湘潭市某深基坑复合土钉墙支护变形的有限元分析*

印长俊， 符 珏， 吕 鹏

(湘潭大学 土木工程与力学学院，湖南 湘潭 411105)

湘潭市某深基坑复合土钉墙支护变形的有限元分析*

印长俊*， 符 珏， 吕 鹏

(湘潭大学 土木工程与力学学院，湖南 湘潭 411105)

复合土钉墙在基坑中应用广泛，目前对其变形的研究较少.本文依托湘潭市河西核心商务区人防平战结合工程，运用有限元分析软件ANSYS建立微型桩-预应力锚杆复合土钉墙与纯土钉墙两种不同支护形式在不同工况的有限元模型，得到各开挖步基坑的变形情况，将有限元计算结果与现场实测数据进行对比分析.结果表明：由于受到土体主动土压力作用，微型桩产生微小转动，复合土钉墙支护水平位移呈现开挖面以上与以下相反的现象，在基坑顶部有较小幅度的土体拱起，微型桩和预应力锚杆的施加对基坑侧壁水平位移与地面沉降有较大影响，能有效控制土体变形，增加土体稳定性，但是对坑底隆起的影响相对较小.

基坑支护；微型桩；预应力锚杆；有限元；变形

复合土钉墙是近年来在土钉墙基础上发展起来的新型支护结构，它是将土钉墙与深层搅拌桩、旋喷桩、各种微型桩、钢管土钉及预应力锚杆等结合起来[1]，根据具体工程条件进行多种组合，形成的复合基坑支护技术，在我国的城市建设中已有大量的工程实践.基坑安全事故将造成严重后果，对于软弱土层，为了保证安全，必须对土体进行支护与加固，控制变形是确保基坑安全最直观有效的方法.基坑开挖除了要保证土体稳定外，还必须保证周边环境安全，确保基坑变形引起的周围环境变形在允许范围内，这就对基坑变形提出了更为严格的要求.

研究表明[2～7]，土钉墙支护在施加了微型桩和预应力锚杆后，变形特点与纯土钉墙支护存在很大区别，而现有理论研究落后于实践，还不能够充分反映微型桩-预应力锚杆复合土钉墙支护的变形特点.目前我国还没有专门的复合土钉墙支护变形计算规范，还未形成一套成熟完善的理论，限制了这项技术的发展，因此有必要对其变形特性进行系统分析，为支护结构设计提供参考，完善理论，更好的指导施工，提高复合土钉墙支护的安全性与经济性.为深入了解微型桩-预应力锚杆复合土钉墙支护的变形特点，本文依托湘潭市河西核心商务区人防平战结合工程，利用有限元分析软件ANSYS建立模型，得出不同工况下支护结构的变形，与纯土钉墙支护计算结果进行对比，分析此复合土钉墙支护随着基坑开挖的变形特性.

1 有限元分析方法

有限单元法[8]是随着数值分析技术日益成熟而发展的一种数值模拟方法，基本概念是将复杂的物理对象离散化[9，10]，将结构切割为具有一定连续性的有限个单元，在单元上设置节点，用节点的位移来表示单元的变形，从单元入手，建立每个单元的刚度方程，利用单元刚度矩阵得到整体刚度矩阵，列平衡方程组求解单元各节点的位移.有限单元法能够有效模拟土钉、锚杆、微型桩、各结构间的相互作用以及基坑开挖、支护结构施工的全过程，已经广泛应用于复合土钉墙的研究，本文采用有限元分析软件ANSYS对微型桩-预应力锚杆复合土钉墙支护的变形进行计算，分析步骤主要分为三个方面的内容：前处理、加载与求解和后处理.

为了简化计算，采用如下假定：(1)平面应变假定，本基坑长宽尺寸相差较大，属细长结构范畴，因此将支护结构按平面应变问题进行考虑；(2)本工程初见地下水位低于开挖设计标高，故不考虑地下水对支护结构的影响；(3)均质、各向同性假定，土体为理想弹塑性材料.

2 有限元模型

本工程位于湘潭市雨湖区，由车站路、韶山中路及建设北路三条道路围成的三角地带组成，如图1所示.地理位置处于市中心繁华闹市区，工程规模大，商业建筑总面积为61 980 m2，其中建筑面积49 250 m2.地下工程为主体部分，负一层，埋深约8 m.

根据规范[11,12]，本工程支护结构失效对基坑周边环境或主体结构施工安全的影响很严重，支护结构安全等级为一级.根据岩土工程勘察报告[13]，基坑土层分布及各土层物理力学特性如表1所示.

表1 各土层主要物理力学指标1)

1)表中带*号的均为经验数据.

2.2 基坑支护形式

根据实际的基坑周边建筑物、地下管线、道路和施工荷载等条件，同时为了减小支护结构位移，确保安全，本基坑采用微型桩-预应力锚杆复合土钉墙支护.

基坑深8 m，采用大开挖方式，边坡坡度90°，基坑周边的地面超载等效荷载为20 kPa，自上而下布置4层土钉，1层预应力锚杆，土钉与锚杆向下的倾角均为15°，全部配筋采用Q345.微型桩采用钢管桩，直径273 mm，水平间距1 m，单排布置.土钉直径48 mm，长9 m，水平间距均为1.5 m.锚杆直径150 mm，长15 m，水平间距1.5 m，锚固长度10.5 m，预应力大小为120 kN，每层开挖支护的土钉与锚杆之间的间距均为1.5 m.喷射混凝土面层采用 C20混凝土，厚度100 mm，内配双向Φ8 钢筋网，间距200 mm.支护结构的剖面图如图2所示.

2.3 计算模型

考试大纲 “数学学科知识”二维矩阵赋值：对于20个主题对应的内容，例如极限与连续性，结合大纲，细化该主题下知识内容，分解为极限的定义、性质、计算、连续性定义、连续性性质等的单一知识点的细目，以大纲行为动词为依据，判断其每单一知识点要求达到的认知水平.分别统计属于了解，理解，掌握的知识点数目，知识点数目即编码值.对考试大纲赋值结果如下，得到120个知识点数目.

有限元模型的几何尺寸以不影响模拟结果为基准进行确定，根据以往工程经验和大量试算，基坑开挖影响深度为2～4倍基坑开挖深度，影响宽度为3～4倍基坑开挖深度，根据对称原则，只需考虑基坑的一半.本基坑有限元模型采用高为20 m，宽为40 m，单位厚度的几何模型进行数值计算，几何尺寸如图3所示，再增大尺寸对基坑变形没有较大影响.

选用理想弹塑性模型Drucker-Prager模型，土体采用2维实体单元Plane42模拟，土钉与锚杆采用2结点杆单元Link1模拟，微型桩采用2结点梁单元Beam3模拟.有限元模型采取的边界条件为：约束左右边界的X向位移，约束底边界X、Y方向位移，其他边界为位移自由，有限元模型如图4所示.微型桩-预应力锚杆复合土钉支护的施工过程是边开挖边支护，这一动态施工过程在ANSYS有限元中采用单元生死技术进行模拟.

基坑开挖分5步进行有限元模拟：第一步基坑开挖至桩顶以下2m，支护第一层土钉；第二步基坑开挖至桩顶以下3.5m，支护预应力锚杆；第三步基坑开挖至桩顶以下5m，支护第二层土钉；第四步基坑开挖至桩顶以下6.5m，支护第三层土钉；第五步基坑开挖至基坑设计地面(桩顶以下8m)，支护第四层土钉.

3 数值分析结果分析

3.1 基坑侧壁水平位移

微型桩-预应力锚杆复合土钉墙支护开挖每层的基坑侧壁水平位移分布曲线如图5所示.从图中可以看出，基坑侧壁的水平位移沿基坑深度方向呈曲线分布，沿基坑侧壁从上至下呈先减小再反向增大的趋势，每一层开挖形成的基坑侧壁水平位移分布曲线基本相似，向坑内的最大水平位移位于基坑顶面，略大于开挖面以下向坑外的最大位移，开挖至-2 m时基坑侧壁水平位移最大为7.5 mm，随着开挖的进行，水平位移值不断增长，开挖至设计深度-8 m时为29.61 mm.由于支护结构在受到力的作用后存在微小转动，开挖面以上土体向基坑内倾斜，开挖面以下土体中出现向基坑外凸起的变形.在基坑开挖至第三层后，施加的预应力锚杆发挥作用，基坑侧壁水平位移变化速率变小，第三层、第四层与第五层的水平位移增量比第一层、第二层的增量明显减小.

图6为纯土钉墙支护基坑侧壁开挖每层的水平位移分布曲线，将两种支护形式下水平位移进行对比，纯土钉支护基坑侧壁水平位移沿基坑深度方向呈S形曲线分布，在开挖面以上的土体中水平位移最大位于基坑顶部，在开挖面以下土体中呈现向坑内凸起的变形趋势.两者最大位移值均位于基坑顶部，随着开挖的进行，位移值不断增加.但开挖至设计深度-8 m时纯土钉支护基坑侧壁水平位移最大为34.4 mm，微型桩-预应力锚杆复合土钉支护为29.6 mm，比纯土钉支护减小了5 mm，表明微型桩和预应力锚杆的存在对基坑变形起到了一定的控制作用，微型桩是在土体开挖前进行的支护，属于先期支护结构，增加了土体的稳定性，限制了开挖引起的变形.

3.2 基坑侧壁沉降分析

微型桩-预应力锚杆复合土钉墙支护基坑每层开挖的地面沉降分布曲线如图7所示，从图中可以看出，每一层开挖形成的地表沉降分布曲线基本相似，在基坑坡顶土体产生小幅度拱起，最大沉降位于距离开挖面0.3～0.6倍基坑深度位置处，随着离开挖面距离的增加沉降不断减小，距离开挖面两倍基坑深度以外范围的土体沉降已基本稳定.随着开挖的进行，沉降量不断增长，开挖第一层时基坑顶部的沉降为6.9 mm，开挖至设计深度-8 m时基坑顶部的地表沉降为23.5 mm，土体第一、二层开挖时，地表沉降增量为6.4 mm，随着支护结构发挥作用，尤其是锚杆的施加对土体的变形施加了一定程度的约束作用，地表沉降增量逐渐减小，第四、五层土体开挖之间的沉降增量仅为2.6 mm.

图8为纯土钉墙支护基坑坡顶地表沉降分布曲线，与微型桩-预应力锚杆复合土钉墙支护进行对比，可以看出，纯土钉墙支护的地表沉降沿离开挖面距离呈曲线分布，随着开挖的进行，每一层的沉降量不断增加，最大沉降位于基坑边坡坡顶，而复合土钉墙支护地表沉降最大位移位于0.3～0.6倍基坑深度范围内，在基坑边坡顶部有小幅度拱起，纯土钉墙支护中无拱起现象，开挖至设计深度-8 m时纯土钉支护地表沉降最大为37.6 mm，微型桩-预应力锚杆复合土钉支护为23.5 mm，比纯土钉支护减小了14 mm，表明微型桩与预应力锚杆的施加，减小了地表沉降，增加了土体的稳定性，对控制地表沉降有较大作用.

3.3 基坑底部隆起

微型桩-预应力锚杆复合土钉墙支护基坑底部隆起量曲线如图9所示，从图中可以看出，坑底隆起沿离中轴面的距离呈曲线分布，随着基坑开挖步的增加，基坑底部隆起逐渐增加，隆起速率逐渐减小.开挖第一层时坑底隆起相对均匀，随着基坑开挖，出现不均匀现象，中间的隆起较大，开挖第五层时最大隆起量为4.1 mm，最小为2.3 mm，相差1.8 mm，由于微型桩的维护作用，越接近边坡侧壁隆起越小.

纯土钉墙支护基坑底部隆起曲线如图10所示，从图中可以看出，坑底隆起与复合土钉墙支护基本相似，坑底隆起量为基坑中间部位较大，越接近边坡侧壁，隆起越小，纯土钉墙支护最大隆起量为4.6 mm，与微型桩-预应力锚杆复合土钉墙支护的4.1 mm仅相差0.5 mm，说明微型桩与预应力锚杆的施加对基坑底部隆起的影响较小.

3.4 有限元模拟结果与现场监测数据的对比分析

本工程监测工作从2012年9月11日基坑开挖到顶板浇筑完成，持续时间约4个月，基坑两侧共布置了13个水平位移观测点，20个沉降观测点，在场地周边2倍基坑深度范围内布置了19个环境沉降观测点.最大位移为位于苏宁电器前口部的监测点，水平位移值达21.6 mm，沉降值达19 mm.

基坑现场监测最大位移与有限单元法计算结果对比曲线如图11、12所示，从图中可以看出开挖结束后，采用有限单元法计算的水平位移和地表沉降结果与基坑现场监测结果较为吻合，都有相同的变化趋势，误差在可接受的范围，验证了有限元模型的合理性与可靠性.存在微小差异的原因主要为土体力学性能在支护前后有一定变化，而在进行ANSYS建模过程中未考虑这一因素，在基坑监测时监测点的选取位置和施工现场的不可预见因素也对结果有一定影响.预应力锚杆对基坑变形存在较大程度的影响，基坑监测结果较好地反映了预应力锚杆施加后土体的变形存在小幅回弹，而有限单元法的计算结果没有明显地反映这一现象.

4 结 论

运用有限元分析软件ANSYS建立模型，得到各开挖步的水平位移、地表沉降以及基坑底部隆起，将有限元计算结果与现场实测数据进行对比，得到如下结论：

(1) 微型桩-预应力锚杆复合土钉墙支护水平位移分布与纯土钉墙支护存在较大区别，前者由于微型桩在受到力的作用后存在一定的转动，开挖面以上土体向基坑内倾斜，最大值位于基坑顶部，开挖面以下土体则出现向基坑外凸起的变形，向基坑内侧最大位移比开挖面以下向坑外的最大位移略大，而纯土钉支护基坑侧壁水平位移沿开挖面呈现向基坑内发展的趋势，随着开挖的进行变形不断增长.

(2) 微型桩-预应力锚杆复合土钉墙支护地表沉降最大位移位于0.3～0.6倍基坑深度范围内，由于微型桩对基坑变形的限制作用，在基坑边坡顶部土体有小幅度拱起，而纯土钉墙支护最大沉降位于基坑边坡顶部，无拱起现象.表明微型桩与预应力锚杆的施加对控制地表沉降有较大作用.

(3) 微型桩-预应力锚杆复合土钉墙支护基底隆起与纯土钉墙支护基本相似，基坑中间部位隆起量较大，越接近边坡侧壁，隆起越小，随着基坑每一层开挖，基坑隆起量稍有增加，微型桩与预应力锚杆的存在对基坑底部隆起的影响相对较小.

(4) 运用有限单元法计算结果能够有效地预测基坑变形，计算结果比基坑现场监测结果偏大，属于偏安全的估算方法.

(5) 有限单元法没有明确显示预应力锚杆的作用，基坑监测结果较好地反映了预应力锚杆施加后土体的变形特性.

[1] 中国建筑科学研究院. 复合土钉墙基坑支护技术规范(GB50739-2011)[S]. 北京: 中国计划出版社, 2011.

[2] 龚晓南. 土钉与复合土钉支护若干问题[J]. 土木工程学报，2003(10): 80-83.

[3] 赵杰，邵龙潭. 深基坑土钉支护的有限元数值模拟及稳定性分析[J]. 岩土力学，2008(04): 983-988.

[4] 李连祥，徐帮树，刘日成，等. 复合土钉墙支护设计参数敏感性分析及边坡变形规律研究[J]. 岩土力学，2011, 32(S2)：393-400.

[5] 赵德刚，蒋宏. 复合土钉墙的变形与稳定性分析[J]. 岩土工程学报，2006, 28(B11)：1 687-1 690.

[6] 李彦初，陈轮. 深基坑复合土钉支护的三维有限元数值分析[J]. 工程勘察，2012, 40(2)：11-15.

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[11] 中国建筑科学研究院.建筑基坑工程监测技术规范(GB50497-2009) [S].北京:中国计划出版社,2009.

[12] 中国建筑科学研究院.建筑基坑支护技术规程(JGJ120-2012)[S].北京:中国建筑工业出版社,2012.

[13] 湖南省资源规划勘测院.湘潭市河西核心商务区人防平战结合工程岩土工程勘察报告[R].湘潭,2011.

责任编辑：罗 联

Finite Element Analysis of Composite Soil Nailing Wall Deformation for Deep Excavation in Xiangtan

YINChang-jun*,FUJue,LVPeng

(College of Civil Engineering and Mechanics, Xiangtan University, Xiangtan 411105 China)

Composite soil nailing wall has been widely used in deep excavation structure, but research on the deformation of feature is still relatively less. Based on the back ground of specific engineering,the paper compared and analysed the different supporting structure between micro pile pre-stressed anchor composite soil nailing and pure soil nailing on different forms, established the finite element model, and got deformation on different condition, compared the finite element results with the measured data. The results show that: due to the effect of active earth pressure, micro piles produce tiny rotating, the horizontal displacement of composite soil nailing shows the opposite phenomenon above the excavation face and the following, the top of micro pile has a smaller uplift, applied in excavation sidewalls micro piles and pre-stressed anchor have a greater impact to the horizontal displacement and the ground settlement, and can effectively control soil deformation, increase soil stability, but the impact to pit bottom uplift is relatively smaller.

supporting structure of foundation pit; micro piles; pre-stressed anchor; finite element; deformation

2014-04-25

湖南省科技厅一般项目(2010CK3035)

印长俊(1977— ),男，湖南 常德人，博士，副教授，注册岩土工程师.E-mail:5965568@qq.com

TU94+2

A

1000-5900(2015)01-0018-06