深基坑桩锚支护数值模拟研究_林文利.pdf

广东土木与建筑GUANGDONG ARCHITECTURE CIVIL ENGINEERING2023年3月第30卷 第3期MAR 2023Vol.30 No.3DOI:10.19731/j.gdtmyjz.2023.03.012作者简介：林文利（1995-），男，硕士研究生，助理工程师，主要从事有关工程地质与岩土工程研究。E-mail：0引言近年来，在建筑高度逐渐增加，地下空间工程也逐渐加深的趋势下，建筑不再只局限于平面，三维空间的利用已经成为当今城市建设的主要方向1。城市地下空间的开发和利用对于解决城市矛盾，改善城市环境以及城市面貌具有重要意义2。随着基建行业的快速发展，深大基坑工程的建设量逐年上升，而受周围环境因素的影响，深基坑支护稳定性逐渐成为学者的研究焦点3-5。桩锚支护体系作为一种新型支护结构，其具有较强的适用性，在当前岩土工程深基坑施工中得以广泛的应用6-7。由于深基坑工程具有很强的时空效应，其内力和位移不断变化，施工中会有许多不可预见的条件。针对这些情况，传统的计算方式并不能充分满足现实需求，而有限元理论的产生能够有效解决此类问题8。通过对深基坑支护结构的数值模拟进行必要的分析，总结出深基坑支护设计与施工的特点以及规律，并对深基坑工程的施工提出合理化的指导性建议。这对于未来基坑工程的发展具有很强的现实意义。文章以基坑变形基本理论为基础，运用了 MIDAS/GTS NX 有限元数值模拟软件，以北京市丰台区某深基坑为背景，建立了其桩锚支护结构开挖施工的有限元模型，研究了“围护桩+预应力锚索”支护结构在开挖过程中的基坑以及支护结构变形规律，并且总结了一些控制变形的有效措施，对类似工程实践具有指导作用。1工程概况1.1工程总体概况本工程位于北京市丰台区，包括高层精装修住宅、高层精装修公寓、低密住宅以及周边的防护绿地等，拟建建筑物为现浇钢筋混凝土框架-剪力墙结构，基础形式为筏型基础。工程自然地面标高38.09 m，基坑开挖深度为3.1318.90 m，基坑周长约为605 m，开挖面积约16 800.4 m2。1.2工程地质概况本场地的各土层参数如表1所示。1.3典型剖面介绍由于本文主要针对桩锚支护剖面进行数值模拟深基坑桩锚支护数值模拟研究林文利1，曾启强1，刘金水1，颜港归1，梁高2（1、广州市城市规划勘测设计研究院广州510060；2、海南海大工程检测科技有限公司海口570228）摘要：桩锚支护作为一种在深基坑工程应用范围广泛、支护效果较好的支护形式，具有极大的研究意义。文章以基坑变形基本理论为基础，运用了MIDAS/GTS NX有限元数值模拟软件，以北京某深基坑为研究对象，建立了其桩锚支护结构开挖施工的有限元模型，研究了“围护桩+预应力锚索”支护结构在开挖过程中的基坑以及支护结构变形规律。研究发现基坑分步开挖对其变形会产生非常大的影响，而桩锚支护形式能有效限制支护结构与周围土体的水平位移；坑底隆起值、地表沉降值、桩顶水平位移值均与基坑开挖深度正相关；考虑到基坑变形的时空效应，可以采用分小段、分层开挖支护的方法减小变形。关键词：深基坑工程；基坑变形；桩锚支护；数值模拟；有限元法中图分类号：TU753.8文献标志码：A文章编号：1671-4563（2023）03-051-03Numerical Simulation of Pile Anchor Support in Deep Foundation PitNumerical Simulation of Pile Anchor Support in Deep Foundation PitLIN Wenli1，ZENG Qiqiang1，LIU Jinshui1，YAN Ganggui1，LIANG Gao2（1、Guangzhou Urban Planning Survey and Design InstituteGuangzhou 510060，China；2、Hainan Haida Engineering Testing Technology Co.，Ltd.Haikou 570228，China）AbstractAbstract：As a kind of support form with wide application scope and good support effect in deep foundation pit engineering，pile anchor support has great research significance.Based on the basic theory of foundation pit deformation，uses MIDAS/GTS NX finite elementnumerical simulation software，takes a deep foundation pit in Beijing as the research object，establishes the finite element model of the excavation construction of its pile anchor support structure，and studies the deformation law of the foundation pit and the support structure duringthe excavation process of the“enclosure pile+prestressed anchor cable”support structure.It is found that the excavation of the foundation pitin steps will have a great impact on its deformation，and the pile anchor support can effectively limit the horizontal displacement of the support structure and the surrounding soil；The heave value of the pit bottom，the surface settlement value and the horizontal displacement value of the pile top are all positively correlated with the excavation depth of the foundation pit；Considering the time-space effect of foundation pit deformation，the method of excavation and support in sections and layers can be adopted to reduce the deformation.Key wordsKey words：deep foundation pit engineering；deformation of foundation pit，pile anchor support；numerical simulation，finite element51林文利，等：深基坑桩锚支护数值模拟研究MAR 2023 Vol.30 No.32023年3月 第30卷 第3期与分析，故特此介绍该剖面设计情况，支护设计参数如表2所示。2桩锚支护结构的数值模拟分析2.1假设条件为突出研究的核心内容，做如下假设：同一种材料为均质、各向同性材料；土体的初始应力按静止土压力计算，开挖前土体原始应力和形状的改变不予考虑；由于在此基坑施工过程中地下水影响较小，所以不考虑地下水位。2.2模型建立与边界条件在此次有限元模拟中，模型材料根据实际情况设定，土层采用各向同性修正摩尔-库伦材料模型，桩与锚杆采用各向同性弹性材料模型。在有限元模型方面，对于护坡桩采用梁单元，对于土层采用平面应变模型，对于锚杆采用植入式桁架。众所周之，基坑开挖问题的真实边界条件应该是无穷远处的位移为09，而在使用软件进行有限元分析时，常取开挖附近一定范围内的土体进行分析。在使用有限元数值模拟软件来对基坑工程进行数值模拟时，基坑开挖影响宽度一般取为开挖深度的34倍，影响深度一般取为开挖深度的 24 倍10。由于本次开挖最大深度为18 m，本次数值模拟的模型建立时，此次数值模拟设定的开挖影响深度为52 m，而开挖影响深度则为40 m。在网格的划分上，本有限元模型对上层土层采用渐变进行尺寸控制，靠近护坡桩一侧较密，尺寸为1，远离护坡桩一侧较稀疏尺寸为2。本文中使用的有限元模型所设定的边界条件为底面边界条件完全固定，地表不设边界，两侧的边界条件为法相约束。建立的有限元模型如图1所示。2.3各工况数值模拟在进行施工阶段模拟之前，先计算出本剖面的初始应力场，然后激活围护桩结构开始进行分步开挖支护，并按开挖支护情况，按步激活锚杆，钝化土层。每步的开挖深度按照给锚杆的施工预留出1 m高的工作面来确定。按此原则，本次开挖支护总共可分为11个工况，如表3所示。3模拟结果分析将上述数值模拟模型中，将地 表 距 离 桩 顶5 m处取作A点，10 m处取作B点，15 m处取作C点，20m处取作D点。则A、B、C、D各点竖直位移值整理后如图2所示。观 察 图 2，不难发现地表沉序号1234567891011土层类别杂填土黏质粉土粉质黏土粉质黏土黏质粉土粉质黏土细中砂粉质黏土卵石圆砾粉质黏土细中砂容重/kNm-317.519.219.619.520.219.520.419.821.019.420.5黏聚力/kPa513272812280290350内摩擦角/827151528153214431836厚度/m1.53.36.23.62.23.52.04.56.72.55.0深度/m01.51.54.84.811.011.014.614.616.816.820.320.322.322.326.826.833.533.536.036.041.0表1工程地质情况Tab.1Engineering Geology位置基本参数桩主筋第一道锚杆（34.09 m）第二道锚杆（30.09 m）第三道锚杆（26.59 m）第四道锚杆（23.59 m）第五道锚杆（21.09 m）基坑北段、东段和分期施工线处桩径800 mm/桩间距1.5 m/桩长27.5 m/桩顶标高38.09 m1825（表示HRB400钢筋）锚杆间距1.5 m（一桩一锚），锚杆长度26.0 m，锚固段15.0 m，夹角15，轴力标准值376 kN，锁定值300 kN，锚索为3根15.2 mm2（1860级）钢绞线。腰梁采用2根25b工字钢。锚杆间距1.5 m（一桩一锚），锚杆长度25.5 m，锚固段16.0 m，夹角15，轴力标准值490 kN，锁定值355 kN，锚索为4根15.2 mm2（1860级）钢绞线。腰梁采用2根25b工字钢。锚杆间距1.5 m（一桩一锚），锚杆长度27 m，锚固段19.0 m，夹角15，轴力标准值694 kN，锁定值480 kN，锚索为6根15.2 mm2（1860级）钢绞线。腰梁采用2根25b工字钢。锚杆间距1.5 m（一桩一锚），锚杆长度26.5 m，锚固段20 m，夹角15，轴力标准值704 kN，锁定值490 kN，锚索为6根15.2 mm2（1860级）钢绞线。腰梁采用2根25b工字钢。锚杆间距1.5 m（一桩一锚），锚杆长度21 m，锚固段16.0 m，夹角15，轴力标准值323 kN，锁定值250 kN，锚索为3根15.2 mm2（1860级）钢绞线。腰梁采用2根25b工字钢。表2基坑支护设计参数Tab.2Design Parameters of Foundation Pit Support图1有限元模型Fig.1Finite Element Model52广东土木与建筑MAR 2023 Vol.30 No.32023年3月 第30卷 第3期降值的变化与土体开挖有着密切关系。基坑内土体的每一步开挖都使得地表沉降值有所增大。这是因为土体的开挖，导致了护坡桩桩体向左位移增大，护坡桩外侧的土层所产生的地层损失也有所增大，进而致使护坡桩外侧土层所产生的沉降值也进一步增大。而每一步锚固对于护坡桩外侧的地表沉降值都无明显影响。将坑底隆起最大值点作为监测点，则各个施工阶段坑底隆起的最大值整理后如图3所示。由图3可知，坑底隆起最大值与基坑的开挖深度有着明显的关联性，并且呈现出正相关关系。也就是说，随着基坑开挖深度的增大，坑底隆起最大值也有所增大。使得坑底隆起最大值呈现出这一规律的原因有两个：随着基坑开挖深度的增大，开挖面上方转移走的土体增多，开挖面上卸掉的来自土体自重的载荷也越大，着就导致了坑底土体的回弹值有所增大；由于基坑的开挖，导致护坡桩有了向开挖侧移动的趋势，挤压基坑内测的土体，这进一步加大了坑底土体的隆起值。每一步锚固对于坑底隆起最大值均无明显影响，坑底隆起最大值基本不变。取桩顶为监测点，各个施工阶段桩顶位移模拟值与测量值整理后如图4所示。由图4可知，桩顶位移变化趋势基本相同，都为开挖后桩顶增大，进行锚固后桩顶位移有减小趋势。这是因为随着基坑内土体开挖，施加在桩身上的侧向压力逐渐减小，使得桩身向基坑侧位移。而在锚固后，随着锚索施加应力，桩身相较锚固前位移得到控制。总体来说，锚索的张拉对于桩身位移的控制效果较为明显。4结论与建议文章着重研究了不同开挖以及支护情况下基坑和支护结构的变形规律，主要包括：基坑坑底隆起值变化、支护结构水平位移变化和地表沉降变化等变形规律。通过比较分析不同工况下的变形情况，可以得出以下结论与建议：基坑分步开挖对其变形会产生非常大的影响。考虑到基坑变形的时空效应，可以采用分小段、分层开挖支护的方法，以期减小墙体外侧土体的水平位移、地表沉降量以及坑底隆起值等变形。坑底隆起值与开挖深度成正相关关系，地表沉降值也与开挖深度成正相关关系。即随着开挖深度的增大，坑底隆起值与地表沉降值均有所增大。桩锚支护形式能有效限制支护结构与周围土体的水平位移。随着开挖的进行，护坡桩受到的主动土压力增大，产生作用在护坡桩两侧的压力差增大，会增大桩的水平位移值，并对周围土层的变形产生一定影响。在使用MIDAS/GTS NX进行有限元数值模拟时，只要选取适当的参数，建立合理的模型可以有效模拟并且预测出基坑和支护结构的变形趋势，但软件本身也存在着模型不全面、计算结果受网格划分方式影响等问题，因此可能导致在变形大小上相比于实际测量值并不准确。参考文献1 李成禹.深基坑工程施工安全专项方案应该论证的内容探讨 J.建筑安全，2020，35（10）：4-8.图3坑底隆起最大值折线Fig.3Maximum Pit Bottom Rise500坑底隆起值/mm开挖1 锚固1工况类型40开挖2 锚固2开挖3 锚固3开挖4锚固4 开挖5锚固5302010图4桩顶水平位移折线Fig.4Broken Line of Pile Top Horizontal Displacement0桩顶水平位移值/mm打桩 开挖1 锚固1工况类型模拟值开挖2 锚固2开挖3 锚固3 开挖4 锚固4 开挖5锚固5测量值-5-105-15-20图2地表沉降值折线Fig.2Broken Line of Surface Settlement Value500地表沉降值/mm打桩 开挖1 锚固1工况类型40A点开挖2 锚固2开挖3 锚固3开挖4锚固4 开挖5锚固5B点C点D点302010表3数值模拟工况Tab.3Numerical Simulation Working Condition工况号1234567891011工况类型护坡桩成桩开挖1锚固1开挖2锚固2开挖3锚固3开挖4锚固4开挖5锚固5深度/m27.55.04.09.08.010.511.515.514.518.017.0锚杆编号-第一道-第二道-第三道-第四道-第五道（下转第92页）53因永临结合钢管桩平台的所有上覆荷载均由钢管桩两侧牛腿与钢管桩之间的焊缝承担，在方案设计时应充分考虑其设计承载力，适当提高安全系数，并做好结构受力计算，在现场施工时更应着重检查该部分的焊接质量，以此保证施工平台的安全稳定性。参考文献1 杨凯.钢栈桥及钻孔平台施工方法探讨 J.低碳世界，2017（7）：224-226.2 张远东.高桩码头施工中桩基平台的施工技术探讨 J.沿海企业与科技，2010（5）：128-129.3张健，朱玉可.桩基平台施工技术在高桩码头工程中的应用 J.珠江水运，2022（8）：87-89.4郭梅辉.某高桩码头工程钢栈桥及钻孔平台施工技术 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