許超

(中兵勘察設(shè)計(jì)研究院，北京 100053)

粉質(zhì)粘土地層樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)土壓力分布研究

許超

(中兵勘察設(shè)計(jì)研究院，北京 100053)

利用FLAC3D對(duì)順義區(qū)某深基坑工程進(jìn)行了仿真分析，模擬出了樁側(cè)土壓力分布曲線，并與經(jīng)典土壓力理論進(jìn)行了對(duì)比，指出樁身位移、錨桿拉力模擬值與實(shí)測(cè)值更加接近，認(rèn)為模擬土壓力分布曲線更加符合工程實(shí)際，提出的粉質(zhì)粘土地層樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)土壓力分布形式，對(duì)于優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，降低施工成本具有重要意義。

樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)，土壓力分布，F(xiàn)LAC3D

0 引言

城市地下空間的大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用和高層建筑的興起，加速了深基坑工程的發(fā)展，但巖土工程向來(lái)存在理論滯后于實(shí)踐的現(xiàn)象，深基坑工程的發(fā)展也伴隨著支護(hù)設(shè)計(jì)保守，材料隱性浪費(fèi)等問(wèn)題。

本文基于北京市順義區(qū)某深基坑工程樁身位移、錨桿拉力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)值模擬軟件FLAC3D及工程設(shè)計(jì)軟件理正深基坑(7.0)進(jìn)行分析和研究，提出粉質(zhì)粘土地層樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)樁側(cè)土壓力分布形式，為今后該類(lèi)地層下深基坑工程設(shè)計(jì)和施工提供科學(xué)依據(jù)和合理化建議。

1 工程概況

該項(xiàng)目位于北京市順義區(qū)馬坡鎮(zhèn)，工程占地面積約28 000 m2，基坑支護(hù)深度14.38 m，采用上部擋土墻+下部護(hù)坡樁錨桿聯(lián)合支護(hù)形式。其中擋土墻墻高3.0 m，冠梁位于-3.0 m位置，護(hù)坡樁樁長(zhǎng)16.0m，嵌固段4.62m，樁徑800mm，樁間距1.50m，共設(shè)置3道預(yù)應(yīng)力錨桿，錨桿設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 錨桿設(shè)計(jì)參數(shù)表

擬建場(chǎng)地內(nèi)地層分布，除上部擋土墻范圍內(nèi)夾雜素填土及下部約1 m厚粉細(xì)砂層外，其余均為粉質(zhì)粘土，地層主要參數(shù)為重度19 kN/m3，粘聚力25 kPa，內(nèi)摩擦角15°，不考慮地下水的影響。

在工程實(shí)施過(guò)程中對(duì)護(hù)坡樁樁身水平位移及錨桿拉力等進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，基坑監(jiān)測(cè)對(duì)指導(dǎo)施工具有重要意義，當(dāng)監(jiān)測(cè)顯示位移變化速率過(guò)快時(shí)就要停止土方作業(yè)，查明原因并適時(shí)對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，防止事故發(fā)生，基坑監(jiān)測(cè)已經(jīng)成為基坑施工過(guò)程中必不可少的內(nèi)容。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 施工工況模擬

基坑施工模擬共分為1個(gè)初始平衡步和5個(gè)開(kāi)挖步。通過(guò)model null命令模擬施工中的土體開(kāi)挖，土體開(kāi)挖至錨桿設(shè)計(jì)位置以下1.0 m后添加錨桿Cable單元，初始平衡步執(zhí)行計(jì)算循環(huán)到最終狀態(tài)(ratio=1e-5)，前4個(gè)開(kāi)挖步由于工序銜接緊密，施工錨桿前上部結(jié)構(gòu)、土體變形并不能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，因此按照step 2000命令執(zhí)行，最后1個(gè)開(kāi)挖步執(zhí)行計(jì)算循環(huán)到最終狀態(tài)。

2.2 樁側(cè)土壓力分布

通過(guò)跟蹤護(hù)坡樁(Shell單元)前后土體水平方向應(yīng)力S-xx，可以得到樁側(cè)土壓力分布隨土體開(kāi)挖及錨桿施工的變化曲線，見(jiàn)圖1。

圖1 樁側(cè)土壓力分布隨基坑開(kāi)挖變化曲線

從圖1中看出，主動(dòng)區(qū)土壓力分布形態(tài)在錨桿施工前基本符合經(jīng)典土壓力理論，土壓力分布呈線性增大形式，而隨著土體開(kāi)挖及錨桿的施工，主動(dòng)區(qū)土壓力分布形態(tài)出現(xiàn)改變，錨桿支護(hù)作用范圍內(nèi)主動(dòng)區(qū)土壓力逐漸減小，并呈矩形分布形態(tài)，護(hù)坡樁端部范圍主動(dòng)區(qū)土壓力逐漸增大。被動(dòng)區(qū)土壓力分布形態(tài)在錨桿施工前同樣基本符合經(jīng)典土壓力理論，受土體開(kāi)挖及錨桿施工影響，被動(dòng)區(qū)土壓力也產(chǎn)生重分布，逐漸呈現(xiàn)“中間大、兩頭小”的分布形態(tài)。

樁錨支護(hù)屬于柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)，這種作用在樁側(cè)的土壓力與經(jīng)典理論假設(shè)的填土作用在剛性擋土墻上的土壓力必然不同，加上樁體變形協(xié)調(diào)作用和錨桿主動(dòng)約束作用使得土壓力產(chǎn)生重分布。

支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出現(xiàn)材料浪費(fèi)的主要原因正是因?yàn)榘凑战?jīng)典土壓力理論計(jì)算過(guò)于保守，土壓力實(shí)際分布形態(tài)并非像經(jīng)典土壓力理論那樣呈線性增大的形式，且土壓力小于經(jīng)典土壓力理論計(jì)算值。利用理正深基坑計(jì)算相同地層下樁側(cè)土壓力，并與模擬的開(kāi)挖完成后樁側(cè)土壓力分布曲線進(jìn)行對(duì)比。

模擬的主動(dòng)區(qū)土壓力在槽底以上呈矩形分布，最大土壓力值約30 kPa，經(jīng)典理論計(jì)算的土壓力分布呈線性增大趨勢(shì)，最大土壓力值134.3 kPa。開(kāi)挖面以上模擬主動(dòng)區(qū)土壓力小于經(jīng)典理論計(jì)算值，開(kāi)挖面以下模擬主動(dòng)區(qū)土壓力大于經(jīng)典理論計(jì)算值，模擬的主動(dòng)區(qū)土壓力無(wú)論分布形態(tài)還是土壓力值大小都與經(jīng)典土壓力理論不同。

3 結(jié)論及展望

1)本文通過(guò)對(duì)順義區(qū)某深基坑工程進(jìn)行仿真模擬，得出的樁身水平位移及錨桿拉力值與實(shí)測(cè)值基本相符，通過(guò)跟蹤土體單元應(yīng)力，得出樁側(cè)土壓力分布曲線，通過(guò)與經(jīng)典土壓力理論對(duì)比，認(rèn)為按照經(jīng)典土壓力理論計(jì)算的土壓力過(guò)大是造成支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保守，材料隱性浪費(fèi)的主要原因。在保證施工質(zhì)量的前提下，支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化空間較大。

2)模擬得出的主動(dòng)區(qū)土壓力呈“上三角、下矩形”形式分布，這與Terzaghi-Perk提出的中軟—軟粘土土壓力包絡(luò)圖相似，但土壓力值需要進(jìn)行折減，折減系數(shù)需依據(jù)地層特性及支護(hù)結(jié)構(gòu)類(lèi)別進(jìn)行確定，這可在以后的工程實(shí)踐中進(jìn)行研究，以確定不同地層條件下折減系數(shù)的取值。

3)根據(jù)主動(dòng)區(qū)土壓力分布形態(tài)，可利用理正深基坑構(gòu)建土壓力模型，進(jìn)而分析支護(hù)結(jié)構(gòu)位移、內(nèi)力，獲得更接近于實(shí)測(cè)值的位移、內(nèi)力設(shè)計(jì)值。

4)本文研究了粉質(zhì)粘土地層條件下樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)土壓力分布規(guī)律，基于數(shù)值模擬的研究方法，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)測(cè)，不僅驗(yàn)證了FLAC3D在基坑開(kāi)挖模擬方面的有效性，也驗(yàn)證了經(jīng)典土壓力理論應(yīng)用于設(shè)計(jì)還存在較大改進(jìn)空間，本文的研究方法同樣適用于其他地層及其他支護(hù)結(jié)構(gòu)形式土壓力問(wèn)題的研究。

［1］ 胡賀松.深基坑樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及受力變形特性研究［D］.長(zhǎng)沙:中南大學(xué)博士學(xué)位論文，2009.

［2］ 趙建平，余 闖，陳國(guó)興，等.考慮位移影響的Rankine土壓力模型及有限元計(jì)算分析［J］.工程勘察，2006(10):13-16，21.

［3］ 孫書(shū)偉，林 杭，任連偉.FLAC3D在巖土工程中的應(yīng)用［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2006.

［4］ 丁勇春，王建華，徐 斌.基于FLAC3D的基坑開(kāi)挖與支護(hù)三維數(shù)值分析［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，43(6):976-980.

［5］ 許 超.深基坑樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)樁側(cè)土壓力分布研究［D］.北京:北京工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文，2013.

Research on distribution of soil pressure of pile-anchor bracing structure at silty clay stratum

Xu Chao

(China Ordnance Industry Survey and Geotechnical Institute，Beijing 100053，China)

The paper adopts the FLAC3Dto undertake the simulation analysis of some deep foundation pitprojects at Shunyidistrict，simulates the distribution curve for the soil pressure at the pile sides，has the comparison the technique with the classic soil pressure theory，points out the simulated values of the pile displacement，forces of anchors，are close to themeasured ones，concludes the distribution curves adheres to the engineering fact，and points out the distribution forms of the pile-anchor soil pressure at silty clay stratum，so it ismeaningful for the optimized design and the reduction of construction cost.

pile-anchor support structure，soil pressure distribution，F(xiàn)LAC3D

TU432

A

1009-6825(2015)29-0091-02

2015-08-07

許 超(1988-)，男，助理工程師