桩锚支护结构数值模拟分析*

李向群 杨丰年 王海鹏

(1:吉林建筑大学测绘与勘查工程学院,长春 130118; 2:大连恒基岩土工程有限公司,大连 116000)

桩锚支护结构数值模拟分析*

李向群1杨丰年1王海鹏2

(1:吉林建筑大学测绘与勘查工程学院,长春 130118; 2:大连恒基岩土工程有限公司,大连 116000)

本文通过工程勘察的地质条件资料,选用ANSYS数值模拟分析的方法,阐述了桩锚支护的方法及应用,通过实例体现了桩锚支护在基坑支护中的优缺点及桩锚与土之间的相互作用,并为以后基坑工程中的桩锚支护提供借鉴和参考.

混凝土灌注桩；基坑；支护；数值模拟

目前，随着基坑工程的增多,为保证基坑施工的顺利进行,在综合考虑各种影响因素基础上,认为选择好的基坑支护方案尤为重要.我国根据各种条件下已拥有一套完整的支护方案,桩锚支护应用广泛,适应性强等优点在这种大环境下应运而生.ANSYS[1]数值模拟分析软件由于模拟实际施工工况具有一定优势，因此被广为运用.例如张钦喜[2]运用护坡桩弯矩的数值模拟分析结果和实测值、反分析法计算的土压力值进行分析;张浩龙[3]把土钉和桩锚支护的变形机理进行数值模拟分析;王明龙[4]把桩锚不同工况进行模拟,结果表明开挖后的变化规律与实际施工监测数据趋势吻合.

1 工程概况

基坑位于长春市内,基坑深度最大处15m.因施工场地紧张,基坑边有重型车通过,并考虑坑边临时材料堆载.在基坑施工过程中,为确保基坑施工及使用的安全性,该部位采用混凝土灌注桩+锚索支护方案,基坑位置如图1所示.

图1 力旺壹号院基坑的位置

1.1 工程地质条件

建筑场区位于长春波状平原内，场区地势南侧高，北侧低，勘察点间最大相对高差为6.94m，标高采用城市统一高程.据钻探资料、标准贯入、静力触探原位测试，结合室内土工试验成果综合判定，场区地基土自上而下依次为：① 杂填土；② 粉质粘土；③ 粉质粘土(③1粉质粘土)；④ 粉质粘土；⑤ 粉质粘土；⑥ 粘土；⑦ 泥岩.各土层的性质具体描述如下：

① 杂填土：杂色，大部分地段为柏油路面及回填碎石等，运动场范围内上部含大量植物根系，结构松散.厚度0.60m～2.10m；

② 粉质粘土：黄褐色，可塑，中压缩性，切面稍有光泽.层厚1.10m～3.90m；

③ 粉质粘土：黄褐色，褐黄色，可塑偏硬，中压缩性，含铁锰结核，切面有光泽，局部地段夹③1层可塑地层.层厚1.40m～5.10m；

④ 粉质粘土：黄褐色.可塑，中压缩性，切面稍有光泽，含铁锰结核.层厚1.70m～4.30m；

⑤ 粉质粘土：黄褐色，褐黄色，为过度层位，可塑偏硬，中低压缩性，含较多铁锰结核，切面有光泽.层厚1.60m～4.60m；

⑥ 粘土：褐黄色，褐色，桔红色，硬塑至坚硬，含大量铁锰结核，切面有油质光泽.层厚7.00m～10.10m；

⑦ 泥岩：棕红色，灰绿色，风化呈大块状，泥岩与泥质粉砂岩以互层形式存在，层内强度自上而下迅速增高，本次勘察中最大揭露厚度6.50m.

1.2 基坑支护方案的选择

本项目地下为一到二层,考虑主楼承台高度及地下室底板厚度,一层地下室基坑槽底标高定为225.0m,二层地下室基坑槽底标高定为217.7m,基坑深度介于7.0m～15m,基坑总长度241m.所以采用混凝土灌注桩+锚索支护方案.在进行基坑支护类型方案优选时,主要依据4个方面:① 先进性、施工技术可靠性分析;② 对于周边环境的影响程度进行评价;③ 施工工期长短分析;④ 支护的综合经济对比.

2 桩锚支护数值模拟分析

2.1 土层参数

通过ANSYS软件建模所需的各土层物理力学参数指标从地质资料中可得，具体参数指标值见表1.

表1 土层参数

图2 桩锚支护模型

2.2 建立模型

该图形模拟开挖支护分为4部:① 基坑开挖至4m,设置第一层锚索,入射角15°,总长27.5m,锚固段长17.5m;② 开挖至8m,设置第二层锚索,入射角15°,总长26m,锚固段长18.5m;③ 开挖至11.5m,设置第三层锚索,入射角15°,总长24m,锚固段长18m;④ 开挖至坑底.

桩锚支护结构模型建立选择单元plane82和单元link1,分别模拟土体与桩和锚杆，开挖模型如图2所示.

2.3 数值模拟分析与检测对比结果

由图3～图5可以清楚的看出,桩锚支护结构x方向基坑支护边缘比其他区域位移变化大,坑壁方向的水平位移随着基坑开挖深度增大,位移量及位移范围逐渐增大,当完成最后一步开挖后,桩体的最大位移发生在坑顶，与理正深基坑支护结构设计软件计算结果相较理正软件计算结果比较略有偏大.

由于基坑较深,随着第一次开挖到第四次开挖,锚杆的自由端应力较小,应力大部分在锚固部位,且随长度的增加逐渐减弱,由于支护桩进入土体有一定的深度,对支护桩的下部有一定的约束,而支护桩的上部又有锚杆与土体对桩上部的约束,所以桩中间部位会出现隆起现象,桩在x方向的变化随桩身往下变大，然后减弱.

图3 一挖x方向位移 图4 最后一挖x方向位移 图5 最后一挖第一主应力

在实际工程中基坑的安全是十分重要的,为确保安全、合理，在基坑开挖之前特别设置了35个监测点对基坑桩顶水平位移进行检查,并于第一次开挖后进行首次监测.由于文章篇幅的限制,本文仅对其中主要的3个点的桩顶变形模拟与实际值进行比较(见图6～图8).结果显示,模拟值与实际值接近,差异不大,总体来说是符合工程实际的.图中A点的实测值经历了先下降再上升的变化,然后再与模拟值的变化趋势相同,这可能是因为材料的大量搬迁导致的位移变动.

图6 A点水平位移变化 图7 B点水平位移变化 图8 C点水平位移变化

3 结语

本文通过ANSYS数值模拟分析基坑开挖支护的各个工况,得出土体较大位移在基坑底部及基坑外侧一定距离需要重视.参数的选定对于基坑工程数值模拟分析来说很重要,也是一个难点所在,而本文桩顶的水平位移与实际检测数据比较,得出的趋势大体相同,误差在允许范围内.对于本工程锚固段过长会造成不必要的浪费,与现场施工情况一致,进一步认证了数值模拟分析的方法在施工中的可行性.桩锚支护是基坑支护中的一种,其应用前景十分广阔,即能用于边坡的稳定加固,也能用于其他多种建筑工程中,不仅为类似的工程提供了一定的借鉴,而且也为实际的设计施工提供了可用的参考意见.

[1] 北京理正软件设计研究所.北京理正深基坑支护F-SPW5.3[Z].2006.

[2] 张钦喜,樊绍锋,周予启.深基坑桩锚支护侧土压力反分析及数值模拟[J].岩土力学与工程学报,2009,28(1):3214-3220.

[3] 张浩龙,李柏生,任永忠,朱彦鹏.深基坑土钉和桩锚支护数值模拟分析[J].兰州理工大学学报,2012,38(6):123-128.

[4] 王明龙,王景梅.深基坑桩锚支护中桩内力变化规律数值模拟研究[J].地下空间与工程学报,2013,9(3):576-627.

Pile Anchor Support in Technical Support of Deep Foundation Pit

LI Xiang-qun1，YANG Feng-nian1，WANG Hai-peng2

(1:School of Geometrics and Prospecting Engineering,Jilin Jianzhu University,Changchun,China 130118; 2:Dalian Henderson Geotechnical Engineering Co.Ltd,Dalian,China 116000)

Foundation pit engineering is more and more important in the real life. The foundation pit engineering selected supporting scheme is also very worthy of study. This paper through a project example introduces the application of pile anchor supporting and retaining method. This example shows that the pile anchor support in foundation pit shall be widely used.

bored concrete pile；soil nailing wall；foundation pit；shoring

2014-09-13.

李向群(1962～),男,吉林省长春市人,教授,博士.

住房和城乡建设部项目(2012555).

TU

A

2095-8919(2015)01-0018-03