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深基坑桩-锚支护稳定性模拟研究 宋烨 刘艳东 摘要：以分析深基坑支护理论了常用的几种计算基坑受力与变形的方法和有限元理论特点适用范围。将深基坑的支护与开挖简化为平面应变问题来模拟支护结构的受力和变形规律。深基坑世纪，出现了时空效应理论[1]。 3桩-锚式支护结构计算理论 3.1桩-锚支护的构成 拉锚式围护结构由挡土结构与锚固部分组成。其挡土结构与悬臂式围护结构相同，主要为钢筋混凝土排桩或地下连续墙。一般大型深的基坑，周围有建筑物而不允许有较大的变形的基坑，以及不允许设内撑的基坑，都可优先考虑选用拉锚式围护结构[2,3]。 3.2桩-锚式支护结构计算方法 多层锚杆支护桩的计算方法较多，例如等值梁法、山肩邦男法、二分之一分担法、逐层开挖支撑力不变法、弹性地基梁法(m法)、有限元算法等。其中等值梁法和弹性地基法在工程中较为常用[4]。 3.3桩-锚支护结构稳定性分析 在实际工程中不仅要对支护结构的荷载及其内力进行分析验算，还需要进行基坑稳定性验算。基坑的稳定性验算是基坑支护设计的重要内容之一，包括边坡整体稳定性、抗隆起稳定性、抗渗流稳定性验算等。基坑稳定性验算主要是计算基坑在内、外荷载作用下是否会丧失稳定，即我们所说的失稳。 深基坑整体稳定性分析实际上是对具有支护结构的深基坑土体的分析，通过分析确定保证深基坑土体稳定时的支护结构嵌固深度。常用的是瑞典条分法与毕肖甫条分法。 4.工程实例 4.1工程概况 拟建建筑面积为134286m2，由两栋28层塔楼和5层裙房及地下车库组成，开挖深度约15.0～17.0m。±0.00标高为60.750m，基坑边缘地面平均标高相当于±0.00标高。预计采用框架剪力墙结构，基础形式为筏基或桩基。 场地复杂程度等级为二级，地基复杂程度为二级，勘察等级为级，1)根据该场地工程勘察结果，勘探深度范围内地层以第四系冲洪积及第三系冰积地层为主。基坑设计选用的参数详表1。 表1 各层土体和护坡桩及锚杆的物理力学参数 层号及名称 厚度（m） 重度（kN/m3） 粘聚力（kPa） 内摩擦角（°） 泊松比 弹性模量（MPa） ①层杂填土 4.68 19.0 6.0 10.0 0.35 3.0 ②层粉土 5.75 19.7 23.1 8.5 0.33 7.54 ③层粉质 粘土 2.72 20.1 29.5 11.2 0.32 5.79 ④1层粉砂 2.42 20.0 2 24.5 0.30 10 ④2层粗砂 5.39 20.0 23.3 0.27 12 ⑤层卵石 3.25 21.0 30 0.27 13.5 ⑥层粉质 粘土 11.53 20.6 30.4 12.6 0.32 15.0 桩混凝土 25.0 0.2 25000 锚杆 0.3 200000 据区域水文地质资料，勘察场区地下水历年变化不大，略呈下降趋势。施工前采用井点降水法将地下水降至基坑开挖深度以下约0.5m。 4.2数值分析 4.2.1参数选取和模型确定 由于本基坑开挖面较大，选取基坑南端作为分析对象，用FLAC进行数值模拟。该剖面开挖深度为16m，施工荷载15kPa，距坑边缘3.0m，条形荷载宽度取15.0m，基坑开挖距护坡桩预留1200mm。护坡桩设计为：桩径φ1000mm，桩距1.40m，连梁顶位于地面，桩长23.0m，嵌固7.0m。设三层锚杆。 基坑土体在护坡桩和锚杆作用下的变形与锚杆拉力及施工过程紧密相关，整个分析过程按照模拟基坑开挖，每步开挖后进行平衡计算。具体施工步骤为： 第一步开挖：基坑深度5.00m，在-4.50m处施加第一道锚杆；第二步：基坑深度8.50m，在-8.00m处施加第二道锚杆；第三步：基坑深度12.50m，在-12.00m处施加第三道锚杆；第四步：基坑深度16.0m，护坡桩嵌固深度为7.0m。 基坑模型整体宽度取100.0m，深度取50.0m，由于此问题为对称平面应变问题，在建立几何模型时只选取模型的一半为研究对象。 结合实际工程地质条件，选用理想弹塑性本构模型。模型中土的破坏准则采用莫尔－库仑(Mohr－Coulomb)屈服准则描述，锚杆采用FLAC软件中的锚索(Cable)单元进行模拟，喷射混凝土面层则采用梁(Beam)单元进行模拟，护坡桩采用(pile)单元进行模拟。模型两边节点约束水平方向自由度，底部节点约束全部自由度，最终生成施加了边界约束条件的有限元模型如图1所示。 图1 生成的有限元模型 为简化计算，具体计算方案为：首先将模型全部按土体材料参数设定，并将其在X、Y、Z三个方向上的位移设定为0，每一次开挖以后设定一下材料参数，比较严格地按实际施工顺序进行。 4.2.2应力场的平衡初始应力场如图 图初始地应力场图地应力场 图4第一步开挖完成后水平方向位移云图 图5第四步开挖完成