特大圆形锚碇基坑结构效应模拟及实测对比分析

张 建 肖景平

(珠海市规划设计研究院，广东 珠海 519000)



特大圆形锚碇基坑结构效应模拟及实测对比分析

张 建 肖景平

(珠海市规划设计研究院，广东 珠海 519000)

根据某桥梁特大圆形锚碇基坑实测数据，建立了有限元分析模型，对比了该圆形锚碇基坑的结构效应，结果表明：支护结构的水平位移沿深度方向呈明显的“大肚”形；环形内衬支护体系对基坑变形有较好的“自控制”；圆结构促使部分径向荷载转化为环向荷载，环向结构应力均远大于径向结构应力，圆形基坑“结构拱效应”作用明显。

圆形基坑，拱效应，水平位移，应力

地下连续墙广泛用于大楼地下室、地铁车站、隧道竖井、大型桥梁等基础结构物的建造，已先后应用于多座特大桥的锚碇深基础施工。其中，采用矩形平面形式的润扬长江公路大桥北锚碇最大变形高达135 mm，而采用圆形平面形式的阳逻大桥南锚碇最大变形控制在30 mm内，黄埔大桥北锚碇则将变形控制在10 mm以内，足见地下连续墙的结构形式由刚度较弱的矩形结构，逐渐转化成刚度较强的圆形结构[1,2]。

为此，本文结合某桥梁特大圆形锚碇基坑实测监测数据，辅以有限元软件，详细分析数据规律，探讨圆形地连墙结构因开挖引起的受力变形特性，以期为类似工程提供借鉴。

1 工程概况

某桥梁位于广东省珠江三角洲地区，主跨约为1.7 km，东锚碇基础采用圆外径为90 m的地连墙围护结构，壁厚1.5 m，开挖深度约为29 m，锚碇基础底部嵌入中风化泥岩、泥质粉砂岩层。

该锚碇区域覆盖层主要由第四系全新统海陆交互相粉质黏土、淤泥质土、砂土和第四系更新统粉质黏土、砂土、砂砾组成，厚度约27.10 m～28.70 m，基底由白垩系白鹤洞(K1b)泥质粉砂岩、中砂岩组成，基岩存在风化不均匀、风化夹层现象；稳定连续中～微风化岩埋深约27.10 m～34.60 m，岩面起伏大，中风化泥质粉砂岩饱和单轴抗压强度在11.6 MPa；微风化泥质粉砂岩饱和单轴抗压强度在18.29 MPa～35.86 MPa，平均24.28 MPa，标准值为20.4 MPa，中风化中砂岩饱和单轴抗压强度在5.33 MPa～13.27 MPa，平均8.64 MPa，标准值为7.3 MPa，属极软～较软岩。

表1 各层土的性质参数

基坑开挖有关岩土参数如表1所示，地质剖面如图1所示。

2 有限元建模方案

本文中的土体选用Mohr-Coulomb模型进行模拟。

在模型建立前，需对整个模型进行如下几项基本假定：1)对于模型中的土体部分，假定其按均匀层状分布，且为各向同性材料，并服从M-C屈服准则;2)假定土体为无限域，则只考虑土体的竖向应力;3)基坑施工中，土体开挖一般工期较短，因此按不排水条件进行计算。

模型尺寸的确定及网格划分：圆形基坑具有轴对称性，为节约计算时间，提高计算效率，因此取1/4平面进行计算。根据前人的研究成果及实际工程经验，因开挖而导致的影响范围大致可按如下方法确定：墙体两侧的影响范围可取3倍～4倍的开挖深度；墙体底部的影响范围可取2倍～4倍的开挖深度。针对本工程的地质情况，最终确定模型的大小划分为长135 m、高90 m。位移边界条件的确定如下：左右两侧限制水平位移及转角，底部限制竖向位移及转角，顶部为自由边。基坑剖面网格划分见图2。

3 监测点布置

监测点布置原则:1)各监测点的安装应根据现场情况而定；2)安装各监测点之前需对整个工程进行分析，挑选最不利位置进行监测；3)无论是埋入土体中还是在地表处的监测点，均需采取保护措施；4)在监测点安装好后，需对各个监测点提取初始值，便于后期数据的处理；5)施工过程中遇监测点数据无法采集，应及时查明原因和补救。

4 结果分析

4.1 深层水平位移分析

分析图3～图5可知：支护结构的水平位移沿深度方向逐渐增大，达到最大值后又急剧减小，呈明显的“大肚”形。支护结构的水平位移最大值实测约为4 mm，模拟结果约为5.6 mm，最大位移均处于地表下10 m左右处；同时，各开挖步中支护结构上部的水平位移增长较缓，达到最大值后开始急剧减小，最后水平位移几乎为0，这主要是由于本工程地下连续墙底端已嵌入岩层，最大程度的限制了其水平位移，这也是嵌岩支护结构与普通支护结构的最大区别；曲线特性表明，这与一般的深基坑[3,4]变化有所不同。

4.2 环向应力与径向应力分析

图6，图7为基坑每层开挖后环向应力与径向应力随深度的变化图。综合各图可以发现：在深度0 m～-25 m之间，环向应力均远远大于径向应力，这说明圆形基坑的“拱效应”发挥了较好的作用，有利于发挥混凝土材料的抗压性能，提高基坑的稳定性；在深度-25 m～-29 m之间，环向应力与径向应力的大小已较为接近，此段区域已开始进入中风化岩层；在深度-29 m～-40 m之间，已是中、微风化岩层，此时环向应力与径向应力均由正值变为负值，最后在底部接近于0，这是由于岩石的基床系数比上部土体的基床系数大，因此造成底部应力与上部应力的方向相反；同时，对于径向应力，从各图中可以看出，在深度约为-29 m处均有突变点，这是因为此处为上部较为软弱土层进入较为坚硬岩层的临界点，因此导致此处的径向应力突变。

本基坑分10步开挖，由于篇幅有限，故选择有代表性的数据图进行分析。

5 结语

本文以特大圆形锚碇基坑为研究对象，在实际工程数据基础上，辅以有限元模拟分析，研究其结构效应，得出如下结论：

1)支护结构的水平位移沿深度方向逐渐增大，达到最大值后又急剧减小，呈明显的“大肚”形；

2)基坑开挖全过程，水平位移增长率先大后小，且存在较大转折点，支护体系发挥良好作用，实测最大水平位移约为4 mm，模拟最大水平位移约为5.6 mm，均处于地表下约10 m；

3)结构环向应力均远远大于径向应力，这说明圆形基坑的“结构拱效应”发挥较好作用，将部分径向荷载转化为环向荷载，使得环向应力大于径向应力，发挥了混凝土材料的抗压性能，实现了基坑稳定的“自控制”。

[1] 王 琨，张太科，陈顺超.广州珠江黄埔大桥悬索桥锚碇基坑支护受力和变形特性分析[J].西南大学学报(自然科学版),2010(7):133-138.

[2] 罗耀武，凌道盛，陈云敏，等.环形超深基坑围护结构受力变形特性分析[J].岩土力学，2011(2):617-622.

[3] 叶 强，吴庆令.某深基坑工程的监测分析与变形特性[J].岩土工程学报,2010(S2):541-544.

[4] 刘春原，蔡伟红，赵志斌，等.圆形地下连续墙的变形分析[J].岩土工程学报,2008(S1):26-30.

Simulation and analysis on the effect offoundation pit structure of super large circular anchor

Zhang Jian Xiao Jingping

(Zhuhai Institute of Urban Planning & Design, Zhuhai 519000, China)

On the basis of the measured data of the foundation pit of a large circular anchor in a bridge, the finite element ananlysis model was established, the structural effect of the circular anchor pit is compared. The results show that the horizontal displacement of the supporting structure along the depth direction showed a “big belly” shape; circular lining supporting system of foundation pit deformation has a good “self control”; circular structure makes the partial radial load into the circumferential ring structure to load, stress are far greater than the radial stress, circular pit the “arch effect” effect.

circular foundation pit, arch effect, horizontal displacement, stress

1009-6825(2017)12-0074-02

2017-02-15

张 建(1983- )，男，硕士，工程师; 肖景平(1990- )，男，硕士

TU463

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