桩锚支护基坑工程变形特性研究_谷复光.pdf

第 卷 第 期 年 月吉 林 建 筑 大 学 学 报 收稿日期：基金项目：吉林省教育厅科学技术项目（）作者简介：谷复光（），男，吉林省长春市人，副教授，博士，：桩锚支护基坑工程变形特性研究谷复光，孙国旭吉林建筑大学 测绘与勘查工程学院，长春 摘要：本文根据吉林省人民医院实际的工程地质条件进行建模分析，通过使用 有限元模拟软件对深基坑工程进行模拟，更加深入地了解基坑的变形与开挖过程之间的关系 将模拟软件的模拟值和施工现场基坑变形的实际监测资料进行对比，可得到以下结论：基坑在开挖完成之后，模拟软件中基坑底部隆起最大位置与监测数据所呈现的位置基本吻合；监测数据与模拟数据皆沿着四周呈逐渐减小的变化规律 这说明了模拟软件的准确性，可以为以后有相似土质条件的基坑支护工程提供借鉴关键词：基坑支护；桩锚中图分类号：文献标志码：文章编号：（）,，:,:,:;引言近年来开发的一种根据现场地质条件建立模型的有限元软件，使人们对相对未知的地下工程领域有了更为深入的了解 有限元模拟软件在解决相对复杂地层中土体的应力和应变关系以及每层土之间相互作用关系中起着关键性作用，可以有效地模拟在基坑开挖期间其周围土体的沉降变形和围护桩的弯曲变形等情况 因 有限元数值模拟软件可以精确模拟基坑整个开挖过程，可提前预测基坑实际施工中所发生的竖直位移和水平位移的变形情况，从而可以有效地预防基坑开挖过程中发生事故，同时也给基坑开挖带来数据的支持 洪昇通过对比 有限元数值模拟软件分析的结果和现场监测的结果可知，在深基坑 吉 林 建 筑 大 学 学 报第 卷整个开挖期间，基坑围护结构的变形及对基坑周边土体沉降变形的模拟结果和现场监测的结果均相互吻合，由此证明了 模拟软件的精确性 李明瑛等人针对深基坑的围护结构问题，发现基坑在整体进行开挖过程中，基坑周围土体会出现一定规律的沉降变形和围护桩的弯曲变形，同时发现了锚杆中锚固段和自由端轴力的分布情况，为基坑支护的设计提供一定的参考 此外，丁亚中在其硕士论文中也得到结论：随着基坑开挖深度的不断增加，基坑的水平位移和竖向位移都会随之增大，基坑两侧的坑壁也会有向坑内倾斜的迹象 虽然与实际工程的变形情况相互对比还存在一定的差异，但优于单纯的理论计算，所以 有限元模拟软件在基坑开挖模拟中表现出一定的精确性 邱绍伟发现，随着基坑开挖的不断进行，模拟软件分析结果中基坑的整体变形、基坑底部隆起量和现场实际监测值相差不大 马海翔运用 有限元模拟软件建立多个不同直径的围护桩模型，对比多个不同直径的围护桩模型得出结论，即基坑水平位移的大小与排桩直径的大小呈负相关 王彩蒙等人通过上海某深基坑工程的监测数据，分析总结了深基坑开挖形成的周边浅基础建筑沉降规律，并提出沉降预测方法 通过查阅大量文献得出结论，有限元软件可以精准预测基坑的变形情况，这证明了有限元模拟软件对基坑中土体变化预测的精确性本文以吉林省人民医院深基坑工程为例，运用 有限元数值模拟软件建立符合现场条件的基坑模型，通过模拟软件得到的分析结果可以得知，在基坑不同的开挖阶段，基坑和围护桩均出现不同程度的变形，由此证明了 有限元模拟软件的实用性，为以后相似工程的基坑支护提供经验和参考 工程实例 工程概况该基坑支护工程为吉林省人民医院综合楼，位于红旗街与工农大路交汇处的吉林省人民医院院内，该工程周长约为 ，深度为 ，在基坑的西侧有一栋 层住院楼，距离基坑外边线仅 ，四层办公楼位于其南侧 因为是一座正常投入使用的医院，所以在基坑的周围遍布了很多日常使用的基础设施，例如在该栋办公楼与基坑之间还有一个地下污水处理池，基坑周边地下埋设有热力、自来水、污水等多条重要管线，考虑该工程体形大，开挖深度较深且基坑周边环境复杂等多种因素，确定该基坑工程设计等级为一级，采用排桩加锚杆、喷射混凝土等形式 工程地质条件由该场地的详细工程勘察报告可知，该场地布设多个钻孔和静力触探，并且在已知的钻孔中最大深度为 ，通过勘察报告可知地层大致的分布情况，上部为粉质黏土层和黏性土层，下部为泥岩层，具体的土层信息见表 表 土层信息 编号土层层厚 重度（）黏聚力 摩擦角 杂填土 粉质黏土 粉质黏土 黏土 泥岩 基于 软件的数值模拟 软件介绍众所周知，在求解力学问题中会用到各种各样的方法，而有限元的计算方法可以更为精准地预测土体的变形，所以其在基坑开挖和建筑结构变形中使用最为普遍 软件可以根据现场的地质条件和基坑周围的环境设计其相似的土体模型，通过其强大的分析能力，可使计算结果为实际工程的施工提供重要第 期谷复光，孙国旭：桩锚支护基坑工程变形特性研究 参考 由于该软件具有多种本构模型，可以对同一地质条件不同的施工方案进行模拟研究，这样就可以选择最适合的施工方案 模型的建立 基本假设条件模型的边界范围一般取 倍的基坑开挖深度，模型中的土体均遵循修正莫尔 库仑准则；模型的重力方向采用竖直向下 依据该工程的施工情况，依次进行土体属性和材料的设置，导入 图形进行交叉分割，最后对网格进行划分和对模型施加边界条件及自重，如图 所示图 基坑模型网格划分及建立边界和荷载条件 定义施工阶段 有限元模拟软件通过设置施工阶段对土体模型定义施工步骤 首先为了控制土体的变形，在输入初始地应力时要施加约束土体的边界条件和勾选位移清零选项，然后在开挖土体模型时，钝化开挖的土体，激活选中的围护桩和锚杆 在基坑模拟开挖的过程中，严格按照施工阶段定义的施工步骤进行，直到基坑模型开挖和支护完毕，具体施工工况见表 表 深基坑开挖模拟步骤 工况施工内容备注初始地应力分析勾选位移清零围护桩激活围护桩施工分别激活锚杆 和锚杆 预应力，钝化开挖的第 层土开挖至距离地面 分别激活锚杆 和锚杆 预应力，钝化开挖的第 层土，开挖至距离地面 分别激活锚杆 和锚杆 预应力，钝化开挖的第 层土开挖至距离地面 模拟结果分析根据基坑开挖模拟步骤对模型进行模拟开挖，可以模拟出实际基坑开挖完毕后基坑整体竖向位移的变化情况，如图 所示08.07e+0031.61e+004DATA2222.开挖3锚杆4.IMCR=1（LOAD=1.0000）.UNITkN.mmDISPLICEMENTTT，mm2.5%4.1%5.0%5.4%6.3%6.0%5.4%5.4%9.1%24.2%13.7%11.1%+5.520 96 e+001+4.550 13 e+001+4.339 30 e+001+3.838 47 e+001+3.277 65 e+001+2.716 82 e+001+2.155 99 e+001+1.595 16 e+001+1.034 34 e+001+1.735 08 e+000-8.731 98 e+001-6.481 48 e+000-1.204 98 e+001mmXYZ图 基坑模型总体位移云图 基坑底部竖向位移分析由于在开挖期间土体被大量挖走，从而引起基坑底部压力差，导致基坑底部隆起 通过图 可知，基坑底 吉 林 建 筑 大 学 学 报第 卷部中心位置隆起最大，其隆起量，而实际监测的最大隆起量是，仅相差；由于基坑底部的隆起相对对称，从基坑正中间向边缘逐渐减小，基坑边缘隆起量最小，其值为 ，而实际监测最小隆起量，二者数值基本吻合，仅相差 由此证明，有限元模拟软件的计算结果与基坑的监测结果大体吻合，但因施工场地环境复杂和人为因素的影响，导致二者之间仍存在一定的误差DISPLICEMENTTT，mm2.5%4.1%5.0%5.4%6.3%6.0%5.4%5.4%9.1%24.2%13.7%11.1%+5.520 96 e+001+4.550 13 e+001+4.339 30 e+001+3.838 47 e+001+3.277 65 e+001+2.716 82 e+001+2.155 99 e+001+1.595 16 e+001+1.034 34 e+001+1.735 08 e+000-8.731 98 e+001-6.481 48 e+000-1.204 98 e+00108.07e+0031.61e+004DATA2222.开挖3锚杆4.IMCR=1（LOAD=1.0000）.UNITkN.mmmmXYZMax：5.52e+001Min：6.14e+000图 基坑底部竖直方向位移云图 围护桩的内力分析在基坑开挖期间不仅要关注基坑的竖向位移变化，也要关注基坑水平位移的发展，而围护桩可以有效地阻止基坑水平位移的发展，因此要重点关注围护桩弯矩的变化情况 在基坑开挖之前，可依据勘察报告中实际的工程地质条件进行建模分析，从而得到在基坑开挖期间围护桩弯矩的变化情况 这样在基坑开挖时对围护桩最大弯矩的位置进行重点监测，进而对桩的配筋有一个合理的设计BEAM FORCEBENDING MMNT Y，kNm15.2%11.5%17.4%6.7%5.2%5.2%8.1%6.7%4.1%4.1%5.9%10.0%+6.829 70 e+000-2.931 77 e+000-1.269 32 e+001-2.245 47 e+001-3.221 62 e+001-4.197 77 e+001-5.173 91 e+001-6.150 06 e+001-7.126 21 e+001-8.102 36 e+001-9.078 50 e+001-1.005 46 e+002-1.103 08 e+002图 工况 围护桩的弯矩 BEAM FORCEBENDING MMNT Y，kNm13.7%21.1%10.4%4.8%6.7%3.3%4.1%4.4%4.1%4.8%6.7%15.9%+1.057 06 e+001-4.822 35 e-001-1.153 51 e+001-2.258 80 e+001-3.364 08 e+001-4.469 37 e+001-5.574 66 e+001-6.679 95 e+001-7.785 23 e+001-8.890 52 e+001-9.995 81 e+001-1.110 11 e+002-1.220 64 e+002图 工况 围护桩的弯矩 BEAM FORCEBENDING MMNT Y，kNm18.5%12.6%21.5%3.0%4.4%5.2%4.8%7.4%4.4%3.0%4.4%10.7%+3.995 32 e+001+2.155 24 e+001+3.151 54 e+000-1.524 93 e+001-3.365 01 e+001-5.205 09 e+001-7.045 17 e+001-8.885 25 e+001-1.072 53 e+002-1.256 54 e+002-1.440 55 e+002-1.624 56 e+002-1.808 57 e+002图 工况 围护桩的弯矩 综上所述，在基坑开挖深度不断增大的同时，导致支护桩的弯矩也在逐渐的的增大在基坑的整个开挖过程中，弯矩的最大值从 到 在图 和图 中，最大弯矩的位置在距离支护桩顶端 处，而在图 中，最大弯矩的位置在距离支护桩底端 处由此可以得到，桩身弯矩值随着基坑开挖的增大而增大和下移 因为基坑开挖期间基坑的水平位移会不断的增大，而围护桩可以有效地将基坑的水平位移限制在一定的范围内（下转第 页）吉 林 建 筑 大 学 学 报第 卷 孙西勃，廖程浩，曾武涛，张永波，梁小明 广东省秸秆燃烧大气污染物及 物种排放清单 环境科学，（）：陈东，陈军辉，钱骏，刘政，何敏 资阳市大气污染源排放清单研究 四川环境，（）：付柳淑，邱国良，殷亚光，蒋慧丽，刘顺 衡阳市大气污染源排放时间特征研究 中国环保产业，（）：高玉宗，姬亚芹，林孜，林宇，杨益 西宁市生物质燃烧源大气污染物排放清单 环境科学，（）：曹靖原，刘成龙，邱雄辉，彭林 长治市高分辨率大气污染源排放清单研究 环境污染与防治，（）：罗意然，韦进毅，郭送军，陈来国 广西秸秆燃烧大气污染物排放及生物炭转化固碳量估算 环境污染与防治，（）：，中华人民共和国环境保护部 环境空气质量标准（）北京：中国标准出版社，（上接第 页）结论（）坑底中心位置是最大的隆起点，随着距离基坑边缘越近，基坑底部土体的隆起量不断减小；随着基坑的开挖，基坑侧壁土体的水平位移随距离基坑越远，也会相应的逐渐减小 由以上结论可以证明 软件的模拟结果可以精准预测实际工程中基坑的变形情况，但由于施工现场周边环境相对复杂和多变，导致二者之间出现位移偏差的可能（）桩身最大弯矩值随开挖深度的增加而增大，最大弯距所在位置逐渐下移 因此，在基坑工程的设计和施工中，弯矩的变化应引起足够的重视参 考 文 献 洪昇 基于 的基坑围护数值模拟及变形分析 建筑施工，（）：，李明瑛，曾朋 基于 深基坑桩锚支护数值模拟分析 水土保持研究，（）：丁亚中 基于 的深基坑桩锚支护数值分析 合肥：安徽建筑大学，邱绍伟 基于 的桩锚支护优化设计 合肥：安徽建筑大学，马海翔 基于 的深基坑桩锚支护结构数值模拟与优化分析 邯郸：河北工程大学，王彩蒙，宇云飞，朱常志，刘明珠 超载下桩锚支护的受力与变形分析 河北农业大学学报，（）：孙晓磊 深基坑变形监测数据处理研究 长春：吉林建筑大学，曹力桥 软土地区深基坑开挖坑底隆起的有限元分析 岩土工程学报，（）：