深度的增加顶部锚杆的轴向力先减后增:参 考 文 献:魏云霞.基坑开挖对周边环境的影响分析.兰州理工大学学报():.魏纲赵毅孙樵.基坑开挖引起带抗浮锚杆的盾构隧道变形计算.中南大学学报(自然科学版)():.张晋梅张震仇荔斐.基于修正 模型考虑非饱和效应的基坑开挖.科学技术与工程():.张卫兵张刚柱韩自刚等.基于 本构模型的银川地区深基坑开挖 降水过程数值分析.水资源与水工程学报():.周勇李康.基于开挖过程的深基坑桩锚支护结构位移的数值模拟分 析 .兰 州 理 工 大 学 学 报():.韩贵赵磊马宏图.兰州市某深基坑锚杆支护开挖过程数值分析.科技创新与应用():.孙振宇张顶立刘道平等.锚固体系作用下隧道围岩力学响应的全过程解析.工程力学():.黄亚钟韦芳芳秦洋.端头锁定对锚杆受力影响的理论及数值分析.河南科学():.