深基坑开挖中支护结构参数优化设计

叶永刘 杨谢旋

(三峡大学 水利与环境学院,湖北 宜昌 443002)

有限元计算分析是深基坑开挖过程中支护结构设计行之有效的方法,通过有限元计算能够直观、全面得到土体、桩体位移与变形以及土体、桩体、锚杆应力.么梦阳[1]对基坑的最大水平位移与桩间距关系进行了研究,结果表明基坑的最大水平位移随桩间距减小而减小,但减小桩间距到一定程度后位移减小已不明显;马海翔[2]通过MIDAS GTS提出排桩直径影响着桩水平位移大小,排桩水平位移最大值随桩径增大而减小;丁伟[3]对桩体嵌入不同土体深度对桩水平位移影响进行了研究,得到了桩体水平位移与桩体嵌入土体深度关系;丁亚中[4]使用MIDAS GTS进行基坑模拟,分析基坑水平位移与竖直位移,并与现场监测数据进行对比,发现数值模拟方法是有效的;徐可强等[5]借助MIDAS GTS提出锚索轴力衰减为0时锚索锚固段长度可以作为最优锚固段长度;赵中椋[6]通过MIDAS GTS软件对桩锚支护体系进行了土体位移、基坑受力方面的研究;李明瑛等[7]通过MIDAS GTS对某基坑工程进行分析,得到了开挖过程中基坑最大位移的位置和锚杆锚固力的变化规律.Terzaghi和peck等[8-9]对基坑工程进行了梳理总结,结合当时的一些工程案例,提出了应用于基坑工程的总应力法.Wong等[10]通过改变深基坑的开挖深度以及基坑跨度并更换支护结构材料,使用二维平面应变方法研究了对支护结构的影响.王绪锋等[11]运用ABAQUS有限元软件对桩锚支护结构建立三维单桩对称模型,模拟支护桩在不同工况下的水平位移,并与监测值进行对比,验证模型的合理性.

已有研究成果都是在特定区域、不同地层和工程实际需求,且支护结构已经确定条件下进行,而针对深基坑桩锚+圈梁(腰梁、冠梁)复合结构组合优化和协同工作机制研究仍不够深入,也不多见.本文首先建立桩锚支护复合结构整体有限元模型,模拟开挖过程并与现场监测数据进行对比,然后改变支护结构设计参数,通过变形状态控制理论优化设计方案.为得到最优设计方案,进行多种锚杆入射角度组合计算,寻找最优角度组合;进行多种围护桩体积与深度组合计算,寻找最优体积和深度组合.重点分析复合结构中上下两层锚杆不同位置对围护桩位移和坑外土沉降的影响机理.

1 工程概况

本项目为农村抗旱应急引调水工程,由引水顶管、抽水泵站和输水管道三大部分组成,工程地处湖北省孝感市境内,拟建抽水泵站位于澴河右岸,工程中深基坑为拟建泵站的前池和沉砂池.勘察测得地下水稳定水位标高为23.7 m,地下水赋存于二层砾砂中,为孔隙承压水.

经现场勘察及区域地质调查,拟建场区覆盖层由第四系全新统冲洪积覆盖层黏土及砾砂组成,下伏基岩为白垩系上统河家坡组(垩系上统河家坡组(K2h),岩性为粉砂岩.场地内岩土层按成因、成份、结构构造及物理力学性质的不同,自上而下分为粉质黏土、砂砾和泥质粉砂岩等3层.根据场地地质资料,得到现场各土层的分布情况和MIDAS GTS NX 有限元软件建模所需要的物理力学参数,具体数值见表1.

在开挖深度0.5 m 处设置第一层锚杆,锚杆入射角度15°,锚杆直径150 mm,锚杆自由端长5 m、锚固段长9 m,预应力设置为150 k N.在开挖深度4 m 处设置第二层锚杆,锚杆入射角度15°,锚杆直径150 mm,锚杆自由端长5 m、锚固段长9 m,预应力设置为100 k N.基坑剖面结构与支护结构分布如图1所示.

图1 基坑剖面及支护结构分布关系(单位:m)

2 有限元模型的建立

2.1 基本假定

为简化计算,假定如下:1)同一种材料为均质、各向同性;2)桩和锚杆均为弹性体;3)不考虑支护结构施工时对土体扰动的影响;4)土体为理想弹塑性材料.

2.2 建立模型

根据工程项目实际场地土层分布及周边环境,按照基坑支护结构构件的实际尺寸,采用有限元软件MIDAS GTS NX 建立计算模型,进行模拟分析,模拟过程采用弹塑性变形理论,破坏准则为修正的摩尔-库伦准则.

图2为整体有限元模型,根据模拟经验,模型边界距基坑距离取基坑深度的3～5倍,深度延伸尺寸一般取基坑开挖深度的1.5倍.模型开挖宽度30 m,开挖深度8.5 m.模型采用2D 网格划分,网格尺寸定义为0.5,共划分20 318个网格,单元类型采用平面应变;围护桩混凝土支撑单元类型采用梁单元,锚杆采用植入式桁架单元;对底部和两侧施加边界约束和自重,设置三次基坑排水边界条件.由于围护桩和土体的剪切模量相差较大,在两者交界处设置了接触面单元.

图2 基坑-支护结构有限元模型

为进行支护结构设计优化,对支护结构参数进行设计调整,具体见表2.

表2 支护结构参数设计调整

2.3 开挖过程模拟

施工阶段分为11个,具体见表3.

表3 施工步骤

续表3 施工步骤

3 基坑开挖变形模拟结果分析

3.1 模拟值与监测值对比

由图3可知,开挖二模拟值桩顶位移11.57 mm,最大水平位移也为11.57 mm,最大水平位移位置位于桩顶;开挖三模拟值桩顶位移20.54 mm,最大水平位移20.54 mm,最大水平位移位置位于桩顶;这是由于基坑没有采用内支撑支护,所以围护桩位移悬臂梁最大桩位移在桩顶.

图3 模拟值与监测值对比

由图3 可知,开挖二模拟水平位移最大值为11.57 mm,与开挖二监测值12.50 mm 相差不大,约为8.0%;开挖三模拟水平位移最大值为20.54 mm,与开挖三监测值21.50 mm 相差不大,约为4.6%,模拟与监测值最大水平位移值位置接近.通过对比曲线,验证了模型建立的有效性和参数取值的合理性.

3.2 锚杆入射角度对基坑位移的影响

1)由图4(a)可以得出,坑外土沉降曲线呈两头小,中间大的下凹形状.当锚杆入射角度为10°和15°时,坑外土沉降最大值位于距基坑边距离14 m 左右;当锚杆入射角度为25°、35°、40°时,坑外土沉降最大值位于距基坑边距离17 m 左右.坑外土沉降最大值不会随锚杆入射角度增大而减小,但在锚杆入射角为25°时,坑外土最大沉降值是最小的.

2)由图4(b)可以得出,除了锚杆入射角度10°,其他锚杆入射角度的围护桩变形曲线均呈悬臂梁形式,桩顶位移最大,主要原因是不存在内支撑作用.当锚杆入射角度为10°时,水平位移最大值在围护桩深度4 m 位置,看来锚杆入射角度太小将起不到有效锚固作用.同时发现,水平位移最大值并不是随着入射角度增加而减小,当锚杆入射角为25°时,桩顶最大水平位移值是最小的.

图4 锚杆入射角对基坑位移的影响

3.3 围护桩尺寸对基坑位移的影响

1)由图5(a)可以看出,当围护桩深度为11、13、15、17 m 时,坑内土最大沉降值位于距基坑边距离17 m 左右,随着深度的增加而减小.当围护桩深度为19 m 时,坑内土沉降曲线高于其他围护桩深度,说明围护桩深度增加到一定程度后对坑内土沉降的影响变大.

2)由图5(b)可以看出,随着围护桩厚度每增加0.2 m,坑外土沉降最大值改变量随之减小,说明围护桩深度增加到一定程度后对坑外土沉降最大值的影响变小.

3)由图5(c)可以看出,当围护桩厚度为0.4 m 和0.6 m 时,围护桩的变形曲线均呈两头小,中间大的形状,主要原因是围护桩厚度过小.当围护桩厚度为0.8、1.0、1.2 m 时,围护桩的变形曲线均呈悬臂梁形式,变形曲线接近重合,说明围护桩厚度增加一定程度后对围护桩变形曲线影响变小.

4)由图5(d)可以看出,围护桩的变形曲线均呈悬臂梁形式.当围护桩深度为13、15、17 m 时,围护桩的变形曲线接近重合.围护桩深度每增加2 m,其中桩顶水平位移变化量最大是由11 m 增加到13 m.当围护桩深度为19 m 时,围护桩的变形曲线高于其他围护桩长度.

图5 围护桩尺寸对基坑位移的影响

4 支护结构优化

4.1 锚杆入射角度优化

围护桩桩长对锚杆入射角度的影响如图6所示.由图6可知,围护桩长度的改变并不影响锚杆的最优角度.由图6(a)可知,在围护桩长度增加到15 m 以后,桩顶的水平位移改变量减小;由图6(b)可知,在围护桩长度由17 m 增加到19 m,坑外土最大沉降值改变量最大.

图6 锚杆入射角对基坑位移的影响

改变第一层锚杆入射角度和第二层锚杆入射角度,进行交叉组合,存在两层锚杆交叉除去,进行模拟计算得到围护桩桩顶水平位移值(围护桩水平位移最大值)、坑外土沉降最大沉降值,见表4～5.

表4 围护桩桩顶水平位移值 (单位:mm)

表5 坑外土沉降最大沉降值 (单位:mm)

由表4～5可知,当两层锚杆平行时,锚杆入射角度为25°的桩顶水平位移和坑外土沉降达到最小值18.8 mm 和12.9 mm.当两层锚杆不平行时,第一层锚杆入射角度为25°和第二层锚杆入射角度为30°组合,桩顶水平位移达到最小值18.8 mm,坑外土沉降达到最小值12.9 mm.锚杆平行与不平行得到的结果相差很小,结合安全与经济考虑,选取两层锚杆平行和锚杆入射角度25°进行优化,桩顶水平位移相比原来减小1.7 mm,坑外土沉降相比原来减小1.2 mm.

4.2 围护桩尺寸优化

假定围护桩原设计纵剖面面积为10.4 m2,取围护桩纵剖面面积为原面积的80%、90%、110%、120%,与原面积对比分析,进行模拟计算得到围护桩桩顶水平位移值,见表6.

表6 围护桩优化时桩顶水平位移值 (单位:mm)

由表6可得,当围护桩桩长为16m 和面积为原面积1.2倍时,围护桩桩顶水平位移为最小值17.85 mm,当围护桩桩长为16m 时,改变围护桩纵剖面面积对桩顶水平位移影响不大,基本在18 mm 左右,因此可以取80%纵剖面面积作为优化选取,相比原来水平位移减小了2.38 mm.

4.3 锚杆与围护桩组合优化

选取围护桩桩长16 m,锚杆入射角度25°,取围护桩纵剖面面积为原面积的60%、70%、80%、90%与原面积对比分析,进行模拟计算得到围护桩桩顶水平位移值和水平位移最大值,见表7.

表7 锚杆与围护桩组合优化 (单位:mm)

由表7 可得,当围护桩纵剖面面积为60%和100%时,桩顶水平位移值相差不大,水平位移最大值相差1.95 mm,结合工程实际和经济情况,最终选取围护桩深度16 m,锚杆入射角度25°,围护桩纵剖面面积为原面积60%进行优化.

由图7(a)可得,优化后围护桩的最大剪力比原设计围护桩的最大剪力减小了55 k N;由图7(b)可得,优化后围护桩的最大弯矩比原设计围护桩的最大弯矩减小了80 k N·m;由图7(c)可得,优化后围护桩的最大轴力比原设计围护桩的最大轴力减小了35 k N.

图7 围护桩内力随深度分布

5 最优设计方案和主要结论

根据以上研究,支护结构的最优设计方案为围护桩联合锚杆支护体系,围护桩的混凝土强度等级为C30,桩深度16 m,桩纵剖面面积为6.24 m2.在开挖深度0.5 m 处设置第一层锚杆,锚杆入射角度25°,锚杆直径150 mm,锚杆自由端长7 m、锚固段长9 m,预应力设置为150 k N;在开挖深度4 m 处设置第二层锚杆,锚杆入射角度25°,锚杆直径150 mm,锚杆自由端长5 m、锚固段长9 m,预应力设置为100 k N.实际工程采用了最优方案.

施工现场桩身安装了测斜管,在开挖过程中实时进行桩身侧向位移监测,测斜管探头测出倾斜角,换算成桩顶侧向位移,通过与初始观测数据对比,得到桩顶侧向偏移的变化量.通过对比分析,监测结果较好地验证了最优设计方案的可行性.

主要结论如下:

1)当锚杆入射角为25°时,坑外土最大沉降和桩顶位移达到最小,为最优角度.

2)当围护桩深度增加到开挖深度一倍以上时,对基坑位移的影响变大.将围护桩深度从设计值13 m增加到16 m,同时缩小厚度,围护桩纵剖面面积变为原来的0.8倍,而围护桩桩顶水平位移比原来略小.

3)锚杆与围护桩组合优化设计相比原假定设计桩顶水平位移值减小了3.93 mm.

本文对桩锚支护结构优化设计没有考虑地下水发生渗透破坏的影响,另外,冠梁、腰梁结构形式和位置分别对围护桩位移的影响有待进一步研究.