張啟軍，秘金衛(wèi)，張昌太，閆楠，李明，章偉，陳吉光，桑松魁，白曉宇*

(1.青島業(yè)高建設(shè)工程有限公司，青島 266042；2.青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院，青島 266520；3.深圳海川新材料科技股份有限公司，深圳 518040；4.中建八局第二建設(shè)有限公司，濟南 250014)

隨著基坑支護技術(shù)的不斷發(fā)展，基坑向著深度更深、覆蓋面更大的方向發(fā)展，基坑的安全問題越來越突出。在進行支護結(jié)構(gòu)選型設(shè)計時，預(yù)應(yīng)力錨索以其施工方便、主動支護、經(jīng)濟效益高及提高巖土體自穩(wěn)能力等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用在深基坑支護工程中[1-4]。為了適應(yīng)深基坑的復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境，保護毗鄰的建筑物，預(yù)應(yīng)力錨索通常與其它支護結(jié)構(gòu)形成組合支護體系使用，如錨索+樁、錨索+樁+內(nèi)支撐等支護型式[5]。受多種因素的影響，錨索預(yù)應(yīng)力損失是一個普遍存在而又不可避免的現(xiàn)象，對錨索的支護能力和圍巖的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響，為了減少錨索預(yù)應(yīng)力損失，眾多學(xué)者利用有限元模擬軟件，研究了基坑開挖過程中錨索預(yù)應(yīng)力的變化規(guī)律[6-7]。范一平[8]通過建立三維數(shù)值模型分析了壓力型預(yù)應(yīng)力錨索受力特性。袁坤等[9]、張玉芳等[10]通過有限差分數(shù)值分析軟件，分析了新型雙錨固段錨索在外錨固段、自由段和內(nèi)錨固段長度不同的情況下錨固機理和軸力變化規(guī)律。徐哲等[11]結(jié)合數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測結(jié)果，研究了地下洞室群開挖過程中預(yù)應(yīng)力損失規(guī)律，揭示了錨索預(yù)應(yīng)力損失對圍巖變形和應(yīng)力狀態(tài)的影響規(guī)律。鄧建等[12]提出了一種預(yù)應(yīng)力錨索初始張拉荷載計算方法。錨索預(yù)應(yīng)力損失的大小與實際工程的施工安全密切相關(guān)，提前預(yù)測錨索預(yù)應(yīng)力損失規(guī)律，不僅可以提高施工進度，而且能夠避免預(yù)應(yīng)力損失過大帶來的安全隱患。為了能夠定量描述預(yù)應(yīng)力損失，王渭明等[13]針對濟南某樁錨支護基坑現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，提出了一種現(xiàn)場針對超張拉和二次張拉施工的錨索預(yù)應(yīng)力損失計算方法，并利用Plaxis數(shù)值模擬驗證了該方法的準確性。

結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，借助有限元分析軟件對基坑工程進行數(shù)值模擬，是研究基坑施工過程中支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化和基坑位移變形規(guī)律有效手段之一[14-17]。曹程明等[18]通過建立有限元模型，計算分析不同施工階段錨索軸力的變化情況,并與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了對比分析，得到了支護結(jié)構(gòu)對基坑變形的影響規(guī)律。侯俊偉等[19]利用有限元軟件MIDAS GTS模擬了某錨索支護結(jié)構(gòu)超深巖質(zhì)基坑的開挖和支護過程，與現(xiàn)場試驗和監(jiān)測結(jié)果綜合分析，得到了基坑位移和錨索內(nèi)力隨施工進行的變化規(guī)律。任志亮[20]通過對青島某地鐵車站基坑錨索軸力以及周邊建筑物沉降進行現(xiàn)場監(jiān)測分析，結(jié)果表明，該基坑采用的應(yīng)急支撐體系(內(nèi)支撐+格構(gòu)柱)可有效減少錨索的預(yù)應(yīng)力損失。此外，不同的土層性質(zhì)，隨著基坑開挖、支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化和基坑變形規(guī)律也不相同。高鑫等[21]利用FLAC3D有限元分析軟件模擬了樁錨支護基坑開挖過程對錨索軸力和基坑位移的變化，結(jié)合理正深基坑軟件計算結(jié)果，揭示了厚沖擊黏性土層基坑支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化和基坑變形規(guī)律。許健等[22]對黃土地區(qū)深大基坑施工過程中錨索軸力、支護樁位移與周邊建筑物沉降等進行了數(shù)值模擬分析，豐富了黃土地區(qū)深基坑采用樁錨支護的發(fā)展前景。玻璃纖維增強聚合物(glass fiber reinforced polymer，GFRP)材料，憑借抗拉強度高、質(zhì)量輕、工程性價比高等優(yōu)勢已在巖土錨固中嶄露頭角，如GFRP錨桿[23]、GFRP腰梁[24]等。張順凱等[25]研究了腰梁在基坑支護中的作用，對比分析了GFRP腰梁和雙背槽鋼腰梁對錨索預(yù)應(yīng)力損失的影響規(guī)律，驗證了GFRP腰梁代替?zhèn)鹘y(tǒng)材料腰梁施工的可行性和優(yōu)越性。

綜上所述，目前大多數(shù)學(xué)者研究內(nèi)容主要集中于基坑開挖過程及不同支護結(jié)構(gòu)對錨索預(yù)應(yīng)力損失的影響規(guī)律上，不同材質(zhì)腰梁對錨索預(yù)應(yīng)力損失影響的研究鮮有報道。基于此，以青島海天中心樁錨支護基坑工程為研究對象，借助ABAQUS有限元分析軟件，對不用材料的腰梁進行建模，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，系統(tǒng)介紹了不同材質(zhì)腰梁對錨索預(yù)應(yīng)力損失的影響規(guī)律、土體應(yīng)力狀態(tài)以及基坑水平和豎向位移規(guī)律。研究成果可為青島地區(qū)類似基坑工程提供參考和借鑒。

1 工程概況

本工程為青島海天大酒店改造項目(海天中心)基坑支護工程，面臨著復(fù)雜的周邊環(huán)境，北鄰香港西路，地下管線埋深不超過2 m；西鄰青島世紀名人廣場，地下室外墻線相距較近；南鄰東海路，地下管線復(fù)雜且埋深在2.0 m之內(nèi)；東鄰華夏大廈及多層建筑。本基坑屬于一級基坑，開挖深度在24～29 m，建設(shè)場區(qū)整平標(biāo)高按5.5～10.5 m考慮，根據(jù)建筑要求，本工程擬建1幢73層375.4 m辦公酒店，1幢41層216.4 m的會所酒店，1幢55層251.4 m的公寓，3～5層裙帶房，5層地下車庫。設(shè)計室內(nèi)坪標(biāo)高12.25 m，地下室基槽底標(biāo)高約-18.43 m，地下室外輪廓周長約760 m。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘察研究報告，場區(qū)各土層參數(shù)如表1所示。

表1 巖土層物理力學(xué)參數(shù)

2 有限元模擬過程

2.1 有限元模型建立

本場地基坑底部有較厚的巖層，假定土體是均質(zhì)、各向同性的彈塑性體，土體采用摩爾-庫侖彈塑性本構(gòu)模型；腰梁材料是各向同性，腰梁采用梁單元；支護結(jié)構(gòu)和錨索是理想的彈性體，錨索采用桁架單元。研究目的在于探究不同材質(zhì)的腰梁對錨索預(yù)應(yīng)力損失的影響規(guī)律，因此為了控制變量，忽略腰梁形狀和截面的影響，在建模過程中，3種腰梁尺寸保持一致。表2為土體、支護樁、腰梁及錨索等各部件的主要模型參數(shù)。

表2 主要模型參數(shù)

基于以上各部件主要模型參數(shù)進行建模，各部件所建模型如圖1所示。

圖1 各部件模型

2.2 網(wǎng)格劃分

將土體模型、支護樁模型、錨索模型以及腰梁模型裝配成整體，構(gòu)成該基坑數(shù)值模擬分析的整體幾何模型如圖2(a)所示。劃分網(wǎng)格時，網(wǎng)格過于密集會增加計算量，降低收斂性，合理劃分網(wǎng)格能夠提高模型的計算效率和計算精度。本模型各主體網(wǎng)格的劃分情況主要是：由兩種基本單元構(gòu)成，其中土體、支護樁和腰梁采用C3D8R實體單元，錨索采用T3D2一階桿單元。錨索作用范圍內(nèi)的土體網(wǎng)格稍密劃分，其他區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格粗略劃分；由于支護樁變形較小，故粗略劃分網(wǎng)格；預(yù)應(yīng)力錨索采用掃掠網(wǎng)格劃分；錨孔周圍的腰梁加密網(wǎng)格劃分，在無削弱部位的腰梁正常劃分。圖2(b)為整體幾何模型的網(wǎng)格劃分情況。

2.3 施加預(yù)應(yīng)力

定義土體與樁內(nèi)側(cè)、土體與腰梁之間的接觸為罰接觸，摩擦系數(shù)取0.2，腰梁與支護樁綁定為一個整體。錨索內(nèi)置于土體，采用降溫法在ABAQUS中對錨索施加預(yù)應(yīng)力，通過式(1)建立預(yù)應(yīng)力N與溫度的關(guān)系。

N=-αEST

(1)

式(1)中：α為線膨脹系數(shù)；E為彈性模量；S為錨索截面面積；T為溫度。

通過分析錨索預(yù)應(yīng)力變化的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力隨時間的變化趨勢主要分3個階段：快速下降階段、穩(wěn)定變化階段和基本穩(wěn)定階段。考慮到初始地應(yīng)力的影響，用4個分析步分別對應(yīng)錨索預(yù)應(yīng)力損失的幾個階段，其中Step0用來平衡初始地應(yīng)力，Step1、Step2、Step3分別對應(yīng)錨索預(yù)應(yīng)力隨時間變化的3個階段。圖3為平衡初始地應(yīng)力前后的應(yīng)力云圖。

圖3 初始地應(yīng)力平衡

3 有限元計算結(jié)果及分析

因為現(xiàn)場基坑開挖時，提前進行了降排水處理，故采用有限元軟件ABAQUS模擬基坑開挖過程時未考慮孔隙水壓力的影響，通過控制溫度的變化模擬錨索預(yù)應(yīng)力變化情況，得到了預(yù)應(yīng)力錨索在開始加荷階段、快速下降階段、穩(wěn)定變化階段以及基本穩(wěn)定階段的應(yīng)力云圖，最后通過模擬值與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比，分析錨索預(yù)應(yīng)力隨時間的變化規(guī)律。

有效遏制權(quán)力尋租空間。軍隊行政權(quán)力清單制度要求科學(xué)規(guī)范軍隊權(quán)力，防止權(quán)力過分集中于某個人、單位或部門手中。軍隊行政權(quán)力清單制度規(guī)范權(quán)力的授予和程序，可以最大限度擠壓權(quán)力尋租空間，有效防止權(quán)力濫用。軍隊行政權(quán)力清單制度的公開透明特征，使權(quán)力運行得到有效監(jiān)督，從而堵上了發(fā)生權(quán)力尋租的漏洞。

3.1 開始加荷階段

加荷階段，錨索預(yù)應(yīng)力損失主要來源于千斤頂突然卸荷引起錨索回縮。圖4、圖5分別為預(yù)應(yīng)力錨索張拉鎖定前后的錨索應(yīng)力云圖和腰梁應(yīng)力云圖的對比。

由圖4可知，加載初期，錨索的應(yīng)力隨著深度逐漸減小，即應(yīng)力最大值出現(xiàn)在自由段。由于錨索自由段受到拉力作用，鋼絞線出現(xiàn)彈性變形，應(yīng)力逐漸增大，并逐步向錨固段傳遞，使錨固段處于滑裂面主動區(qū)。錨固段隨著荷載增加逐漸出現(xiàn)了應(yīng)力，且直到錨索張拉鎖定時，錨固段預(yù)應(yīng)力仍小于自由段。故從錨索張拉鎖定前后應(yīng)力云圖數(shù)值上分析，錨索應(yīng)力從自由段到錨固段逐漸減小。由圖5錨索張拉前后腰梁的位移云圖可知，加載初期，受到錨索張拉的影響，腰梁的一端逐漸發(fā)生形變，這是由于錨索采用間隔張拉的方式，導(dǎo)致腰梁只在錨索張拉位置變形較大。錨索張拉鎖定后，錨索帶動腰梁產(chǎn)生相同方向的回彈變形，受到腰梁剛度較大的影響，隨即產(chǎn)生反力，起到補償張拉的作用，腰梁中部變形增大而剛開始發(fā)生形變的一端有所減小。模擬結(jié)果表明：腰梁的布置可以減少錨索預(yù)應(yīng)力的損失。

圖4 錨索應(yīng)力云圖

圖5 腰梁位移云圖

3.2 快速下降階段

錨索張拉鎖定之后，由于千斤頂突然卸荷，鋼絞線出現(xiàn)回彈變形，引起錨索預(yù)應(yīng)力急速下降。圖6為快速下降階段錨索應(yīng)力云圖及腰梁位移云圖。

圖6 快速下降階段

由圖6可以看出，錨索預(yù)應(yīng)力鎖定之后，錨索應(yīng)力整體下降，以中部最為明顯，本階段腰梁可以產(chǎn)生補償部分鋼絞線回縮引起的預(yù)應(yīng)力損失的變形。腰梁在預(yù)應(yīng)力作用下持續(xù)發(fā)生變形，應(yīng)力逐漸增大，此時，腰梁只出現(xiàn)微小變形，逐漸趨于穩(wěn)定，對錨索預(yù)應(yīng)力損失的控制作用變得微乎其微，從而導(dǎo)致錨索預(yù)應(yīng)力快速下降。分析原因，失去腰梁的控制作用后，錨索應(yīng)力傳遞到支護樁，支護樁出現(xiàn)向坑外方向的位移，使得樁后土體受到壓縮出現(xiàn)形變，土體應(yīng)力逐漸增大，同時土體的抗剪、抗滑能力得以提高。

3.3 穩(wěn)定變化階段

錨索預(yù)應(yīng)力經(jīng)過一段時間的快速下降，逐漸開始出現(xiàn)波動變化，圖7為穩(wěn)定變化階段錨索應(yīng)力云圖及腰梁位移云圖。

圖7 穩(wěn)定變化階段

從圖7可以看出，錨索應(yīng)力整體有所下降但最大值有微小上升。當(dāng)相鄰2根錨索張拉鎖定之后，腰梁變形呈現(xiàn)中部大，兩側(cè)小的趨勢，腰梁、支護樁不再產(chǎn)生較大的變形，逐漸達到穩(wěn)定狀態(tài)，此時土體蠕變、巖石流變和鋼絞線持續(xù)松弛逐漸代替腰梁和支護樁的變形，成為影響錨索預(yù)應(yīng)力損失的主要因素。

3.4 基本穩(wěn)定階段

錨索預(yù)應(yīng)力經(jīng)過快速下降和穩(wěn)定變化之后，逐漸達到一個穩(wěn)定狀態(tài)并開始向四周擴散，圖8為基本穩(wěn)定階段錨索應(yīng)力云圖、腰梁位移云圖以及土體最終的水平和豎向位移云圖。

由圖8(a)、圖8(b)可以看出，與穩(wěn)定變化階段相比，錨索預(yù)應(yīng)力和腰梁變形出現(xiàn)微小下降，逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)，應(yīng)力分布更加均勻。隨著時間的進行，土體蠕變和巖體流變變形不再擴展，土體壓縮基本完成，鋼絞線不再繼續(xù)松弛，除外界環(huán)境和施工因素的影響，錨索預(yù)應(yīng)力、腰梁變形以及土體的位移均達到穩(wěn)定。由圖8(c)、圖8(d)可以得到基坑地表水平位移累計值為6.20 mm，豎向位移累計值為2.80 mm，均滿足《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)標(biāo)準》(GB 50497—2019)[26]對基坑變形的要求。

3.5 錨索預(yù)應(yīng)力變化規(guī)律

3.5.1 現(xiàn)場監(jiān)測

圖9給出了錨索預(yù)應(yīng)力現(xiàn)場監(jiān)測點的位置DY1-2和DY1-3，腰梁采用混凝土腰梁，基坑整體支護情況如圖10所示。采用墊板、錨具等將錨桿軸力計安裝在孔口自由段位置，如圖11所示，最大量程超過設(shè)計拉力值的120%。錨索張拉時開始監(jiān)測，歷時81 d，依靠609讀數(shù)儀與軸力計連接，測出各軸力計頻率，通過公式換算得出軸力值。圖12給出了錨索軸力現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果。

圖9 監(jiān)測點平面布置圖

圖10 基坑支護效果

圖11 軸力計安裝

圖12 錨索軸力隨時間變化規(guī)律

3.5.2 實測值與模擬值對比

如圖13所示，以混凝土腰梁作用下錨索預(yù)應(yīng)力模擬值為例，與現(xiàn)場監(jiān)測點DY1-3和DY2-1的預(yù)應(yīng)力監(jiān)測值進行對比分析。圖14為3種不同材質(zhì)腰梁作用下，錨索預(yù)應(yīng)力隨時間變化的模擬結(jié)果。

圖13 混凝土腰梁模擬值與監(jiān)測值對比

圖14 不同材料腰梁作用下錨索軸力模擬值

由圖13可以看出，混凝土腰梁作用下錨索預(yù)應(yīng)力模擬值與監(jiān)測點DY2-1監(jiān)測值相接近，且與監(jiān)測點DY1-3和DY2-1的預(yù)應(yīng)力變化趨勢大體相同，均經(jīng)歷快速下降階段、穩(wěn)定變化階段和基本穩(wěn)定階段，證明采用ABAQUS有限元軟件研究腰梁對錨索預(yù)應(yīng)力損失的影響具備可行性和有效性。經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，數(shù)值模擬的結(jié)果變化較為平緩，沒有出現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果的跳動現(xiàn)象。究其原因，現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果受到了基坑開挖施工的影響，造成數(shù)據(jù)波動較大，而模擬過程中則忽略了此類影響。

從圖14可以看出，GFRP腰梁模擬值與混凝土腰梁和鋼腰梁相比，隨時間的變化趨勢更為平緩，混凝土腰梁次之，鋼腰梁變化波動范圍最大，出現(xiàn)這種差異的原因主要是在建立模型時，不同材料的接觸面約束條件的定義和實際情況存在差異，如GFRP腰梁的建模是先分步建成各向異性板再組合而成，而鋼腰梁則是現(xiàn)場焊接而成，受到了額外因素的影響。

由圖14還可知，GFRP腰梁、混凝土腰梁和鋼腰梁模擬值總的預(yù)應(yīng)力損失率分別為6.89%、14.74%、16.84%，即混凝土腰梁和鋼腰梁作用下錨索預(yù)應(yīng)力的損失率分別為GFRP腰梁的2.14倍和2.44倍。

4 結(jié)論

結(jié)合現(xiàn)場實測和ABAQUS有限元模擬對不同材質(zhì)腰梁作用下錨索預(yù)應(yīng)力隨時間的變化規(guī)律進行分析，得到以下主要結(jié)論。

(1)采用降溫法在ABAQUS數(shù)值模擬中施加預(yù)應(yīng)力，與現(xiàn)場監(jiān)測值變化趨勢基本一致，鎖定后均經(jīng)歷快速下降階段、穩(wěn)定變化階段和基本穩(wěn)定階段三個階段，驗證了ABAQUS有限元數(shù)值模擬軟件采用降溫法施加預(yù)應(yīng)力的有效性。

(2)通過對3個變化階段的錨索應(yīng)力、腰梁位移分析，明確了錨索應(yīng)力、腰梁變形隨時間的變化規(guī)律，闡明了不同階段錨索預(yù)應(yīng)力損失的主要影響因素以及應(yīng)力隨時間的傳遞路徑。結(jié)合基坑的水平位移和豎向位移模擬值與實測值的對比，進一步證實了ABAQUS軟件模擬本基坑開挖過程的可靠性。

(3)通過對比混凝土腰梁模擬結(jié)果和監(jiān)測結(jié)果，發(fā)現(xiàn)腰梁可以減少錨索預(yù)應(yīng)力的損失。對3種不同材質(zhì)腰梁的模擬結(jié)果進行分析發(fā)現(xiàn)，混凝土腰梁和鋼腰梁作用下錨索預(yù)應(yīng)力的損失率分別為GFRP腰梁的2.14倍和2.44倍，表明GFRP腰梁能夠有效控制錨索預(yù)應(yīng)力損失，在深基坑樁錨支護體系中有廣闊的應(yīng)用前景。