粉质粘土地层桩锚支护结构土压力分布研究

许超

(中兵勘察设计研究院，北京 100053)

粉质粘土地层桩锚支护结构土压力分布研究

许超

(中兵勘察设计研究院，北京 100053)

利用FLAC3D对顺义区某深基坑工程进行了仿真分析，模拟出了桩侧土压力分布曲线，并与经典土压力理论进行了对比，指出桩身位移、锚杆拉力模拟值与实测值更加接近，认为模拟土压力分布曲线更加符合工程实际，提出的粉质粘土地层桩锚支护结构土压力分布形式，对于优化结构设计，降低施工成本具有重要意义。

桩锚支护结构，土压力分布，FLAC3D

0 引言

城市地下空间的大规模开发利用和高层建筑的兴起，加速了深基坑工程的发展，但岩土工程向来存在理论滞后于实践的现象，深基坑工程的发展也伴随着支护设计保守，材料隐性浪费等问题。

本文基于北京市顺义区某深基坑工程桩身位移、锚杆拉力监测数据，结合数值模拟软件FLAC3D及工程设计软件理正深基坑(7.0)进行分析和研究，提出粉质粘土地层桩锚支护结构桩侧土压力分布形式，为今后该类地层下深基坑工程设计和施工提供科学依据和合理化建议。

1 工程概况

该项目位于北京市顺义区马坡镇，工程占地面积约28 000 m2，基坑支护深度14.38 m，采用上部挡土墙+下部护坡桩锚杆联合支护形式。其中挡土墙墙高3.0 m，冠梁位于-3.0 m位置，护坡桩桩长16.0m，嵌固段4.62m，桩径800mm，桩间距1.50m，共设置3道预应力锚杆，锚杆设计参数见表1。

表1 锚杆设计参数表

拟建场地内地层分布，除上部挡土墙范围内夹杂素填土及下部约1 m厚粉细砂层外，其余均为粉质粘土，地层主要参数为重度19 kN/m3，粘聚力25 kPa，内摩擦角15°，不考虑地下水的影响。

在工程实施过程中对护坡桩桩身水平位移及锚杆拉力等进行了监测，基坑监测对指导施工具有重要意义，当监测显示位移变化速率过快时就要停止土方作业，查明原因并适时对支护结构进行补强，防止事故发生，基坑监测已经成为基坑施工过程中必不可少的内容。

2 数值模拟结果分析

2.1 施工工况模拟

基坑施工模拟共分为1个初始平衡步和5个开挖步。通过model null命令模拟施工中的土体开挖，土体开挖至锚杆设计位置以下1.0 m后添加锚杆Cable单元，初始平衡步执行计算循环到最终状态(ratio=1e-5)，前4个开挖步由于工序衔接紧密，施工锚杆前上部结构、土体变形并不能达到稳定状态，因此按照step 2000命令执行，最后1个开挖步执行计算循环到最终状态。

2.2 桩侧土压力分布

通过跟踪护坡桩(Shell单元)前后土体水平方向应力S-xx，可以得到桩侧土压力分布随土体开挖及锚杆施工的变化曲线，见图1。

图1 桩侧土压力分布随基坑开挖变化曲线

从图1中看出，主动区土压力分布形态在锚杆施工前基本符合经典土压力理论，土压力分布呈线性增大形式，而随着土体开挖及锚杆的施工，主动区土压力分布形态出现改变，锚杆支护作用范围内主动区土压力逐渐减小，并呈矩形分布形态，护坡桩端部范围主动区土压力逐渐增大。被动区土压力分布形态在锚杆施工前同样基本符合经典土压力理论，受土体开挖及锚杆施工影响，被动区土压力也产生重分布，逐渐呈现“中间大、两头小”的分布形态。

桩锚支护属于柔性支护结构，这种作用在桩侧的土压力与经典理论假设的填土作用在刚性挡土墙上的土压力必然不同，加上桩体变形协调作用和锚杆主动约束作用使得土压力产生重分布。

支护结构设计出现材料浪费的主要原因正是因为按照经典土压力理论计算过于保守，土压力实际分布形态并非像经典土压力理论那样呈线性增大的形式，且土压力小于经典土压力理论计算值。利用理正深基坑计算相同地层下桩侧土压力，并与模拟的开挖完成后桩侧土压力分布曲线进行对比。

模拟的主动区土压力在槽底以上呈矩形分布，最大土压力值约30 kPa，经典理论计算的土压力分布呈线性增大趋势，最大土压力值134.3 kPa。开挖面以上模拟主动区土压力小于经典理论计算值，开挖面以下模拟主动区土压力大于经典理论计算值，模拟的主动区土压力无论分布形态还是土压力值大小都与经典土压力理论不同。

3 结论及展望

1)本文通过对顺义区某深基坑工程进行仿真模拟，得出的桩身水平位移及锚杆拉力值与实测值基本相符，通过跟踪土体单元应力，得出桩侧土压力分布曲线，通过与经典土压力理论对比，认为按照经典土压力理论计算的土压力过大是造成支护结构设计保守，材料隐性浪费的主要原因。在保证施工质量的前提下，支护结构设计的优化空间较大。

2)模拟得出的主动区土压力呈“上三角、下矩形”形式分布，这与Terzaghi-Perk提出的中软—软粘土土压力包络图相似，但土压力值需要进行折减，折减系数需依据地层特性及支护结构类别进行确定，这可在以后的工程实践中进行研究，以确定不同地层条件下折减系数的取值。

3)根据主动区土压力分布形态，可利用理正深基坑构建土压力模型，进而分析支护结构位移、内力，获得更接近于实测值的位移、内力设计值。

4)本文研究了粉质粘土地层条件下桩锚支护结构土压力分布规律，基于数值模拟的研究方法，结合现场工程实测，不仅验证了FLAC3D在基坑开挖模拟方面的有效性，也验证了经典土压力理论应用于设计还存在较大改进空间，本文的研究方法同样适用于其他地层及其他支护结构形式土压力问题的研究。

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［3］ 孙书伟，林 杭，任连伟.FLAC3D在岩土工程中的应用［M］.北京:中国水利水电出版社，2006.

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［5］ 许 超.深基坑桩锚支护结构桩侧土压力分布研究［D］.北京:北京工业大学工学硕士学位论文，2013.

Research on distribution of soil pressure of pile-anchor bracing structure at silty clay stratum

Xu Chao

(China Ordnance Industry Survey and Geotechnical Institute，Beijing 100053，China)

The paper adopts the FLAC3Dto undertake the simulation analysis of some deep foundation pitprojects at Shunyidistrict，simulates the distribution curve for the soil pressure at the pile sides，has the comparison the technique with the classic soil pressure theory，points out the simulated values of the pile displacement，forces of anchors，are close to themeasured ones，concludes the distribution curves adheres to the engineering fact，and points out the distribution forms of the pile-anchor soil pressure at silty clay stratum，so it ismeaningful for the optimized design and the reduction of construction cost.

pile-anchor support structure，soil pressure distribution，FLAC3D

TU432

A

1009-6825(2015)29-0091-02

2015-08-07

许 超(1988-)，男，助理工程师