基于FLAC3D的深基坑桩锚支护研究

叶帅飞，王 辉，徐孟龙

(河南理工大学 土木工程学院，河南 焦作 454000)

随着国家的发展与人口的急剧增加，大量的高层和超高层建筑出现在城市中，由此深基坑工程也变得越来越多.由于人口集中，道路与建筑密布，城市中的深基坑工程也变得越来越复杂，小变形控制变得尤为重要.设计者为了保证工程和周边环境的安全，常常将支护结构设计的过于保守，造成材料的浪费和经济的损失.因此深基坑支护方式设计变得尤为重要[1-3].桩锚支护是深基坑支护方式中的一种，在工程中得到了广泛的应用，也取得了很好的经济性与支护效果[4-5].本文依据西安市某深基坑工程为例，对桩锚支护结构的稳定性和变形情况以及基坑周边的变形情况进行模拟，并与实际监测数据进行对比，分析该支护方式的合理性.以期为基坑变形控制设计以及类似工程提供参考.

1 工程概况

该拟建建筑位于西安市某道路北侧，其余3个方向均有建筑物与其相邻，其中西侧的酒店离基坑最近只有0.92 m.该拟建建筑为23 层住宅，地下2层，总高度67.3 m.基坑开挖深度为12.5 m，长64.7 m，宽50 m.建筑基坑位置见图1.

2 工程地质条件

工程场地地形平坦，地貌单元为黄土梁洼，场地高程介于410.89～411.20 m，最大高差只有0.3 m。根据勘察资料显示地下水稳定水位为9.4～9.8 m，标高范围401.27～401.46 m，属于潜水类型，季节性变化幅度为1～2 m，场地土和地下水对混凝土和钢混结构中的钢筋均具有轻微的腐蚀性， 据此判定该场地环境类别为Ⅱ类环境.以下为该场地内自上而下主要地层：

图1 建筑基坑位置

第①层：素填土，层厚2.20～5.90 m，呈褐～黄褐色，以粘性土为主.

第②层：黄土，层厚1.30～5.10 m，呈褐黄色，含云母片，蜗牛壳，零星结核，针孔发育.

第③层：古土壤，层厚1.20～4.00 m，呈浅红褐～褐红色，含钙膜，层底有约20 cm 厚的结核富集成层，孔隙较发育.

第④层：粉质粘土，层厚8.30～9.00 m，呈褐黄～黄褐色，含蜗牛壳碎片，零星结核石，孔隙中等发育.

第⑤层：中粗砂，层厚0.90～2.70 m，呈褐黄～灰黄色，矿物成份以石英和长石为主，少量粘性土，颗粒较均匀密实.

第⑥层：粉质粘土，层厚2.10～3.40 m，呈褐黄～黄褐色，含氧化铁，孔隙欠发育.

第⑦层：中粗砂，层厚0.70～2.30 m，呈褐黄色，矿物成份以石英、长石和云母为主.

第⑧层：粉质粘土，层厚6.70～12.00 m，呈褐黄～黄褐色，含氧化铁、云母和蜗牛壳片，孔隙欠发育.

依据勘查报告，场地土层的物理力学参数如表1 所示.

表1 土体物理力学参数

3 数值模拟

3.1 模型建立

模拟的模型只取该基坑工程的一部分进行，该部分为整个基坑工程中最危险的一段，即与悦洋酒店相邻的一段，该段采用桩锚支护形式.建立模型时为了消除边界影响，在模型的水平方向长度取5 倍开挖深度，竖直方向长度取3 倍开挖深度[6-7].模型尺寸大小为60 m×3 m×40 m(长×宽×高)共有57 600 个实体单元，68 607 个网格节点.模型上表面为自由面，其余5 个面均设有法向约束，土体单元采用摩尔-库伦(Mohr-Coulomb)模型，混凝土灌注桩采用Pile 结构单元，锚索采用Cable 结构单元，混凝土冠梁和腰梁采用Beam结构单元模拟，开挖土体采用空模型模拟.计算模型图如图2 所示.

图2 计算模型

3.2 计算参数选取

支护桩采用钢筋混凝土灌注桩，桩径为800 mm，桩长21 m，具体计算参数见表2.

表2 支护桩计算参数表

腰梁及冠梁的计算参数如表3、表4 所示.

表3 冠梁计算参数表

表4 腰梁计算参数

锚索计算参数如表5 所示.

表5 锚索计算参数表

3.3 计算步骤

为了能够更好地模拟该支护段，将模拟过程与施工顺序相结合，将每个开挖土方阶段作为1个工况进行模拟计算，具体工况步骤如下.

工况1：开挖基坑至-4.5 m施工第1 道锚索；

工况2：开挖基坑至-7 m 施工第2 道锚索；

工况3：开挖基坑至-10 m 施工第3 道锚索；

工况4：开挖基坑至-12.5 m.

3.4 基坑模拟计算结果分析

最大不平衡力反映模拟计算结果是否收敛，当不平衡力的值接近于0 时，代表模型计算是收敛的，如果不平衡力不接近于0，代表模型已经发生破坏或者进入了塑性流动状态[8].图3 为该模拟开挖至-12.5 m 时的最大不平衡力与迭代关系曲线图，图中每一个峰值代表1 次开挖，每次开挖后峰值都会下降至接近于0，说明每次开挖都会改变土体的平衡状态，但最终又重新达到平衡，说明该模拟是收敛的，没有发生破坏.

图3 最大不平衡力曲线

3.4.1 基坑水平位移模拟分析

图4 基坑侧壁位移曲线

1)基坑侧壁位移分析.图4 为基坑侧壁水平 位移曲线图，由图可以看出随着开挖深度的增加基坑侧壁的水平位移值在不断增加，其中第2 次开挖与第4 次开挖所造成的位移增量基本相同，在0～1 m 的位置随着开挖深度的增加，其水平位移速率在不断增加，但是在深度1 m 的地方位移值出现了减小的趋势，然后在3 m 深度处又开始出现了增大的趋势，这是由于锚索与桩的联合作用使其在1～3 m 处位移出现减小趋势，位移值的回升点均为锚索的施加位置.4 次开挖的基坑侧壁水平位移最大值分别出现在3，5，8 和10 m 的位置，最大值分别为1.9，5.0，9.0 和13.1 mm.

图5 基坑深层位移曲线

2)基坑深层水平位移分析.此位移值是由设在距基坑边2 m 处的监测点得出的，如图5 基坑 深层位移曲线图所示，基坑在第1 次开挖后，顶部位移与第1 次开挖时基坑侧壁顶端的位移值相同，说明第1 次开挖对基坑顶部的位移值影响不大，但是随着深度的增加其位移值却变得越来越大，且随着开挖深度的增加，其位移值均出现了相同的趋势即先增大后减小.在第3 次与第4 次开挖时，分别在深6 m 和9 m 的位置处位移达到最大，最大值分别为7.9 mm 和11.9 mm.图6 为 基坑深层水平位移的实际检测值与模拟值的对比曲线图.基坑中共布置4 处测斜孔，模拟所对应的支护段有个3#测斜孔.对比监测值与模拟值发现，监测值与模拟值变化规律基本相同，都是位移值随着深度的增加先增大后减小，但模拟值整体比监测值大，这可能是因为模拟是在理想状态下进行的，与实际相比可能缺失很多因素造成.不论是模拟值还是监测值都是在规范允许的范围之内，与规范的允许值相比，模拟值和实际监测值分别小了67%和83%，因此该支护设计比较保守，需进行优化设计.

图6 深层水平位移监测值与模拟值

3.4.2 基坑外地表沉降分析

图7 基坑外部地表沉降曲线

1)基坑外地表沉降模拟值.如图7 基坑外地 表沉降曲线图所示，随着开挖深度的增加，基坑外地表沉降曲线规律基本相同，都是先增大然后减小到一稳定数值，曲线呈勺型，每次开挖的沉降最大值基本位于距基坑边15 m 的位置，4 次开挖的最大沉降值分别为6.8，12.1，14.7 和15.9 m，勺把位置都在距基坑40 m 的位置，每次开挖在该位置处的沉降值都很小，说明基坑的开挖对40 m以外的建筑物影响很小.随着开挖深度的增加，其最大沉降值的增量在不断减小，第2 次开挖造成的最大沉降值增量最大，之后都比较小.由图也可以看出，最大值并不是出现在离基坑最近的地方，可能是因为支护结构的联合作用使土体与支护结构之间的摩擦力增大造成的.

图8 基坑监测点平面

图9 基坑边缘沉降监测曲线

2)基坑边缘沉降监测值.在模拟对应的该段支护范围内设置了3 处沉降观测点，分别为W1、W2 和W3，即对应图8 中WY7，WY8 和WY9 3 个监测点，图9 为该3 处监测点的监测数据曲线图.由图9 可以看出，W1 与W2 两监测点均出现了隆起现象，然后又下降到稳定数值；W1最终沉降值为-6 mm；W2 的最终沉降值为-4.6 mm；W3 监测点曲线先下降然后在最后出现稍微的隆起，最后下降到最终的-7.2 mm.这3 个监测点的最大沉降值都小于规范的要求，因此该基坑支护体系是安全可行的.

3.4.3 锚索轴力分析

1)锚索轴力模拟值分析.由图10 可以看出，锚索自由段的轴力由第1 排至第3 排不断增加，相较于第1 排锚索自由段轴力，第2、3 排的锚索自由段轴力更大些，因此第2、3 排锚索在基坑的支护中起着重要作用.在锚索的锚固段，锚索的轴力随着锚索长度的增加不断减小，最后趋于平稳，但最终都不为0，在锚固段端头2～3 m 的位置锚索轴力急剧下降，随后下降速率减小.

图10 工况4 各排锚索轴力分布曲线

2)锚索轴力监测值分析.在模拟所对应的该支护段有2 个锚索轴力监测点，分别设在第1 排和第2排.图11为锚索轴力随时间分布的曲线图，由图11 可以看出第1 排锚索轴力呈上升趋势，最大自由段轴力为126.4 kN；第2 排锚索轴力先呈下降趋势，然后开始上升，但整体变化幅度不大，最大自由段轴力为124 kN，与模拟值自由段轴力相比监测值普遍偏小，可能是因为施工时浆体不饱满或者养护不够的原因.

图11 锚索轴力实际监测值

3.4.4 桩身弯矩模拟分析

图12 是桩身弯矩随桩长变化曲线，图中表现的是桩身弯矩在不同开挖深度下，桩身弯矩随桩长的变化.由图12 可知，桩身弯矩在不同的开挖深度下变化规律基本相同，第1 次开挖完成后桩身弯矩最大值为37.7 kN·m，在桩长5 m 处；第2次开挖完成后桩身弯矩最大值为59.7 kN·m，在桩长9 m 处；第3 次开挖完成后桩身弯矩最大值为84.6 kN·m，在桩长12 m 处；第4 次开挖完成后桩身弯矩最大值为128.8 kN·m，在桩长15 m 处.最大桩身弯矩出现在第4 次开挖完成以后，桩身正负弯矩的转折点基本位于基坑底部12.5 m位置，并且第4 次开挖以后桩身正负弯矩都明显增大，说明第4 次开挖对基坑支护稳定性影响较大.

图12 桩身弯矩模拟分析

3.5 基坑支护结构优化

针对当前基坑设计过于保守，现对桩长与锚索长度进行优化设计.

1)桩采用17 和19 m 两种桩长进行优化模拟，并与原桩长进行对比，模拟结果见图13.

2)调整锚索长度，然后与原设计相比，模拟结果见图14.

图13 不同桩长的基坑侧壁水平位移

图14 不同锚索长度的基坑侧壁水平位移

第1 种方案：第1 排锚索长17 m、第2 排锚索长19 m、第3 排锚索长21 m.

第2 种方案：第1 排锚索长15 m、第2 排锚索长17 m、第3 排锚索长19 m.

第3 种方案：第1 排锚索长14 m、第2 排锚索长16 m、第3 排锚索长18 m.

由图13 可以看出桩长19 m 时最大水平位移为-15.95 mm，比桩长21 m 时的最大水平位移增加了21.57%；桩长17 m 时最大水平位移为-24.19 mm，比桩长21 m 时的最大水平位移增加了84.38%，但仍小于规范要求值，表明桩长为17 m时仍能保证基坑的安全.在锚索的优化模拟中，当减小锚索长度时基坑侧壁水平位移不断增加.由图14 可以看出，第3 种方案下基坑侧壁水平位移达到最大值-19.77 mm，相较于原设计方案，该情况下更节省用料，同时位移值也在规范允许范围内，因此第3 种方案更加合理.

4 结论

1)基坑侧壁水平位移在不同的开挖深度下，呈现出相同的规律性，基坑外土体沉降值随开挖深度的增加也呈现出相同规律性.在基坑开挖完成后，模拟得到的基坑侧壁水平位移值与基坑外土体沉降值同监测到的两者的数值都比规范值小说明了该基坑设计是安全的.

2)分析锚索轴力可知，从锚固段开始，每排锚索的轴力均是从锚固段的端头向锚固段端尾逐渐衰减，在端尾处达到最小值；分析桩身弯矩可知，每次基坑开挖引起的桩身弯矩的分布规律基本一致，只是在数值的大小上存在差异，最大弯矩的位置出现在当前开挖深度以下1～2.5 m 范围之内.

3)通过对比实际监测值，发现模拟结果与监测值趋势一致，说明该模拟较合理，但同时发现模拟值与监测值都比规范规定的值小很多，因此认为该支护方案设计比较保守.通过对原设计方案进行优化，当桩长为17 m 第1～第3 排锚索长度为14，16 和18 m 时，该支护方案相对安全.