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(jì)南 250014)

隨著基坑支護(hù)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(lái)越突出。在進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)選型設(shè)計(jì)時(shí)，預(yù)應(yīng)力錨索以其施工方便、主動(dòng)支護(hù)、經(jīng)濟(jì)效益高及提高巖土體自穩(wěn)能力等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用在深基坑支護(hù)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(hù)毗鄰的建筑物，預(yù)應(yīng)力錨索通常與其它支護(hù)結(jié)構(gòu)形成組合支護(hù)體系使用，如錨索+樁、錨索+樁+內(nèi)支撐等支護(hù)型式[5]。受多種因素的影響，錨索預(yù)應(yīng)力損失是一個(gè)普遍存在而又不可避免的現(xiàn)象，對(duì)錨索的支護(hù)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(guò)程中錨索預(yù)應(yīng)力的變化規(guī)律[6-7]。范一平[8]通過(guò)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(guò)有限差分?jǐn)?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(zhǎng)度不同的情況下錨固機(jī)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(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果，研究了地下洞室群開挖過(guò)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(duì)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(jì)算方法。錨索預(yù)應(yīng)力損失的大小與實(shí)際工程的施工安全密切相關(guān)，提前預(yù)測(cè)錨索預(yù)應(yīng)力損失規(guī)律，不僅可以提高施工進(jìn)度，而且能夠避免預(yù)應(yīng)力損失過(guò)大帶來(lái)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(duì)濟(jì)南某樁錨支護(hù)基坑現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，提出了一種現(xiàn)場(chǎng)針對(duì)超張拉和二次張拉施工的錨索預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算方法，并利用Plaxis數(shù)值模擬驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，借助有限元分析軟件對(duì)基坑工程進(jìn)行數(shù)值模擬，是研究基坑施工過(guò)程中支護(hù)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(guò)建立有限元模型，計(jì)算分析不同施工階段錨索軸力的變化情況,并與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析，得到了支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)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(hù)結(jié)構(gòu)超深巖質(zhì)基坑的開挖和支護(hù)過(guò)程，與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和監(jiān)測(cè)結(jié)果綜合分析，得到了基坑位移和錨索內(nèi)力隨施工進(jìn)行的變化規(guī)律。任志亮[20]通過(guò)對(duì)青島某地鐵車站基坑錨索軸力以及周邊建筑物沉降進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)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(hù)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(hù)基坑開挖過(guò)程對(duì)錨索軸力和基坑位移的變化，結(jié)合理正深基坑軟件計(jì)算結(jié)果，揭示了厚沖擊黏性土層基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化和基坑變形規(guī)律。許健等[22]對(duì)黃土地區(qū)深大基坑施工過(guò)程中錨索軸力、支護(hù)樁位移與周邊建筑物沉降等進(jìn)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(hù)的發(fā)展前景。玻璃纖維增強(qiáng)聚合物(glass fiber reinforced polymer，GFRP)材料，憑借抗拉強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、工程性價(jià)比高等優(yōu)勢(shì)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(hù)中的作用，對(duì)比分析了GFRP腰梁和雙背槽鋼腰梁對(duì)錨索預(yù)應(yīng)力損失的影響規(guī)律，驗(yàn)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?jī)?nèi)容主要集中于基坑開挖過(guò)程及不同支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)錨索預(yù)應(yīng)力損失的影響規(guī)律上，不同材質(zhì)腰梁對(duì)錨索預(yù)應(yīng)力損失影響的研究鮮有報(bào)道。基于此，以青島海天中心樁錨支護(hù)基坑工程為研究對(duì)象，借助ABAQUS有限元分析軟件，對(duì)不用材料的腰梁進(jìn)行建模，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，系統(tǒng)介紹了不同材質(zhì)腰梁對(duì)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(xiàng)目(海天中心)基坑支護(hù)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(guò)2 m；西鄰青島世紀(jì)名人廣場(chǎng)，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(jí)基坑，開挖深度在24～29 m，建設(shè)場(chǎng)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(huì)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(kù)。設(shè)計(jì)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(zhǎng)約760 m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察研究報(bào)告，場(chǎng)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(guò)程

2.1 有限元模型建立

本場(chǎng)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(kù)侖彈塑性本構(gòu)模型；腰梁材料是各向同性，腰梁采用梁?jiǎn)卧?；支護(hù)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(duì)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(guò)程中，3種腰梁尺寸保持一致。表2為土體、支護(hù)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(jìn)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(hù)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(shí)，網(wǎng)格過(guò)于密集會(huì)增加計(jì)算量，降低收斂性，合理劃分網(wǎng)格能夠提高模型的計(jì)算效率和計(jì)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(hù)樁和腰梁采用C3D8R實(shí)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(hù)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(wú)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(hù)樁綁定為一個(gè)整體。錨索內(nèi)置于土體，采用降溫法在ABAQUS中對(duì)錨索施加預(yù)應(yīng)力，通過(guò)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(guò)分析錨索預(yù)應(yīng)力變化的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力隨時(shí)間的變化趨勢(shì)主要分3個(gè)階段：快速下降階段、穩(wěn)定變化階段和基本穩(wěn)定階段?？紤]到初始地應(yīng)力的影響，用4個(gè)分析步分別對(duì)應(yīng)錨索預(yù)應(yīng)力損失的幾個(gè)階段，其中Step0用來(lái)平衡初始地應(yīng)力，Step1、Step2、Step3分別對(duì)應(yīng)錨索預(yù)應(yīng)力隨時(shí)間變化的3個(gè)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(jì)算結(jié)果及分析

因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)基坑開挖時(shí)，提前進(jìn)行了降排水處理，故采用有限元軟件ABAQUS模擬基坑開挖過(guò)程時(shí)未考慮孔隙水壓力的影響，通過(guò)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(guò)模擬值與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比，分析錨索預(yù)應(yīng)力隨時(shí)間的變化規(guī)律。

有效遏制權(quán)力尋租空間。軍隊(duì)行政權(quán)力清單制度要求科學(xué)規(guī)范軍隊(duì)權(quán)力，防止權(quán)力過(guò)分集中于某個(gè)人、單位或部門手中。軍隊(duì)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(duì)行政權(quán)力清單制度的公開透明特征，使權(quán)力運(yùn)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(lái)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(duì)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(dòng)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(shí)，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(dòng)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(bǔ)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(bǔ)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(shí)，腰梁只出現(xiàn)微小變形，逐漸趨于穩(wěn)定，對(duì)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(hù)樁，支護(hù)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(shí)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(guò)一段時(shí)間的快速下降，逐漸開始出現(xiàn)波動(dòng)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(shì)，腰梁、支護(hù)樁不再產(chǎn)生較大的變形，逐漸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)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(hù)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(guò)快速下降和穩(wěn)定變化之后，逐漸達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)并開始向四周擴(kuò)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(shí)間的進(jìn)行，土體蠕變和巖體流變變形不再擴(kuò)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(dá)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(jì)值為6.20 mm，豎向位移累計(jì)值為2.80 mm，均滿足《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50497—2019)[26]對(duì)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(chǎng)監(jiān)測(cè)

圖9給出了錨索預(yù)應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置DY1-2和DY1-3，腰梁采用混凝土腰梁，基坑整體支護(hù)情況如圖10所示。采用墊板、錨具等將錨桿軸力計(jì)安裝在孔口自由段位置，如圖11所示，最大量程超過(guò)設(shè)計(jì)拉力值的120%。錨索張拉時(shí)開始監(jiān)測(cè)，歷時(shí)81 d，依靠609讀數(shù)儀與軸力計(jì)連接，測(cè)出各軸力計(jì)頻率，通過(guò)公式換算得出軸力值。圖12給出了錨索軸力現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果。

圖9 監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置圖

圖10 基坑支護(hù)效果

圖11 軸力計(jì)安裝

圖12 錨索軸力隨時(shí)間變化規(guī)律

3.5.2 實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)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(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)DY1-3和DY2-1的預(yù)應(yīng)力監(jiān)測(cè)值進(jìn)行對(duì)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(shí)間變化的模擬結(jié)果。

圖13 混凝土腰梁模擬值與監(jiān)測(cè)值對(duì)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(cè)點(diǎn)DY2-1監(jiān)測(cè)值相接近，且與監(jiān)測(cè)點(diǎn)DY1-3和DY2-1的預(yù)應(yīng)力變化趨勢(shì)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(duì)錨索預(yù)應(yīng)力損失的影響具備可行性和有效性。經(jīng)過(guò)對(duì)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(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果的跳動(dòng)現(xiàn)象。究其原因，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果受到了基坑開挖施工的影響，造成數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，而模擬過(guò)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(shí)間的變化趨勢(shì)更為平緩，混凝土腰梁次之，鋼腰梁變化波動(dòng)范圍最大，出現(xiàn)這種差異的原因主要是在建立模型時(shí)，不同材料的接觸面約束條件的定義和實(shí)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(chǎng)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(chǎng)實(shí)測(cè)和ABAQUS有限元模擬對(duì)不同材質(zhì)腰梁作用下錨索預(yù)應(yīng)力隨時(shí)間的變化規(guī)律進(jìn)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(chǎng)監(jiān)測(cè)值變化趨勢(shì)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(gè)階段，驗(yàn)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(guò)對(duì)3個(gè)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(shí)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(shí)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(shí)測(cè)值的對(duì)比，進(jìn)一步證實(shí)了ABAQUS軟件模擬本基坑開挖過(guò)程的可靠性。

(3)通過(guò)對(duì)比混凝土腰梁模擬結(jié)果和監(jiān)測(cè)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)腰梁可以減少錨索預(yù)應(yīng)力的損失。對(duì)3種不同材質(zhì)腰梁的模擬結(jié)果進(jìn)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(hù)體系中有廣闊的應(yīng)用前景。