超载下桩锚支护基坑的受力与变形分析

王彩蒙，宇云飞，朱常志，刘明珠

（河北农业大学 城乡建设学院，河北 保定 071001）

城市建设中的深基坑工程，其周边环境往往比较复杂，如周边存在地下管线、道路以及既有建筑等，基坑的设计与施工应确保周边环境的安全。当基坑边缘距相邻既有建筑物较近时，应考虑相邻既有建筑物超载对基坑支护结构受力与变形的影响，以防因基坑开挖导致相邻既有建筑物产生过大的附加不均匀沉降，从而引起建筑物的开裂、倾斜甚至倒塌。目前，已有不少专家或学者［1-12］基于各自的工程案例，采用理论或数值方法对基坑开挖与既有建筑物的相互影响进行了研究。笔者利用FLAC3D 软件，建立了以北京某桩锚支护结构的深基坑工程为例的数值分析模型，考虑是否有相邻既有建筑物超载的影响，对基坑在不同的开挖工况下，支护桩的水平位移和弯矩、锚索的轴力以及基坑周边的附加沉降进行了分析，以期对类似工程提供参考与借鉴。

1 工程概况

该深基坑工程位于北京市朝阳区，坑深11 m，平面形状为五边形，尺寸详见图1。基坑东侧距基坑边缘5 m 有5 栋居民楼，地上4 层，地下1 层，东西长58 m。基坑设计采用桩锚支护，排桩为钻孔灌注桩，桩径0.8 m，桩长18 m，桩间距1.4 m，混凝土强度等级C25；冠梁高0.6 m，宽0.8 m，混凝土强度等级C25；腰梁为28b 型号的双工字钢，锚杆参数见表1。水泥采用标号为P.O 42.5 的普通硅酸盐水泥，桩间铺设钢筋网，并用C20 的细石混凝土喷面。场区地层以第4 系黏性土、粉土及砂砾石交互地层为主，场地土层参数见表2。

图1 基坑边界长度图Fig.1 Boundary length diagram of foundation pit

表1 锚索的设计参数Table 1 Design parameters of anchor cables

表2 土层的参数Table 2 Parameters of soil layer

2 数值模型的建立

2.1 数值模型

选取存在既有建筑物的基坑东侧中部区域为研究对象，运用FLAC3D 软件，建立了其三维数值分析模型。考虑模型的边界效应和既有建筑物对基坑开挖的影响，从基坑边向外延伸64 m 为模型短边边界，从基坑底部向下延伸39 m 为模型底边界，延伸距离均大于3 倍的基坑开挖深度，基坑开挖部分长36 m，宽28 m，深11 m。模型底边界为固定铰支座，各方向没有位移，模型上边界为自由边界，是基坑的地面，模型的4 个侧面为滚轴支座，无侧面的平面法向位移［13］。该模型的坐标原点在前方左下角，X轴方向长为100 m，Y轴方向宽为28 m，Z轴方向高为50 m，如图2、图3。

图2 局部模型Fig.2 Local model

图3 开挖结束模型Fig.3 Excavation end model

采用Mohr-Coulomb 模型模拟土体的变形，考虑基坑开挖卸荷之后，坑内土体会受到影响。于是，计算模型中土层弹性参数的取值以基坑底部为分界线，基坑底部以上土层的弹性参数取值为实际测量值的3 倍，基坑底部以下土层的弹性参数取值为实际测量值的5 倍［14］，计算得出的结果更接近实际。以软件内置的线弹性结构单元模拟支护结构，如图4 所示。以结构单元“beam”模拟冠梁和腰梁，以结构单元“pile”模拟支护桩，冠梁和支护桩的弹性模量的取值为28 GPa，泊松比均取0.25，腰梁弹性模量取210 GPa，泊松比取0.3。锚索采用结构单元“cable”模拟，共设3 道，倾角均为15°，弹性模量取195 GPa。既有建筑物超载按100 kPa 考虑，忽略桩间土拱效应、挂网喷面等对土体位移的约束效应。

图4 支护结构布置Fig.4 Layout of supporting structure

2.2 基坑的开挖工况

表3 为基坑的开挖工况。

表3 开挖工况Table 3 Excavation conditions

3 数值结果与分析

以模型中部作为研究对象，分别考虑是否存在超载时，在基坑的不同开挖工况下，支护桩桩身水平位移、桩身弯矩、锚索轴力及基坑周边地表附加沉降的变化规律。

3.1 桩身水平位移变化规律

通过对比分析图5 中的(a)和(b)可以得出，随基坑开挖深度的增加，桩身水平位移逐步增大，并且沿着桩身中上部的水平位移比较大，下部的水平位移比较小，最大水平位移位于0.5 倍的基坑开挖深度处。相较于无超载时，存在超载时的桩身水平位移值变化很大。由此得出，基坑开挖越深，土对桩身水平位移的约束作用逐渐减弱，坑顶边缘超载对桩身上部水平位移的影响愈加显著。

图5 不同工况的桩身水平位移曲线Fig.5 Horizontal displacement curve of pile body under different working conditions

3.2 桩身弯矩变化规律

通过对比分析图6 中的(a)和(b)，可以得出，基坑开挖越深，桩身弯矩越大，沿桩身似“弓”字分布。工况1 之后，桩身最大正负弯矩值位置均有所下移，最大正弯矩均小于最大负弯矩的绝对值。无论坑顶是否存在超载，最大正负弯矩值的位置在各相应的工况下不会改变，开挖的越深，数值上相差的越大。随基坑开挖和支护结构发挥应有的作用，桩身弯矩受土的影响在减少，受锚索的约束在增大，坑顶超载对桩身中部弯矩影响较大。

图6 不同工况的桩身弯矩曲线Fig.6 Bending moment curves of piles under different working conditions

3.3 锚索轴力变化规律

通过对比分析图7 中(a)和(b)可以得出，锚索的自由段轴力变化曲线接近水平直线，且最大，锚固段轴力则迅速减小到某值。随基坑开挖深度的变化，锚索轴力在增加，但锚索周围在工况7 时没有工况5 时增加的多。坑顶是否存在超载时，锚索最大轴力值在各相应工况下相差很大。可以得出，随着基坑的开挖和其余2 道锚索的布置，第1 道锚索轴力受开挖深度的影响在减小，受其余2 道锚索的影响在增大。坑顶超载对第1 道锚索自由段以及锚固段前端和中部轴力影响较大，对锚固段末端几乎没影响。

图7 不同工况的第1 道锚索轴力曲线Fig.7 Axial force curves of the first layer anchor cables under different working conditions

3.4 基坑周边地表附加沉降变化规律

通过对比分析图8 中(a)和(b)可以得出，随工况的变化，考虑既有建筑物超载的附加沉降变形曲线呈“凹槽”状，不考虑超载的地表附加沉降几乎为零。

图8 不同工况的基坑周边地表沉降曲线Fig.8 Surface settlement curve around foundation pit under different conditions

地表附加沉降主要影响区大约距基坑边2 倍开挖深度，最大沉降位置不变，沉降的绝对值越来越大。主要影响区之外，随距基坑边距离的增大，沉降值越来越小，几乎等于零。有无超载时，各对应工况的基坑周边地表附加沉降值相差较大。说明随基坑开挖深度的加大，桩身中上部水平位移增大，引起基坑周边地表附加沉降。坑顶超载对距基坑边2 倍开挖深度范围内的地表附加沉降影响较大，主要影响区之外，附加沉降值基本不变。

4 结论

坑边存在建筑物超载时，随着开挖深度的加大，支护桩桩身中上部水平位移较大，下部较小，而不是“鼓肚”状分布；桩身弯矩沿桩身似“弓”字分布，最大正、负弯矩值位置会向桩底方向移动，最大正弯矩值比最大负弯矩的绝对值小很多，其弯矩值远大于无超载时的桩身弯矩；锚索自由段轴力最大且基本不变，锚固段轴力迅速减小，且轴力最大值远大于无超载时锚索轴力最大值；地表附加沉降呈“凹槽”状分布，距坑边2 倍开挖深度外地表沉降几乎为零，而无超载时地表几乎无沉降。研究成果可为类似基坑支护设计提供参考。

深基坑开挖对相邻既有建筑物的影响分析与控制至关重要。基坑周边存在建筑物超载时，不仅会加大支护结构的受力，还会改变基坑周边地表沉降的变形规律，基坑支护结构设计时，设计人员应验算基坑支护结构的正常使用极限状态，避免其设计不足之处对基坑周边环境和建筑物产生不必要的影响。若基坑周边有浅基、多层建筑物时，其所受基坑开挖的影响会更大。因为这些多层建筑物整体性差，建筑结构材料的强度低导致其抵抗变形的的能力很弱，基础埋深又浅，很小的扰动变形就会引发建筑物不均匀沉降，严重的甚至会引起管道破裂，建筑物垮塌等影响生命财产安全的事故发生。