地质灾害与环境保护
JOURNAL OF GEOLOGICAL HAZRDS AND ENVIRONMENT PRESERVATION
1999年 第10卷 第3期 vol.10 No.3 1999



武汉某深基坑锚式连锁灌注排桩
变形的有限元分析
向安田　邓荣贵　杨淑碧
摘　要：　以武汉某深基坑为例，采用有限单元数值模拟方法，研究基坑开挖深度、锚杆预应力、桩体厚度、桩体嵌入深度的变化与其锚式连锁灌注排桩支护结构水平变形位移的关系。
关键词：　深基坑；有限元；连锁灌注排桩；预应力锚杆
中图分类号：　TU473.1　TB115　　文献标识码：　A
FEM ANALYSIS OF TIEDJOGGLEPILE
DEFORMATION FOR A DEEP BASAL PIT IN WUHAN
Xiang Antian　Deng Ronggui　Yang Shubi
(Institute of engineering geology,Chengdu University of Technology,Chengdu　610059)
Abstract：　Taking a deep basal pit in Wuhan as a case history,this article adopts the numerical simulation method (Finite Element method)to study the variation of pit excavation depth、anchor prestress、pile width and embeded depth of pile and their relationship with the horizontal deformation and displacement of the tiedjogglepile.
Key words：　deep basal pit;finite element method;tiedjogglepile;prestressed anchor
1　前言
　　目前，高层建筑越来越多，高度不断增加，建设规模越来越大，随之基坑也越来越深，所处的地质条件也愈加复杂。基坑周边往往高楼林立，市政道路和地下管网纵横交错。若支护结构位移过大，则有可能导致坑周土体产生较大沉降、近临房屋及城市道路沉陷开裂、地下管网破坏等病害而造成严重后果。因此，支护结构除保证稳定可靠外，变形位移也亟需重视。研究支护结构的变形特征及影响因素，对基坑支护设计及信息化施工，都具有重要意义。有限元方法可以考虑土的非线性和开挖方式的影响、支护结构与土体的共同作用和协调变形特性，并能处理复杂结构的几何形状、边界条件和材料非均质性，因而其分析结果能反映许多因素对支护结构变形位移的影响。本文以武汉地区常用的锚式连锁灌注排桩支挡结构的变形位移，及其与主要设计参数的关系为例，用有限元法对武汉某深基坑工程进行分析。
2　工程概况及场地岩土工程条件
　　本工程总占地8．3×104 m2，其中，一期工程开挖面积3．80×104 m2，开挖深度11 m，两层地下室，采取桩—箱式基础。基坑基本呈矩形，长206 m，宽184 m。周边均为城市干道与高层建筑，最近的仅与之相距12 m。建筑场地为长江Ⅰ级冲洪积阶地，地形平坦，高程21～22 m。
　　场地地层主要为第四系沉积层，自上而下为：① 杂填土，厚约3 m；② 粘土夹淤泥质粘土透镜体，厚约7.0 m；③ 粉土，厚约6 m；④ 粉砂，厚约11 m；⑤ 粉细砂，厚约16.4 m；⑥ 中粗砂夹砾石，厚约9.0 m；⑦ 卵石，厚约8.0 m；⑧ 泥质页岩，未见底。地下水有上层滞水和承压水。上层滞水赋存于填土层中，主要由大气降水补给；粉土至基岩为承压水，丰水期承压水水头高程为19．5 m，埋深约2 m。


图1　连锁灌注排桩示意图
Fig.1　 Schematic diagram of tiedjoggle
pile
3　有限元分析模型
　　在间距较大的两桩之间，以两桩为导轨采用双反弧反循环施工技术灌注混凝土，形成桩与桩之间的双反弧连接，使之成为相互咬合的板式拼装结构，再在桩体上布置一排或多排锚杆，形成所谓的锚式连锁灌注排桩(图1)。这种支挡结构既能挡土，又能止水。
3．1　模型建立
　　考虑到基坑及地层的似对称性，并参照文献［3］计算范围的选取方法，选取基坑中轴面一侧140 m×60 m的平面进行研究。
3．2　边界条件的确定及参数选取
　　如图2所示，模型左、右两边为水平零位移边界面，取水平约束。底边为竖向零位移边界面，取竖向约束。基坑周边的荷载(车载等活荷载、已有建筑物静载)等效处理为10 kPa的均布荷载。场地地层整体上呈水平层状结构，单层作均质简化处理，可视为均质弹塑性体；锚杆视为线弹性体；桩体视为相异于土体的非均质弹塑性体。根据试验资料、有关文献和规范，地层土体及支挡结构的力学参数列于表1中。


图2　有限元模型图
Fig.2　FEM model
表1　有限元模拟参数表
Table 1　FEM simulation parameters

　参数
土层弹性模量
(MPa)泊松比初始内聚力
(MPa)初始内摩
擦角(°)残余内聚力
(MPa)残余内摩
擦角(°)饱和容重
(MN／m3）天然容重
(MN／m3）抗拉强度
(MPa)
混凝土25 0000．1860017　0．0251
填　土60．380．010200．00460．0190．018 50
粘　土50．390．020150．00440．0190．018 50
粉　土70．380．01518060．0200．019 50
粉　砂120．340．004300150．0200．0190
粉细砂140．330．002310150．0210．0190
中粗砂200．320320160．0220．0190
卵　石400．300350180．0220．0180


3．3　模拟分析方案
　　计算中，研究逐层开挖、逐层加锚，以及桩体厚度(刚度)、桩体嵌入深度、锚杆预应力大小变化与桩体变形位移的关系。整个计算按平面应变问题进行处理，求解步骤为：　整个模拟按初始状态→开挖→加第一层锚开挖→加第二层锚开挖的顺序进行。开挖释放荷载反向施加于开挖面上，并同坑周均布荷载一样，将其转化成节点荷载。每一步开挖，即把开挖掉的单元作空单元处理。只在研究锚杆预应力与位移关系时对锚杆施加预应力，锚杆预应力按节点荷载处理。以总应力法计算，地下水位以上土体取天然容重，地下水位以下土体取饱和容重。由于研究临时支护开挖后产生的变形位移，所以，计算中不计入初始位移，如流变因素对位移的影响。
4　结果及分析
4．1　开挖深度与变形位移的关系
　　图3表明：即使逐层开挖，逐层加锚，桩体位移仍随开挖深度加大而加大。随基坑开挖不断加深，桩的挠曲度都很小。刚开始开挖时，桩体受内力较小，随着开挖的深入，桩体所受内力虽然加大，但由于锚支座的加入又增大了其线刚度，所以，直到开挖完毕，桩的挠曲度都不大。这说明锚杆的加入增大了桩体的结构稳定性。


图3　开挖深度－变形位移关系图
Fig.3 Excavation depthdisplacement relationship
③，②，①分别是第一次、第二次、第三次开挖后，0.8m
厚的桩在嵌入22 m时的变形曲线
4．2　桩体厚度与变形位移的关系
　　图4中：曲线②表明：当桩体刚度较小时，桩体在坑底附近(挖深11 m)发生向坑内的最大挠曲，如果刚度太小，桩体会发生弯曲破坏。曲线①表明：当桩体刚度过大但桩体嵌入深度不大时，桩体会绕锚杆结点发生刚性转动，而易发生“踢脚”破坏。曲线③，④表明：桩体刚度增大，有利于减小其挠曲度，从而使结构更稳定，但在一定范围内增大桩锚(特别是多层锚)支护体系中桩的刚度，对限制结构位移的效果并不明显。


图4　桩厚－变形位移关系图
Fig.4 Pile thickness-displacement relationship
①，②，③，④分别是开挖完毕后，厚1.2 ，0.6 ，1.0 ，0.8 m
的桩在嵌入22 m时的变形曲线


图5　预应力－变形位移关系图
Fig.5　Anchor prestress-displacement curve
①，②，③是长22 m，厚0．8 m的桩在40％，60％，80％设计
拉力的预应力作用下的变形曲线
4．3　锚杆预应力大小与变形位移关系
　　图5中三条曲线表明： (1) 施加锚杆预应力是限制桩体上部位移的有效手段；(2) 不能施加过大的预应力，以免桩体过分后移而使桩体受力条件恶化，危及其强度及整体稳定性的安全；(3) 限制位移的最佳预应力值，是锚杆设计拉力的60%左右。
4.4　桩体嵌入深度与变形位移的关系
　　图6中：曲线①表明：桩体嵌入深度不能太浅，否则会因被动土压力不足而发生“踢脚”破坏；②，③曲线表明：由于桩、土体及锚杆的协同作用，增加桩体长度不一定能收到限制桩体位移的效果(多锚支护)，还可能使桩体位移有所加大；曲线④表明：桩体入土深度不宜过大，太大时桩体下端相当于固定端，而很难发生变形位移，从而在开挖卸荷时桩体所受应力向上转移集中，导致上部变形位移比嵌入深度小的桩还大。


图6　嵌入深度－变形位移关系图
Fig.6　Embeded depth-displacement curve
①，②，③，④是厚0．8 m的桩在嵌入15 ，18 ，22，26 m时的变形曲线
5．主要认识
　　(1) 桩刚度不能太小，以免发生“弯曲”破坏；嵌入深度也不能太小，以防发生“踢脚”破坏。
　　(2) 锚杆施加预应力，是限制桩体位移的经济、有效手段，但预应力不能施加过大。
　　(3) 在有多层锚的桩—锚支护结构中，通过改变桩体厚度、或嵌入深度来减少支护结构位移的办法不可取，其嵌入深度与厚度只要能满足强度及稳定性条件即可。
　　(4) 随着开挖的深入，即使逐层加入锚杆，桩体位移仍有较大增幅，施工中应避免“超挖”。
作者简介：　向安田，男，25岁。岩土工程专业，硕士。主要从事深基坑支护方面的研究工作。
作者单位：成都理工学院工程地质研究所，成都　610059
参考文献
［1］　尚岳全等.工程地质数值法［M］.成都：成都科技大学出版社，1992.
［2］　陈佳川等.加筋土挡土墙有限元分析.见：第四届全国岩土力学数值分析与解析方法论文集［C］.武汉：武汉测绘科技大学出版社，1991.
［3］　胡成.开挖工程非线性有限元计算程序.见：中国土木工程学会计算机应用学会论文集(3)［C］.北京：冶金工业出版社，1989.
