桩锚支护条件下深基坑稳定性分析

赵法亮 彭红艳 纪颖波

摘 要桩锚支护是一种比较成熟的基坑支护方法，可以提高基坑的整体稳定性及安全性。数值模拟结果显示，水平位移对支护结构和周围环境的危害要远远大于竖向位移，支护结构水平位移自上而下呈递减趋势，位移大小直接关系到基坑周围土体沉降量，基坑周围地表沉降呈现抛物线分布。

关键字 桩锚支护基坑 位移 分析

中图分类号：TB21文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）08（c）-0000-00

0 引言

随着城镇化建设的推进，地下空间的开发利用越来越得到注重，在建筑物密集的市区内，基坑开挖深度将更深。深基坑在开挖过程中一是要考虑自身的安全，二是减少开挖过程对周边环境的影响，确保周围建筑、交通线的正常使用以及地下管线的安全[1]。桩锚支护因为其自身特点在深基坑支护中得到大量应用。本文对桩锚支护方案下的基坑变形及基坑底部土体隆起情况做了分析。

1 工程概况

该工程位于旧城区，处于居民区中，空间狭小，周边道路狭窄，人员密集，边界条件较为复杂。该项目拟建地下两层，地上二层的住宅，基础埋深12.36m，局部13.36m和13.86m。

勘察报告将勘探深度（最大深度26.00m）范围内的土层划分为两大类：人工堆积层和第四纪沉积层，并根据各土层岩性及工程性指标进一步划分为6层。

2 桩锚支护

桩锚支护是一种应用广泛的基坑支护方法，一般在基坑四周设置钢筋砼灌注桩，用连梁连接各桩顶，随基坑深度变化，在桩间土处施加不同数目的预应力锚杆，增强基坑的边坡稳定性及安全性。

2.1支护方案设计

本方案采用直径600mm的钢筋砼护坡桩，中心距1200mm，为了减少坡顶位移和施工便利，桩顶全部位于自然地面下300mm处。根据基坑不同边界条件，选取三个剖面进行支护方案设计并选取相应的支护参数。

2.2支护结构验算

基坑整体安全及抗倾覆稳定性验算：

1）整体稳定性验算选用圆弧法[2]，其中土条宽度为0.4m；安全系数由式1得出。

式中W为支护结构自重， 为主动土压力的水平分力， 为主动土压力的竖向分力，a、b、h分别为W、 、 对O点的力臂，如图2所示。

3 数值模拟

3.1 有限元模型的建立

根据桩锚支护设计参数，建立有限元模型。模型网格见图3。采用嵌入实体的方式以模型节点耦合，利用实体生成模型，在建筑物与土体或土体与开挖面的接触面输入嵌入实体的指令。在进行数值分析前，应当检查所划分网格的自由面，模型内部严禁自由面的存在。

在本方案涉及的3种剖面类型中，仅分析最不利于安全的剖面，支护结构模型见图4。通过定义激活及钝化单元来模拟基坑的分步（四步）开挖及支护结构，确保基坑开挖工况于实际施工一致，保证分析结果的正确性。

3.2数值模拟结果

3.2.1水平位移

支护结构变形分为水平位移和沉降，而水平位移对支护结构和周围环境的安全性的影响占据主导，本文只关注水平方向位移的影响。支护结构水平位移的大小直接影响基坑周围土体沉降量。沿着基坑壁每隔1m距离依次向下取15个节点，绘制出桩锚支护水平位移曲线如图5所示。

本模型设置开挖工况时，在开挖二层土体后对第一道锚杆施加预应力，比较锚杆施加预应力前后支护结构水平位移的变化规律，从图6中可以发现，未施加预应力时，护坡桩处于悬臂状态，桩身水平位移沿桩轴方向下减小。施加预应力后，桩身位移减小趋势更为明显。由此可见锚杆施加预应力后，可以有效控制基坑沿水平方向的变形。

3.2.2周围土体沉降

基坑开挖过程中，由于土体开挖卸荷，基坑周围土体会发生塑性运动，分别向基坑内部和底部运动，这是造成基坑周围地表沉降的主要原因。支护结构水平位移量也会对沉降量产生影响。最终开挖工况下竖向位移色谱图如图7所示。自基坑边缘向外的同一直线上每隔3m依次取9个节点，绘制出本支护形式沉降曲线如图8所示。

图7最终开挖工况下竖向位移图图8 不同开挖工况下基坑周围沉降位移曲线

3.2.3基坑底部土体隆起分析

基坑支护结构底部土体卸载表现为基坑底部隆起[3]。由于开挖造成的土体卸荷、支护结构自重影响以及地面超载的作用下，基坑底部土体向坑内移动，造成底部隆起的现象。沿基底以7m为单位依次取3个点进行变形分析，如下图9所示。

图9 桩锚支护不同开挖工况下坑底隆起变形曲线

4 结论

由以上分析可以得出以下结论：

1）支护结构的水平位移从地表到坑底呈现逐渐减小规律。在开挖基坑内土体时，由于卸荷作用，开挖侧土体对护坡桩桩体的土压力随之降低，开挖深度范围内支护侧土体向基坑内移动，使得开挖面下部土体产生负位移。由于桩体嵌固深度的作用，负位移出现在开挖深度以下0～2m范围内。

2）随着开挖深度的加深，基坑坑壁的水平位移也逐渐增大。当开挖完成后，护坡桩的桩身水平位移达到最大值，为10.1mm，发生在-3m位置处。

3）基坑周围地表沉降呈现抛物线分布，其变形量具有先增大后减小最后归于零的规律。周围地表沉降的影响范围随着基坑开挖深度的加深有扩大的趋势，同时地表沉降量也随之增大。本工程基坑最大沉降量为15.6mm，发生在距离基坑13.4m远处。

4）基坑底部土体隆起量与基坑开挖深度成正比关系，且在基底开挖面中央区域出现最大隆起。这种现象的主要是由两个方面引起，一是支护结构的弹性模量较土体较大，基坑底部的土体要承受支护结构变形引起的作用力，呈现坑底隆起；二是水平应力的存在，当支护结构底部的土体向上运动时将会产生负摩擦力，呈现坑壁周围土体的隆起量小于基坑中部。

参考文献：

[1]曹洋. 分层降水开挖对基坑周边环境变形影响分析[D].黑龙江科技学院硕士论文，2010

[2]陈希哲.土力学地基基础（第4版）[M].北京：清华大学出版社，2004.4：218～236

[3]尹晓.基坑开挖对邻近砌体结构房屋的影响分析和保护研究[D].同济大学硕士论文，2006