基于数值模拟的桩锚基坑基底隆起分析

胡 伟，胡威旺

(湖北工业大学土木与建筑工程学院，湖北 武汉 430068)

基于数值模拟的桩锚基坑基底隆起分析

胡 伟，胡威旺

(湖北工业大学土木与建筑工程学院，湖北 武汉 430068)

以深圳北站枢纽工程新区大道改造工程桩锚基坑为背景，对K0+760断面进行有限元数值模拟计算，并与实测数据进行对比。分析结果显示：MIDAS-GTS运用于实际工程分析是可行的，具有较高的准确性；基底端部距桩2 m处出现最大隆起量，且随着基坑深度发展急剧增大；基底中部隆起量呈线性增大。在基底端部距桩2 m处增设限位桩能有效减小基底最大隆起量，限位桩加设在基底中心对基底隆起无明显影响。

数值模拟； 桩锚基坑； 基底隆起； 限位桩

桩锚支护作为基坑工程的重要形式之一，于20世纪80年代开始发展应用起来[1-3]。桩锚支护的受力形式较为复杂，作为桩与锚杆的组合式支护结构，涉及工程领域的各个学科。针对于基底隆起，国内外很多学者都已进行过大量研究，如：Blackburn[4]等、Wang[5]等根据大量工程实测数据，提出计算基坑变形的估算法；刘兴旺等[6-7]对基坑全过程的内力和变形进行了深入研究；李平等[8]归纳了基底隆起研究现状，分析了基底隆起的原因和计算方法。本文从实际工程案例出发，建立桩锚基坑的数值模拟模型，分析了施工过程中基底土体隆起的变化规律，并基此提出了一种新的防基底隆起预防措施。

1 基底隆起机理分析

基底隆起是指基坑底部的土体的平衡被打破而产生向上的位移，其与地表沉降是反方向的。 基底隆起大致有两种： 一种是基坑开挖造成基底以上的土体卸载而打破基底以下土体原有的平衡，另一种是基底地下水压力过大而基底土体向上涌动，本文研究的是第一种隆起。 桩锚基坑基底隆起机理是： 基底与桩接触面因基底以上土体卸载而产生挤压，基坑边坡向基坑内滑移产生滑移力，基底土体的抗击压力，同时桩土共同向基坑内侧产生水平位移，基底土体在土压力挤压和位移共同作用下向上隆起(图1)。

1-土体抗挤压力;2-滑移力;3-土压力;4-桩土位移

2 建立模型

本文的数值模拟以MIDAS-GTS有限元分析软件和深圳北站交通枢纽工程新区大道改造工程基坑实例为依托。MIDAS-GTS的可靠性和计算精度在国际岩土力学和工程领域得到广泛的应用和认可，苏通大桥、迪拜塔及北京奥运会体育场馆等都是MIDAS-GTS的工程实践认证[9]。

2.1 工程简介

深圳北站交通枢纽工程新区大道改造工程共设两条隧道，隧道左右线设计总长各1 181.587 m、1 188.371 m，其中封闭端长度为795双线米，U型槽段长230 m，挡土墙段长319.958 m。本工程隧道采用明挖法施工，基坑宽度为31.46～42.7 m，基坑开挖深度6.2～26.15 m。

2.2 工程实例简化及建模参数

由于本工程跨越线路较长，鉴于本文的研究对象和目的，选取K0+760断面为代表进行数值模拟。K0+760断面有三级边坡，一级边坡为自然放坡，二级边坡为土钉支护，三级边坡为桩锚支护。本文的研究对象为桩锚基坑，即为建模方便，需对基坑作简化处理：将基坑的一二级边坡隐去，转化为边坡超载，简化后的结构见图2。其中锚杆设计参数见表1。基坑土层分布及计算参数见表2。

图 2 K0+760断面简化结构示意图

表1 锚杆设计参数

表2 土层分布及计算参数

2.3 建模过程及结果分析

选取K0+760断面建立基坑开挖二维模型。所选择的网格为四边形，大小为1；土体为平面应力单元，基于摩尔—库伦模型；锚杆及桩为一元单元，锚杆为线弹性植入式桁架，桩设定为线弹性梁单元。模型为左右对称的全断面模型，模型左、右、下均作限位处理。施工过程按图2设定：分7层开挖，每次开挖深度约为2 m，锚杆3层，共11个施工阶段(含0阶段)。模型建立结果见图3。

图 3 基坑开挖模型

经过计算，生成基坑竖向位移DY位移云图，图4是第11施工阶段，即基坑第7层开挖完成后的竖向位移云图，基底土体均为隆起，且最大隆起位置靠近基底两侧。为了更加直观地了解基底隆起及其变化，根据11个施工阶段的基底DY数据，绘制成曲线(图5、6)。

图5、6显示：

1)基底最大隆起发生在距离基底中心线20m处，距离桩边距离为2m，为基底薄弱点；

2)随着基坑开挖深度的发展，基底端部约2m处隆起量在第8施工阶段(施工第三道锚杆后)急剧增大，具有危险态势；

3)基底中心隆起量趋近线性增大，桩与基底相交处隆起量变化较小；

4)基底的最大隆起量为0.228m，基底中心的隆起量为0.135m，最大隆起量约为基底中心的1.77倍；

5)实测基底端部隆起量为0.192m，实测基底中心隆起量为0.118m，模拟计算结果与实测数据接近；

6)图6中的基底端部实测数据与基底端部模拟曲线较为吻合，这说明MIDAS-GTS运用于实际工程是可行的，也反映出本模型建模过程及计算参数的选取是正确的。

图 4 第七次开挖DY云图

图 5 各施工阶段基底隆起曲线

图 6 基底中端部对比及与实测数据对比曲线

3 基底防隆起分析

从上面的数值模拟计算结果可知，基底最大隆起量位于基底端部距桩2m处，本文拟在基底距桩2m处及基底中心各增设一根同边坡围护桩直径的限位桩，桩长为3m，其他参数不变。在模型中增设限位桩后进行计算，计算后得出新的第10施工阶段DY云图(图7)，基底隆起较图4更为均匀。将第10施工阶段的计算数据整理后绘制成曲线(图8)，增设限位桩后基底端部的最大隆起量仅为0.160m，隆起量较未设限位桩减小约30%，基底中部的隆起量为0.135m，可见限位桩的补设有效地减小了基底端部的隆起量，对基底中心的隆起量无影响。

图 7 增设限位桩后第七次开挖DY云图

图 8 第七次开挖后基底隆起对比曲线

4 结论

1)本文桩锚基坑的数值模拟结果与实测数据较为吻合，证明了MIDAS-GTS运用于实际工程分析是可行的，具有较高的准确性；

2)本桩锚基坑的最大隆起量发生在距离桩边2m处，最大隆起量约为基底中心的1.77倍；随着基坑深度的不断发展，基底中心隆起量呈线性增大，距离桩边2m处基底隆起量在第三道锚杆施工后急剧增大，呈现危险态势；

3)在基底端部2m处增设限位桩能有效减小基底端部的隆起量，减小量约为30%；但在基底中心增设限位桩对于基底中心的隆起无影响。此防基底隆起方式，可供类似工程的设计和施工参考使用。

[1]DanzigerFAB,DanzigerBR,PachecoMP．Thesimultaneoususeofpilesandprestressedanchorsinfoundationdesign[J]．EngineeringGeology,2006，87(3/4)：163-177．

[2]CharlesAubeny,DonaldMurffJ．Simplifiedlimitsolutionsforthecapacityofsuctionanchorsunderundrainedconditions[J]．OceanEngineering，2005，32(07)：864-877．

[3]NarasimhaRaoS，HemaLathaK,PallaviB，etal．Studiesonpulloutcapacityofanchorsinmarineclaysformooringsystems[J]．AppliedOceanResearch，2006，28(02)：103-111．

[4]BlackburnJT，FinnoRJ．Three—dimensionalresponsesobservedinaninternallybracedexcavationinsoftclay[J]．JournalofGeotechnicalandGeoenvironmentalEngineering，2007 133(11)：1364-1373．

[5]WangJH，XuZH，WangWD．WallandgroundmovementsduetodeepexcavationsinShanghaisoftsoils[J]．JournalofGeotechnicalandGeoenvironmentalEngineeringASCE，2010，136(07)：985-994．

[6] 刘兴旺，施祖元，益德清，等．软土地区基坑开挖变形性状研究[J].岩土工程学报，1999，21(04)：456-460．

[7] 刘兴旺，施祖元，益德清，等．基坑围护结构全过程内力及变形分析[J].建筑结构学报，1998，19(05)：58-64．

[8] 岳猛.预应力锚索复合土钉支护数值模拟与工程对比[D]．太原：太原理工大学，2010.

[9] 李 平，杨 挺，王 义，等．基坑工程隆起变形研究综述[J]．河海大学学报(自然科学版)，2010，38(02)：196-201．

[责任编校： 张岩芳]

Analysis of Pile Anchor Foundation Pit Basement Uplift based on Numerical Simulation

HU Wei, HU Weiwang

(SchoolofCivilEngin.andArchitecture,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China)

Based on the background of Shenzhen north station hub projects of the new district road reconstruction project of pile anchor foundation pit, this paper conducted the finite element numerical simulation on the K0+740 section, and compared the simulation data with the measured data. The analysis results showed that: application of IDAS-GTS to the actual project analysis is feasible and has a high accuracy; the maximum uplift capacity basement from the end of the pile 2m, and with the depth of foundation pit development increases rapidly; basal central uplift amount increases linearly; adding spacing pile can effectively reduce the basal maximum uplift capacity in the place which is 2m away from the basal end; the limiting substrate center has no obvious effect on the basement uplift.

numerical simulation, pile anchor foundation pit, basement uplift, spacing pile

2015-03-10

胡 伟(1984-)，男，湖北荆州人，湖北工业大学硕士研究生，研究方向为深基坑理论

1003-4684(2015)04-0047-04

TV551.4

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