黃晉睿

（中鐵十二局集團第三工程有限公司，太原 030024）

1 引言

隨著城市建設的發(fā)展，規(guī)劃重點已轉向地下工程建設，出現(xiàn)了一系列深基坑、超大基坑工程?；又ёo是基坑開挖中重要的防護工程，合理的支護方案才能保證基坑開挖、構筑物建造的順利完成。放坡開挖和支護開挖是最常見的防護形式。在城市建設中基坑受周邊環(huán)境的制約較大，支護開挖逐漸成為主流的支護形式。常見的支護形式包括水泥土擋墻、土釘墻、灌注樁排樁、地下連續(xù)墻等。

經典支護結構的原理是通過主動支護來抵抗和削弱坑邊不穩(wěn)定土體的下滑力，從而提升基坑土體整體的穩(wěn)定性，有時支護結構還常常被聯(lián)合使用于周邊環(huán)境復雜的深基坑和超大基坑工程。陳曉、呂亞東等[1-2]通過研究深基坑開挖變形中的模擬數(shù)值與實測數(shù)據對照，用以分析數(shù)值模擬分析結果的可用性。席早陽等[3]將某工程基坑樁錨支護結構建立有限元模型，對其中的旋噴錨桿進行研究，通過ABAQUS軟件計算進一步優(yōu)化原始的設計參數(shù)。盧萌盟等[4]對預應力錨索進行數(shù)值模擬，分析該結構在基坑支護中起到的作用。徐俊[5]提出基于極限平衡法的計算開挖過程中坑底隆起變形簡化方法，并與有限元法模擬的結果進行比較，證明該簡化計算方法的可靠性。?mer Bilgin[6]基于有限元法進行建模分析，得到板樁墻支護結構在不同土壤條件以及墻體高度下的影響。綜上可知，許多專家學者對基坑支護結構的研究多為土釘支護、地連墻或把排樁簡化為等剛度的板樁墻，而對于形式的研究較少。

本文根據某項目基坑支護的實際情況，采取雙排樁加內側施作錨索的基坑支護方案，建立有限元模型，通過計算，模擬該支護結構形式在基坑開挖過程中產生的變形規(guī)律，進一步指導施工現(xiàn)場的施工。

2 工程概況

2.1 工程簡介

廣渠路東延作為連接北京市區(qū)核心圈與北京城市副中心的重要通道的一部分，全長約7.6 km，其中，廣渠路東延下穿通東機場專用鐵路立交橋工程，控制性節(jié)點之一就是基坑支護結構的設計與施工，這關乎主體框構橋能否順利實施。

2.2 工程地質特征

通過地勘和試驗測試，項目所在場地的地層巖性主要為第四系全新統(tǒng)人工堆積層（Q4ml）和沖洪積層（Q4al+pl），包含雜填土、素填土，粉質黏土、粉土、粉砂、中砂，第四系上更新統(tǒng)沖洪積層（Q3al+pl）包含粉質黏土、粉砂、中砂。各土層力學參數(shù)詳見表1。

表1 土層力學參數(shù)取值

2.3 基坑支護結構設計

本項目框架橋工程全長271 m，采用明挖法施工，基坑開挖深度19~23 m。綜合下穿運營鐵路的需要以及周邊環(huán)境的復雜性，將基坑支護分為5段，采用3種不同的形式進行支護，最大限度地保證基坑安全?；觾啥瞬糠謩e采用地下連續(xù)墻+混凝土支撐+鋼管撐的防護形式，開挖深度19~23 m；地下連續(xù)墻內側部分采用雙排防護樁+內側施作預應力錨索的防護形式，開挖深度20~22 m；框架橋下部由于基坑兩側前排樁無法施工預應力錨索結構，采用雙排防護樁+樁間施作預應力錨索的支護形式，總平面布置圖詳見圖1。

本工程基坑規(guī)模大、距離長、開挖深，支護形式復雜多樣，在計算分析時截取部分基坑支護模型，對基坑支護形式進行簡化，對雙排樁加內側施作預應力錨索支護結構形式的有限元模型進行數(shù)值模擬分析?，F(xiàn)場采用的雙排灌注樁樁徑1.5 m，樁長48 m，樁間距1.8 m，排距6 m。為提高雙排樁支護結構的整體剛度，在其上施加冠梁和樁間連梁，在內側樁施作預應力錨索，雙排樁、冠梁和連梁均采用C35混凝土澆筑，預應力錨索采用3束φ15.2 mm的普通鋼絞線，入射角25°，錨固體直徑150 mm?；又ёo施工現(xiàn)場如圖2所示。

3 有限元模型構建

3.1 定義模型材料

不同土體本構模型存在很大差異，選擇合適土體的本構關系會對計算結果的精確性有重要影響。結合實際情況，選擇Mohr-Coulomb破壞模型，如圖3所示。其中σ1、σ3分別為最大和最小主應力，σ2為極限平衡狀態(tài)下的應力值。

M-C破壞模型屈服準則：當作用于某一點的剪應力達到該點的抗剪強度極限時，該點將會發(fā)生破壞；該模型強度準則為：

式中，τ為剪切強度，kPa；σ為正應力，kPa；φ為土體的內摩擦角。

土體的M-C破壞條件表達式可以轉化為函數(shù)F：

式中，p為平均應力，kPa；q為廣義偏差應力，kPa；θσ為應力Lode角；c為土體的黏聚力，kPa。

基坑支護有幾種結構：雙排灌注樁、冠梁、連梁和錨索，需要對這些支護結構材料參數(shù)進行定義，保證仿真模擬結果與實際工程中的測量數(shù)據接近。表2為各支護結構參數(shù)。

表2 支護結構參數(shù)

3.2 建立有限元模型

根據本項目采用的基坑支護結構形式，建立圖4的基坑開挖支護的整體有限元模型，該模型的長、寬、高分別為271 m、130 m、100 m。因基坑的支護結構采用對稱形式布置，故可選取基坑支護的局部進行有限元模擬計算。選取部分的寬度18 m，深20 m。按照圣維南原理，水平方向寬度選取基坑開挖寬度的2~3倍，豎直方向選取基坑開挖深1~2倍的范圍建立模型，最終選定的局部有限元模型長、寬、高為37 m、65 m、100 m。按照施工開挖步驟，運用ABAQUS軟件對基坑開挖進行分步模擬，并在每步開挖后施作預應力錨索，各開挖步驟工況見表3。

表3 各開挖步驟工況m

為詳細展示樁錨結構的相對位置以及作用方式，附基坑樁錨支護結構的有限元模型示意圖，詳見圖5、圖6模型圖。

3.3 預定義場

初始應力場的平衡關乎最后模擬計算結果的準確。初始地應力平衡的兩個條件：平衡條件和屈服條件。具體做法為：創(chuàng)建初始地應力平衡的預定義場，通過重力加速度的形式對土體施加重力荷載，然后定義滿足實際需求的邊界條件，在此重力荷載下得到的應力場即為經過平衡的地應力場。

樁錨支護共施作5道預應力錨索，錨索間的豎向間距為3.5 m，各道錨索的長度以及預應力施加大小見表4。根據表中各道錨索需要的預應力大小，通過創(chuàng)建預定義場的方式，運用降溫法理論完成對各道錨索預應力的施加。降溫法是利用材料對溫度的線膨脹特性，通過設置材料的線膨脹參數(shù)，然后在預定義場中對錨索進行降溫設置，進而實現(xiàn)對錨索的預應力施加。在預定義場中設置時，施加降溫幅度通過式（3）計算：

表4 各道預應力錨索設計參數(shù)

式中，T為材料施加預應力所對應的溫度變化幅度；Np為材料所需施加預應力；Ep為材料的彈性模量；α為材料的線膨脹系數(shù)；Ap為材料的橫截面積。

3.4 劃分模型網格

進行劃分模型網格，選取X、Y、Z三個方向對有限元模型底部進行約束，側面對該面的垂直方向進行約束，除預應力錨索采用三維一階桿單元（T3D2）進行模擬外，其余部分采用八節(jié)點線性六面體單元（C3D8R），共劃分為62 012個實體單元。

4 計算結果分析

4.1 土體應力場分析

從地表向下隨著深度的增加，土體自身重力逐漸增大。基坑開挖施工，造成了原有土體擾動，破壞了土體的應力平衡，開挖面周邊的土應力場發(fā)生顯著變化，經過開挖擾動的基坑底部產生了較大的卸荷效應，坑底土體的應力釋放情況超過坑底周邊土體，因此，坑底以下土體的受影響程度和影響范圍也是最大的。開挖面周圍土體應力場擾動的范圍隨著基坑開挖而不斷增大，受到開挖影響的土體范圍約為開挖深度的2倍左右，失衡土體的應力值也在不斷增大。

4.2 坑底隆起變形分析

基坑開挖擾動會產生卸荷效應，使基坑底部土體在上部開挖后會受到豎向附加卸荷應力，樁后未開挖部分的土體也會產生向開挖面內滑動的趨勢，造成對坑底土體的擠壓，從而使基底產生向上位移的趨勢，導致坑底部的變形隆起。

隨著開挖深度的增加，坑底部的變形隆起也隨之變大，如圖7所示，圖中6條豎向位移曲線的變化趨勢基本相同，開挖步1對應的最大位移為9 mm，并不斷增大至開挖步6的19 mm，變形增大了111%。隆起變形最大位置在基坑中部，隨著點位向四周擴散，隆起位移越來越小。

4.3 支護結構變形分析

從整體模型中提取各深度基坑支護結構的變形量數(shù)據，繪制出排樁支護結構的水平位移變形圖，詳見圖8。圖中的雙排樁位移曲線表明：前排樁和后排樁變形曲線的趨勢大致相同，樁身水平位移是隨著支護結構的深度增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，水平位移的最大值出現(xiàn)在坑底以上2 m范圍內，前排樁比后排樁的水平位移稍大，分別為17.1 mm和16.7 mm。在距坑底2 m范圍內出現(xiàn)水平位移外脹的原因，是由于基坑開挖時，會產生土體卸荷效應，造成排樁前后土體較大的壓力差，從而對該位置以下土體產生很大的坑底隆起效應，造成其水平位移量大于其他位置的變形。

5 結論

通過對基坑開挖支護進行有限元建模，研究樁錨支護結構在基坑開挖卸荷下的影響，根據計算結果可以得出以下結論：

1）基坑開挖對開挖面附近土體擾動應力場的影響：周圍土體應力場擾動的范圍隨著基坑開挖而不斷增大，坑底以下土體的受影響成都最大，受到開挖影響的土體范圍約為開挖深度的2倍左右，同時受影響土體的應力值也隨之逐漸增大。

2）隨著基坑開挖的逐漸進行，基坑底部土體的隆起位移增大，產生坑底隆起效應，且變形最大位置在基坑中部，隨著點位向四周擴散，隆起位移越來越小。

3）雙排樁的樁身水平位移隨著支護結構的深度增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，水平位移的最大值出現(xiàn)在坑底以上2 m范圍內，并且前排樁的水平位移比后排樁大2.5%左右。