陳云鋼，張 勝，許 立，葉 舒

(1.安徽工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，安徽馬鞍山243032；2.五冶集團上海有限公司，上海201100)

隨著城市土地資源日益緊張，地下空間利用成為一種發(fā)展趨勢，其對基坑支護工程安全穩(wěn)定性要求在不斷提高。樁錨復(fù)合支護結(jié)構(gòu)因成本低、支護效果優(yōu)良，在基坑工程中被廣泛應(yīng)用，許多學(xué)者對該支護方式的支護效應(yīng)進行了研究。許海勇等建立樁錨支護結(jié)構(gòu)水平位移的計算模型，并與實際工程監(jiān)測數(shù)據(jù)對比，驗證了理論計算的準(zhǔn)確性；Sun等結(jié)合工程實例通過數(shù)值模擬對確定承載力檢查點進行研究，提出了樁錨結(jié)構(gòu)的變形狀態(tài)控制設(shè)計方法；蘇白燕等建立樁錨支護體系分析模型，對比分析數(shù)值分析結(jié)果、現(xiàn)行規(guī)范計算結(jié)果與實測結(jié)果，建議加強深基坑工程深層水平位移監(jiān)測；韓健勇等以深基坑工程為研究背景，計算樁錨支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，結(jié)果表明樁錨支護結(jié)構(gòu)可支護砂土地層深基坑，滿足基坑的安全性要求；許健等通過對比分析黃土地區(qū)深基坑樁錨支護結(jié)構(gòu)變形、位移、錨索軸力及建筑物沉降等監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值計算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)樁錨支護結(jié)構(gòu)具良好的支護作用；雷華陽等利用有限元研究基坑開挖對既有臨近灘涂鐵路路基的影響，確定了最優(yōu)支護方案。綜上，學(xué)者對樁錨復(fù)合支護結(jié)構(gòu)的變形和位移規(guī)律已有較多研究，但對基坑開挖過程中臨近鐵路側(cè)時樁錨復(fù)合支護結(jié)構(gòu)變形方面的研究較少。此外，如何布置樁體、錨索才能更好地控制基坑變形也值得探討。鑒于此,依托實際工程案例，運用有限元軟件Abaqus建立樁錨復(fù)合支護結(jié)構(gòu)模型，對臨近鐵路側(cè)L型布置的樁錨復(fù)合支護結(jié)構(gòu)變形及基坑臨近鐵路側(cè)沉降進行分析，將有限元計算結(jié)果與實際監(jiān)測結(jié)果進行對比，研究樁錨支護下臨近鐵路沉降和樁頂位移、沉降的變形規(guī)律，以期為類似工程提供借鑒參考。

1 工程概況

馬鞍山鋼鐵股份有限公司煉焦總廠南區(qū)新建的筒倉基坑工程位于馬鞍山鋼鐵股份有限公司廠區(qū)內(nèi)，基坑為兩個不規(guī)則多邊形，基坑開挖邊線周長分別為106.92，140.90 m，面積分別為437.58，633.69 m?；娱_挖深度最大15.4 m，緊臨工業(yè)運煤軌道的B2轉(zhuǎn)運站樁錨支護結(jié)構(gòu)，支護結(jié)構(gòu)距離鐵軌枕邊1.75 m，施工期間該軌道為停運狀態(tài)。

1.1 地質(zhì)條件及土層參數(shù)

依據(jù)勘察報告，場地的地貌單元屬山前沖坡積扇，地勢較平坦，緊臨工業(yè)運煤軌道的B2轉(zhuǎn)運站樁錨支護結(jié)構(gòu)的土體參數(shù)和厚度如表1。

表1 土層基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of the soil

1.2 水文條件

根據(jù)現(xiàn)場勘查，場地內(nèi)地下水類型為上層滯水，主要賦存于人工填積層中，主要補給來源為大氣降水及生產(chǎn)、生活用水。

1.3 支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計與變形監(jiān)測

1.3.1 支護結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

根據(jù)JGJ120—2012《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》，該基坑安全等級為一級、重要性系數(shù)取1.1，綜合考慮場地工程、水文、地質(zhì)條件、基坑周邊既有鐵路及基坑開挖深度等因素，選擇樁錨復(fù)合支護結(jié)構(gòu)。基坑鐵路軌道一側(cè)部分設(shè)計參數(shù)剖面如圖1。

圖1 基坑臨近鐵路側(cè)支護剖面Fig.1 Profile of foundation pit adjacent to railway support

1.3.2 監(jiān)測項目與監(jiān)測點布置

基坑監(jiān)測項目主要有圍護結(jié)構(gòu)頂部水平、豎向位移、周邊建筑物及道路沉降，基坑監(jiān)測點如圖2，圖中東側(cè)有L 型樁體布置段，W監(jiān)測點在陽角部位，W監(jiān)測點在排樁中部，W監(jiān)測點在排樁端部。

圖2 基坑監(jiān)測點平面布置Fig.2 Layout of foundation pit monitoring points

1.4 基坑開挖工況

因基坑深度較大，為確保安全，采用分層開挖的方式。開挖步驟分成9 個工況進行，基坑開挖及支護進度見表2。

表2 基坑開挖及支護進度Tab.2 Excavation and support progress of foundation pit

2 有限元模型的建立

2.1 模型簡化

考慮到實際情況，模擬過程中作以下假設(shè)：地下水位遠(yuǎn)低于基坑底，不考慮地下水的影響；土體為均勻彈塑性體且各向同性；樁身、錨索、腰梁等支護結(jié)構(gòu)為彈塑性體。

2.2 模型建立

選取緊臨工業(yè)運煤軌道的B2 轉(zhuǎn)運站樁錨支護結(jié)構(gòu)，模型尺寸為60 m×48 m×30 m，共劃分85 895 個單元，106 798個結(jié)點，如圖3。該模型土體采用摩爾-庫侖模型，土體參數(shù)見表1，樁體、冠梁、腰梁的參數(shù)見表3，錨索參數(shù)和預(yù)應(yīng)力見表4。其中第一道錨索由2 束7 根直徑為15.2 mm 的鋼絞線組成，第二至四道錨索由4束7根直徑為15.2 mm的鋼絞線組成，抗拉等級均為1 390 MPa?？紤]到臨近鐵路，在距離基坑邊緣2.89～8.11 m的鐵路區(qū)域添加荷載為40 kPa的均布荷載。

圖3 計算模型示意Fig. 3 Schematic of calculation model

表3 樁體參數(shù)Tab.3 Pile parameters

表4 錨索參數(shù)Tab.4 Anchor cable parameters

3 結(jié)果分析

3.1 鐵路兩側(cè)沉降

圖4 為監(jiān)測點C～C的監(jiān)測沉降位移隨時間變化曲線。由圖4可知：隨著基坑開挖的進行，沉降位移整體呈增長趨勢，前期較慢、中期發(fā)展較快、后期趨于穩(wěn)定；監(jiān)測點C，C，C，C最大沉降為2.23，2.36，2.34，2.51 mm；開挖后期監(jiān)測點C的沉降變化曲線與C，C，C差異較大，這是因為該處樁體布置呈L 型，隨著開挖加深，樁體的擠壓效應(yīng)更明顯，一定程度上限制了土體滑動。

圖5 為鐵路兩側(cè)監(jiān)測點C，C的部分監(jiān)測數(shù)據(jù)和模擬數(shù)值的變化曲線。由圖5 可知：監(jiān)測點C與C的沉降位移變化模擬值總體較平緩，9個工況中監(jiān)測點C的沉降位移一直在緩慢增大，但監(jiān)測點C中間一段較平緩，這是由于監(jiān)測點C臨近支護樁，土層在實際開挖過程中，擾動較為明顯；監(jiān)測點C最大模擬沉降位移為1.46 mm，小于監(jiān)測值2.34 mm，說明在樁體較近的部位，沉降位移受施工影響較大，模擬值小于實際監(jiān)測值。

圖4 C5～C8監(jiān)測沉降位移Fig.4 Monitoning settlement displacement of C5-C8

圖5 監(jiān)測點C6，C7的沉降位移Fig.5 Settlement displacement of monitoring points C6 and C7

圖6 為監(jiān)測點C，C鐵路兩側(cè)沉降差異值與模擬差異值變化曲線。由圖6 可知，鐵路軌道兩側(cè)實測和模擬沉降位移差最大為1.18，1.33 mm，說明樁錨支護對現(xiàn)有鐵路沉降的控制具較好作用。

圖6 鐵路兩側(cè)豎向位移差異值Fig.6 Vertical displacement difference between two sides of railway

3.2 樁頂水平位移

圖7 為監(jiān)測點W～W樁頂?shù)乃轿灰谱兓€。由圖7可知：隨著基坑開挖的進行，樁頂水平位移發(fā)展整體呈增長趨勢；監(jiān)測點W，W，W最大位移分別為8.40，16.64，15.40 mm，W最大位移是W和W最大位移的50%，55%，均小于規(guī)定20 mm，表明支護效應(yīng)良好。

圖8 為監(jiān)測點W，W，W的監(jiān)測和模擬樁頂水平位移。由圖8可知：W，W，W的模擬最大位移分別為8.97，12.7，19.14 mm，W最大模擬位移是W和W最大模擬位移的70.6%，46.8%。由此可知，處于陽角處W的樁頂水平位移最小，表明L型支護排樁可提高支護效應(yīng)；隨著開挖深度增加，樁頂水平位移增加，在施加預(yù)應(yīng)力錨索后的每一工況，樁頂水平位移增幅降低，表明樁錨復(fù)合支護具有較好的支護效應(yīng)。

圖7 W7～W9樁頂監(jiān)測水平位移Fig.7 Monitoring horizontal displacement of W7-W9 pile top

圖8 W7～W9樁頂水平位移Fig.8 Horizontal displacement of W7-W9 pile top

3.3 樁頂沉降位移

圖9為監(jiān)測點W～W的樁頂沉降位移變化曲線。由圖9可知：W，W，W3個監(jiān)測點樁頂沉降最大分別為1.89，1.49，1.76 mm，3 個監(jiān)測點的沉降位移變化速率不同；W整體變化較為穩(wěn)定，保持在0.010 mm/d，W，W的 沉 降 變 化 速 率 最 大，分 別 為0.038，0.050 mm/d，差異較大。表明在臨近鐵路側(cè)基坑支護陽角部位變化差異較大，危險性較高，施工時應(yīng)加強沉降監(jiān)測。

圖10為監(jiān)測點W，W，W的監(jiān)測和模擬沉降位移。由圖10 可知，隨著基坑開挖深度增加，樁頂沉降位移增加趨勢呈三階段。第一階段為工況1～4，整體沉降位移增幅較??；第二階段為工況5～8，樁體沉降位移增幅較大；第三階段為工況9，樁頂沉降位移增幅變小。

圖9 W7～W9樁頂監(jiān)測沉降位移Fig.9 Monitoring settlement displacement of W7-W9 pile top

圖10 W7～W9樁頂沉降位移Fig.10 Settlement displacement of W7-W9 pile top

3.4 樁體水平位移和錨索應(yīng)力

位于支護樁中間部位的某根樁體在工況1～9的過程中水平位移模擬結(jié)果如圖11。由圖11可知：隨著基坑開挖過程的進行，樁體上部位移變化明顯；工況1～9樁體位移均在增大，但過工況2后，9種工況水平位移變化平緩，表明樁錨支護效應(yīng)明顯；工況4施加第二排錨索后，樁體位移增速變緩，但從工況4到工況5繼續(xù)開挖，樁體位移增加的絕對數(shù)仍較大，故可適當(dāng)增加第三排錨索鎖定值，提高支護效應(yīng)。

圖12為工況2～9每排錨索中部某根錨索的最大模擬應(yīng)力變化。由圖12可知：第1～4排錨索最大應(yīng)力分別為130.33，203.86，240.33，180.00 kN；第二排錨索和第三排錨索應(yīng)力較大，在施工過程中可適當(dāng)增加錨索鎖定值，提高支護穩(wěn)定性。

圖11 樁體水平位移Fig.11 Horizontal displacement of pile

圖12 錨索應(yīng)力Fig.12 Stress of anchor cable

4 結(jié) 論

1)隨著基坑開挖的進行，鐵路兩側(cè)沉降逐漸增大，中期發(fā)展較快、后期趨于穩(wěn)定。鐵路兩側(cè)沉降最大值為2.51 mm，監(jiān)測值和模擬值豎向差值最大為1.18 mm和1.33 mm，總體上樁錨復(fù)合支護結(jié)構(gòu)對控制臨近鐵路側(cè)沉降具較好的支護效應(yīng)。

2)基坑監(jiān)測和模擬結(jié)果顯示陽角部位樁頂水平位移最小，表明陽角L型樁體布置能有效限制樁體水平位移；樁頂沉降在中期發(fā)展較快，施工過程中應(yīng)加強監(jiān)測。適當(dāng)增加中部錨索的鎖定值可提高支護效應(yīng)，降低失穩(wěn)風(fēng)險。

3)鐵路兩側(cè)沉降差異、樁頂水平位移、樁頂沉降位移的數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果吻合較好，數(shù)值模擬可用于指導(dǎo)施工工況。