基于ABAQUS的土釘-樁錨聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)分析

劉慧軍 唐天國

以某深基坑工程為研究對象，運(yùn)用ABAQUS有限元軟件模擬基坑開挖支護(hù)過程，通過單因素分析法分析土釘-樁錨聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計參數(shù)對基坑穩(wěn)定性的影響。計算結(jié)果顯示：隨著土釘傾角、土釘長度的增加，基坑邊緣土體水平位移逐漸減小，但沉降量基本保持不變；隨著錨桿傾角、錨固段長度的增加，放坡面土體水平位移逐漸減小，但沉降量逐漸增加；隨著地面超載的增加，基坑邊緣土體水平位移、沉降量都逐漸增大，且變化幅度比較大。

深基坑； 土釘； 樁錨； 聯(lián)合支護(hù)； 穩(wěn)定性

TU94+2 A

［定稿日期］2022-06-01

［作者簡介］劉慧軍（1992—），男，碩士，研究方向為工程安全監(jiān)測；唐天國（1973—），男，博士，副教授，主要從事結(jié)構(gòu)抗震及工程監(jiān)測方面的研究工作。

隨著我國城市化進(jìn)程的發(fā)展，基坑支護(hù)工程在建筑、交通、地下空間等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛［1］。由于每種支護(hù)措施各有優(yōu)缺點，單獨使用某一支護(hù)措施不僅成本較高、經(jīng)濟(jì)效益較差，而且還不能達(dá)到預(yù)期的支護(hù)效果，因此在深基坑支護(hù)方案的選擇中，經(jīng)常采用2種及以上的支護(hù)措施，形成新型的復(fù)合式支護(hù)結(jié)構(gòu)，以便取長補(bǔ)短、優(yōu)勢互補(bǔ)，實現(xiàn)資源利用最大化［2-4］。本文主要研究土釘-樁錨聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響因素，為后期類似工程提供參考依據(jù)。

1 工程概況

本工程基坑開挖深度為13 m，支護(hù)體系采用土釘+樁錨聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)。上部土釘墻放坡開挖，坡度1∶0.3，開挖深度5.0 m，坡底平臺寬度1.0 m；墻面設(shè)置2排土釘，面板鋪設(shè)8@250 mm×250 mm鋼筋網(wǎng)，噴射C20細(xì)石混凝土，厚度100 mm。下部樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)，樁長15 m、樁徑0.8 m，嵌固深度7.0 m，混凝土強(qiáng)度為C30；設(shè)置2排預(yù)應(yīng)力錨桿，第一排錨桿施加預(yù)應(yīng)力260 kN，第二排錨桿施加預(yù)應(yīng)力300 kN。土層及材料參數(shù)如表1、表2所示。

2 建立模型

模型尺寸65 m×50 m，通過結(jié)構(gòu)法將二維基坑模型劃分為4 111個網(wǎng)格，土體和支護(hù)樁采用四結(jié)點雙線性平面應(yīng)變四邊形單元（CPE4），土釘和錨桿采用二結(jié)點二維桁架單元（T2D2），土體本構(gòu)關(guān)系選取Mohr-Coulomb（摩爾-庫倫）模型［5-6］。有限元模型如圖1所示。

假設(shè)條件：

（1）假定土體和圍護(hù)結(jié)構(gòu)各向同性且為理想彈塑性體。

（2）忽略地下水位的影響。

（3）在基坑工程施工前，土體在自重應(yīng)力狀態(tài)下固結(jié)。

（4）在基坑開挖過程中，不考慮錨桿橫向抗剪作用。

3 計算結(jié)果分析

3.1 土釘傾角

如圖2、圖3所示，分別取5°、10°、15°分析土釘傾角對基坑頂部土體水平位移和沉降的影響。隨著土釘傾角的增加，基坑邊緣土體水平位移逐漸減少，且均在距離基坑邊緣2.8～3 m范圍內(nèi)水平位移達(dá)到最大值；基坑邊緣土體沉降值變化很小，曲線基本重疊。

3.2 土釘長度

如圖4、圖5所示，分別取6 m、8 m、10 m分析土釘長度對基坑頂部土體水平位移和沉降的影響。隨著土釘長度的增加，基坑邊緣土體水平位移逐漸減少，且均在距離基坑邊緣3 m處水平位移達(dá)到最大值；基坑邊緣土體沉降值變化很小，曲線基本重疊。

3.3 錨桿傾角

如圖6、圖7所示，分別取10°、15°、25°分析錨桿傾角對基坑放坡面土體水平位移及沉降的影響。隨著錨桿傾角的增大，放坡面土體水平位移逐漸減小，說明錨桿傾角在一定程度上增加，有利于控制放坡面水平位移；另外，沿放坡面到坡頂距離3.3～4 m范圍內(nèi)水平位移基本相同，也是位移最大值所在位置。隨著錨桿傾角的增大，放坡面土體沉降逐漸增大，最大值均出現(xiàn)在沿放坡面到坡頂4.8 m處；說明錨桿傾角增大不利于控制放坡面土體沉降。

3.4 錨固段長度

如圖8、圖9所示，分別取18 m、20 m、24 m分析錨固段長度對基坑放坡面土體水平位移及沉降的影響。隨著錨桿錨固段長度的增加，放坡面土體水平位移逐漸減小，說明適當(dāng)加大錨桿錨固段長度，更有利于控制放坡面水平位移；另外，沿放坡面到坡頂距離3.3～4 m范圍內(nèi)水平位移基本相同，也是位移最大值所在位置。隨著錨桿錨固段長度的增加，放坡面土體沉降逐漸增大，最大值均出現(xiàn)在沿放坡面到坡頂4.8 m處。

3.5 地面超載

如圖10、圖11所示，分別取10 kPa、20 kPa、40 kPa分析超載大小對基坑頂部土體水平位移和沉降的影響。隨著地面超載的增加，基坑邊緣土體水平位移逐漸增大，且均在距離基坑邊緣4 m處水平位移達(dá)到最大值。隨著地面超載的增加，基坑邊緣土體沉降逐漸增大，且均在距離基坑邊緣1 m處沉降量達(dá)到最大值。

4 結(jié)論

（1）隨著土釘傾角、土釘長度的增加，基坑邊緣土體水平位移逐漸減小，但沉降值基本保持不變；說明土釘能夠有效控制基坑頂面土體裂縫，但不能抑制坑頂土體沉降。

（2）隨著錨桿傾角、錨固段長度的增加，放坡面土體水平位移逐漸減小，但沉降量逐漸增加，最大值在放坡面坡腳附近。

（3）隨著地面超載的增加，基坑邊緣土體水平位移、沉降量都逐漸增大，且變化幅度比較大；在基坑開挖過程中要控制坡頂堆載，盡量遠(yuǎn)離基坑邊緣。

參考文獻(xiàn)

［1］ 丁鵬. 深基坑土釘墻與樁錨組合支護(hù)結(jié)構(gòu)的研究［D］.保定：華北水利水電大學(xué)，2020.

［2］ 張傳虎. 西寧某深基坑土釘墻支護(hù)數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測［D］.合肥：安徽建筑大學(xué)，2021.

［3］ 蔡勇. 復(fù)合土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)在深基坑工程中的應(yīng)用研究［D］.西安：西安建筑科技大學(xué)，2015.

［4］ 黃智國. 土釘樁錨聯(lián)合支護(hù)分步開挖基坑應(yīng)力—應(yīng)變的數(shù)值分析［D］.鄭州：華北水利水電大學(xué)，2017.

［5］ 陳艷平. 某深基坑樁錨支護(hù)與土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力變形分析［D］.保定：河北大學(xué)，2021.

［6］ 王帥棟. 深基坑土釘墻—樁錨復(fù)合結(jié)構(gòu)工作性能分析［D］.北京：中國地質(zhì)大學(xué)（北京），2019.