不規則深基坑陽角效應的工程處治評價與分析

董淑海，張雪東，沈宇鵬，左瑞芳

不規則深基坑陽角效應的工程處治評價與分析

董淑海1，張雪東2，沈宇鵬3，左瑞芳3

（1.中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海200032；2.中交鐵道設計研究總院有限公司，北京100088；3.北京交通大學土木建筑工程學院，北京100044）

基于基坑實測數據，借助ABAQUS有限元三維模擬軟件，對影響基坑陽角效應的樁體剛度、陽角角度、陽角凸出長度、開挖深度和錨頭拉力等因素進行分析。在考慮樁體和土之間接觸面無厚度、小滑移，樁底與土體采用Tie綁定連接，錨桿預應力采用等效降溫法施加的條件下，開展了對深基坑陽角工程處治效果研究的工作。結果表明，在合理配筋的前提下，適當增加樁體的剛度，選取合適的錨桿力，可以減少基坑周邊土體的位移，有利于基坑施工；樁體彎矩和樁頂位移隨陽角角度的增大而減小，隨陽角凸出長度及基坑開挖深度的增大而增大。研究結果可為類似工程的施工安全提供保障。

深基坑；錨桿支護體系；陽角效應；有限元模擬

0 引言

隨著國家城鎮化建設的推進，地下空間的開發利用越來越受到關注，受開發地段條件限制，不規則的基坑也越來越多地出現。帶陽角的深基坑屬于一種不規則深基坑[1]，其陽角有兩側土體出現臨空面，應力狀態異于規則深基坑開挖面，對地表應力水平、地下水位變化以及支護體系剛度等因素更為敏感。

深基坑支護體系的設計是一個復雜的三維空間受力問題，工程實踐中發現，基坑陽角是平面內變形的不利位置，放坡平臺對于控制基坑變形具有積極作用[2]。

在基坑陽角工程的處治過程中，目前普遍采用的是地下連續墻、鉆孔灌注樁加內支撐、鉆孔灌注樁加預應力錨桿、加筋深層攪拌樁與土釘相結合等多種支護綜合優化方案。

隨著對基坑空間效應認識的不斷深入以及計算機技術的不斷發展，對基坑陽角工程的處治措施也更具有針對性，其處治效果的評價分析的研究越發顯示出其重要性和必要性。但是，目前對基坑陽角工程處治效果評價分析的研究多是針對單一指標，例如圍護結構的水平位移[3]、冗余度[4-5]及陽角角度等，工況針對性強，但較難全面地分析和評價基坑陽角工程的處治效果，且普遍適用性較差。

本文以北京市某不規則深基坑支護工程為例，通過采用ABAQUS進行有限元三維模擬計算分析，并選取影響基坑陽角效應的若干因素，建立不同工況下的基坑開挖模型，對比分析不同陽角處治下的指標情況，得出各因素對陽角處治效果的影響水平。

1 工程概況

1.1 工程簡介

該改擴建工程位于永定河沖洪積扇中部，地形較為平坦，地面標高39.50耀39.70 m，設計依0.000標高相當于絕對標高40.15 m，基坑支護開挖深度為26 m，采用準800 mm伊1 600 mm灌注樁圍護結構，樁長為29.5 m，樁頂標高為-2.1 m，基坑支護平面布置圖如圖1。

圖1 基坑支護平面布置示意圖Fig.1Layout of foundation pit support plane

選取在具有陽角的基坑的局部位置中埋設監測元器件，埋設內容包括水平位移、護坡樁測斜和錨桿應力。

1.2 工程地質條件

工程場地內土層主要為人工堆積層及第四系沉積層兩大層，可進一步分為8層，如表1所示。

基坑坑底距地下水位較遠，本基坑不考慮地下水的影響。

表1 場地土層信息及地層物理力學參數表Table 1Survey information and physical and mechanical parameters of site soil

2 數值模擬分析

2.1 模型假定條件

根據施工與建模的經驗，考慮到建模的一些不必要因素，對模型建立以下假定條件：1）假定土體為各向同性且均質的彈塑性；2）計算過程不考慮地下水滲流以及土體的固結影響；3）樁與梁體為線彈性體；4）忽略樁的入土過程；5）模擬過程中基坑的周邊超載等效成均布荷載施加在基坑一定范圍之內。

2.2 建立計算模型及邊界條件

本文計算模型豎向取值[6]為2倍的開挖深度，計算寬度和長度至少取開挖寬度再向外延伸2倍基坑開挖深度。模型的頂端開挖15 m范圍內施加10 kPa的均布荷載，其他面為自由面，分析模型如圖2。

圖2 基坑開挖三維有限元模型Fig.23D finite element model of foundation pit excavation

模型的邊界條件為：底端為固支邊界，約束3個方向的位移。對于模型的側面，平行于X軸的面約束Y方向的位移，平行于Y方向的面約束X方向的位移。

2.3 模型可行性驗證

根據實際工程建立有限元模型，計算得到的凸出部位樁體頂部橫向位移沿著樁體深度的變化曲線與實際工程測得的監測曲線對比情況如圖3所示。

由圖3可以看出，監測變形量與計算得到的變形量均沿著樁體深度方向先減小后增大，在樁體中下部達到峰值后又減小，監測結果與計算結果趨勢相符，說明模型具有可行性。

圖3 監測結果與計算結果對比圖Fig.3Comparison of monitoring results and calculation results

2.4 數值模擬結果分析

本文通過選取影響基坑陽角效應的因素，包括樁體剛度、陽角角度、陽角凸出長度、開挖深度及錨頭拉力等參數進行分析，選取陽角凸出中部樁體進行分析，該樁體在分析模型中的位置示意圖如圖4。

圖4 選取的凸出中部樁體示意圖Fig.4Diagram of the selected the protruding middle pile body

1）樁體剛度

由圖5（a）可見：沿著樁體深度方向，樁體變形偏移量沿深度方向基本呈線性分布，受樁體剛度影響較小，同一深度，剛度越大，橫向偏移量越小。對于樁頂最大橫向偏移量，剛度為1.4伊104MPa、2伊104MPa、2.8伊104MPa、4.2伊104MPa、5.6伊104MPa時，偏移量分別為2.96 mm、2.85 mm、2.61 mm、2.49 mm、2.30 mm。

圖5 凸出中部樁體橫向偏移及彎矩隨深度變化曲線Fig.5Changing curves of horizontal displacement and bending moment with depth of the selected protruding middle pile body

由圖5（b）可見：樁體彎矩值受樁體剛度大小影響明顯，樁體彎矩在打錨桿處將出現突增現象，同一錨桿深度處，樁體剛度越大，彎矩越大。樁體最大彎矩出現在樁體下部，靠近基底，剛度為1.4伊104MPa、2伊104MPa、2.8伊104MPa、4.2伊104MPa、5.6伊104MPa時，最大彎矩分別為7 231.75 kN·m、7 912.36 kN·m、8 865.29 kN·m、9 623.68 kN·m、11 457.46 kN·m。

本文研究分析的影響基坑陽角效應的其他因素，如陽角角度、陽角凸出長度、開挖深度和錨頭拉力等，在ABAQUS有限元三維模擬軟件建模分析得到的凸出中部樁體橫向偏移及彎矩隨深度變化曲線與樁體剛度因素影響下得到的變化曲線趨勢類似，故后文不再給出圖形贅述。

2）陽角角度

沿著樁體深度方向，樁體變形偏移量沿深度方向基本呈線性分布，陽角角度越大，無偏移深度越小，到一定深度之后，偏移量則趨向穩定。對于樁頂的最大橫向偏移量，陽角角度分別為60毅、75毅、90毅時，偏移量分別為2.6 mm、2.1 mm、1.8 mm。

樁體彎矩值受樁體陽角角度影響明顯，樁體彎矩在錨桿處發生突增，同一錨桿深度處，陽角角度越大，彎矩越小。樁體最大彎矩出現在樁體的下部，靠近基底，陽角角度分別為60毅、75毅、90毅時，樁體的最大彎矩分別為9 329.23 kN·m、7 283.86 kN·m、6 484.87 kN·m。

3）陽角凸出長度

樁體橫向偏移受陽角凸出長度影響顯著，同一深度，陽角凸出長度越長，樁體橫向偏移量變化越大。樁頂橫向偏移量隨陽角凸出長度的增加而增大，但其趨勢漸弱，當陽角凸出長度分別為2 m、4 m、6 m時，偏移量分別為2.6 mm、7.6 mm、10.5 mm。

樁體彎矩在打錨桿處將出現突增現象，同一錨桿深度處，陽角凸出長度越長，彎矩越大，但增大趨勢在漸減。樁體最大彎矩分布靠近基底上部，凸出長度分別為2 m、4 m、6 m時，樁體最大彎矩分別為6 484.87 kN·m、8 317.34 kN·m、8 613.71 kN·m。

4）開挖深度

沿著樁體深度方向，樁體變形偏移量沿深度方向基本呈線性分布，樁體橫向偏移量先減少后增加。隨著開挖深度的增加，樁體頂部最大偏移量逐漸增大，開挖深度分別為10 m、20 m、26 m、30 m時，樁頂最大變形量分別為0.24 mm、1.3 mm、2.6 mm、2.9 mm。

樁體彎矩隨開挖深度的增大而增大，樁體彎矩在錨桿處出現突變，彎矩最大值出現在基底附近。當開挖深度為10 m、20 m、26 m、30 m時，樁體最大彎矩分別為1 463.04 kN·m、4 349.52 kN·m、4 941.86 kN·m、5 930.34 kN·m。

5）錨頭拉力

樁體橫向偏移受錨桿力大小影響顯著，沿樁體深度方向，樁體變形偏移量基本呈線性分布，在樁體下部偏移量變化逐漸穩定，且錨桿力較設計值越大越明顯。對于樁身最大橫向偏移量，當錨桿力減少50%時，偏移量為6.2 mm；當錨桿力減少30%時，偏移量為5.5 mm；當錨桿力不變時，偏移量為4.5 mm；當錨桿力增加30%時，偏移量為3.6 mm；當錨桿力增加50%時，偏移量為2.9 mm。

在低于或高于錨桿設計值的工況下，樁體的彎矩值均偏大，說明合理的錨桿設計值能有效降低樁體的彎矩值。

3 結語

本文針對一個典型深基坑施工過程中的樁體位移、錨桿拉力等進行布點監測，利用有限元軟件ABAQUS建立基坑開挖三維有限元模型，對基坑的不同設計參數，如樁體剛度、陽角角度、陽角凸出長度、開挖深度和錨頭拉力等，研究了在不規則深基坑開挖過程中的不同設計參數下基坑的陽角效應。得到以下主要結論：

1）較大的樁體剛度能夠更有效地控制樁體的橫向位移，但也會增大樁體的最大彎矩。因此，在合理配筋的前提下，適當增加樁體的剛度，可以減小基坑周邊土體的位移，有利于基坑施工。

2）陽角角度對于基坑的開挖具有較大的影響，陽角角度越小對于開挖過程越不利，同一深度處，陽角角度越小，樁體彎矩越大?；釉O計時應盡量避免小的凸出夾角，由于較小的陽角角度部位會使樁體產生較大的內力，因此對于較小角度的凸出部位的支護結構需要進行合理的內力驗算，并進行強化設計、合理配筋，保證施工安全性。

3）基坑凸出長度越大，樁體頂部最大變形量和樁體最大彎矩越大，其增大趨勢隨凸出長度的增大逐漸變小。

4）開挖深度對基坑開挖的影響是顯而易見的，開挖深度越大越不利。樁體最大橫向位移和最大彎矩都隨著開挖深度的增加而增大。因此，基坑設計時應避免一次性開挖較大深度，并需要進行樁體長度等參數的驗算，保證施工過程中基坑的穩定。

5）錨桿力對基坑開挖具有一定的影響。與設計值相比，錨桿力越大越能限制凸出中部樁體樁身最大橫向變形量，同時也會增大樁體的最大彎矩值。因此，基坑施工前應該對施加的錨桿力進行合理的驗算，使得在基坑開挖過程中，能夠較好地控制樁體變形和彎矩。

[1]GB 50497—2009，建筑基坑工程監測技術規范[S]. GB 50497—2009,Technical code for monitoring of building foun原dation pit engineering[S].

[2]丁勇春，周順新，王建華.深基坑開挖與土釘支護三維數值分析[J].上海交通大學學報，2011，45（4）：547-552.

DING Yong-chun,ZHOU Shun-xin,WANG Jian-hua.Threedimensional numerical analysis of soil nailing for deep excavation [J].Journal of Shanghai Jiaotong University,2011,45(4):547-552.

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[6]張建輝，趙靜力，王道卓.無支護基坑側移空間效應分析[J].巖土工程技術，2010，24（3）：119-122.

ZHANG Jian-hui,ZHAO Jing-li,WANG Dao-zhuo.Analysis of three-dimensional effects for lateral displacement of non-supported excavations[J].Geotechnical Engineering Technique,2010,24(3): 119-122.

Evaluation and analysis on engineering treatment of external angle effect of irregular deep foundation pit

DONG Shu-hai1,ZHANG Xue-dong2,SHEN Yu-peng3,ZUO Rui-fang3
（1.CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China; 2.CCCC Railway Consultants Group Co.,Ltd.,Beijing 100088,China; 3.School of Civil Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China）

ABAQUS finite element 3D simulation software was used to analyze the factors affecting external angle effect of a foundation pit based on the measured data,such as pile stiffness,size of external angle,protruding length of external angle, depth of excavation and anchor force.Little thickness,small slip and tie binding between pile and soil,and anchor prestress applied by the equivalent cooling method was considered in this paper,and then the treatment effect study of a deep foundation pit project was carried out.The results show that under the premise of reasonable steel bars,increasing the stiffness of the pile body and selecting the appropriate anchor force can reduce the displacement of the soil around the foundation pit,which is beneficial to the construction of the foundation pit.The bending moment of the pile body and displacement of the pile top decreased with the size of external angle increase,and increased with protruding length of external angle and depth of excavation increase gradually.

deep foundation pit;anchor retaining pile system;external angle effect;finite element simulation

U655.54；TU472

A

2095-7874（2017）09-0011-05

10.7640/zggwjs201709003

2017-06-19

董淑海（1978—），男，江蘇連云港人，碩士，高級工程師，主要從事巖土工程勘察、設計和檢測等工作。E-mail：shdong118@163.com