桩锚支护条件下深基坑稳定性分析

报告将勘探深度（最大深度26.00m）范围内的土层划分为两大类：人工堆积层和第四纪沉积层，并根据各土层岩性及工程性指标进一步划分为6层。

2 桩锚支护

桩锚支护是一种应用广泛的基坑支护方法，一般在基坑四周设置钢筋砼灌注桩，用连梁连接各桩顶，随基坑深度变化，在桩间土处施加不同数目的预应力锚杆，增强基坑的边坡稳定性及安全性。

2.1支护方案设计

本方案采用直径600mm的钢筋砼护坡桩，中心距1200mm，为了减少坡顶位移和施工便利，桩顶全部位于自然地面下300mm处。根据基坑不同边界条件，选取三个剖面进行支护方案设计并选取相应的支护参数。

2.2支护结构验算

基坑整体安全及抗倾覆稳定性验算：

1）整体稳定性验算选用圆弧法[2]，其中土条宽度为0.4m；安全系数由式1得出。

式中W为支护结构自重， 为主动土压力的水平分力， 为主动土压力的竖向分力，a、b、h分别为W、 、 对O点的力臂，如图2所示。

3 数值模拟

3.1 有限元模型的建立

根据桩锚支护设计参数，建立有限元模型。模型网格见图3。采用嵌入实体的方式以模型节点耦合，利用实体生成模型，在建筑物与土体或土体与开挖面的接触面输入嵌入实体的指令。在进行数值分析前，应当检查所划分网格的自由面，模型内部严禁自由面的存在。

在本方案涉及的3种剖面类型中，仅分析最不利于安全的剖面，支护结构模型见图4。通过定义激活及钝化单元来模拟基坑的分步（四步）开挖及支护结构，确保基坑开挖工况于实际施工一致，保证分析结果的正确性。

3.2数值模拟结果

3.2.1水平位移

支护结构变形分为水平位移和沉降，而水平位移对支护结构和周围环境的安全性的影响占据主导，本文只关注水平方向位移的影响。支护结构水平位移的大小直接影响基坑周围土体沉降量。沿着基坑壁每隔1m距离依次向下取15个节点，绘制出桩锚支护水平位移曲线如图5所示。

本模型设置开挖工况时，在开挖二层土体后对第一道锚杆施加预应力，比较锚杆施加预应力前后支护结构水平位移的变化规律，从图6中可以发现，未施加预应力时，护坡桩处于悬臂状态，桩身水平位移沿桩轴方向下减小。施加预应力后，桩身位移减小趋势更为明显。由此可见锚杆施加预应力后，可以有效控制基坑沿水平方向的变形。

3.2.2周围土体沉降

基坑开挖过程中，由于土体开挖卸荷，基坑周围土体会发生塑性运动，分别向基坑内部和底部运动，这是造成基坑周围地表沉降的主要原因。支护结构水平位移量也会对沉降量产生影响。最终开挖工况下竖向位移色谱图如图7所示。自基坑边缘向外的同一直线上每隔3m依次取9个节点，绘制出本支护形式沉降曲线如图8所示。

图7最终开挖工况下竖向位移图图8 不同开挖工况下基坑周围沉降位移曲线

3.2.3基坑底部土体隆起分析

基坑支护结构底部土体卸载表现为基坑底部隆起[3]。由于开挖造成的土体卸荷、支护结构自重影响以及地面超载的作用下，基坑底部土体向坑内移动，造成底部隆起的现象。沿基底以7m为单位依次取3个点进行变形分析，如下图9所示。

图9 桩锚支护不同开挖工况下坑底隆起变形曲线

4 结论

由以上分析可以得出以下结论：

1）支护结构的水平位移从地表到坑底呈现逐渐减小规律。在开挖基坑内土体时，由于卸荷作用，开挖侧土体对护坡桩桩体的土压力随之降低，开挖深度范围内支护侧土体向基坑内移动，使得开挖面下部土体产生负位移。由于桩体嵌固深度的作用，负位移出现在开挖深度以下0～2m范围内。

2）随着开挖深度的加深，基坑坑壁的水平位移也逐渐增大。当开挖完成后，护坡桩的桩身水平位移达到最大值，为10.1mm，发生在-3m位置处。

3）基坑周围地表沉降呈现抛物线分布，其变形量具有先增大后减小最后归于零的规律。周围地表沉降的影响范围随着基坑开挖深度的加深有扩大的趋势，同时地表沉降量也随之增大。本工程基坑最大沉降量为15.6mm，发生在距离基坑13.4m远处。

4）基坑底部土体隆起量与基坑开挖深度成正比关系，且在基底开挖面中央区域出现最大隆起。这种现象的主要是由两个方面引起，一是支护结构的弹性模量较土体较大，基坑底部的土体要承受支护结构变形引起的作用力，呈现坑底隆起；二是水平应力的存在，当支护结构底部的土体向上运动时将会产生负摩擦力，呈现坑壁周围土体的隆起量小于基坑中部。

参考文献：

[1]曹洋. 分层降水开挖对基坑周边环境变形影响分析[D].黑龙江科技学院硕士论文，2010

[2]陈希哲.土力学地基基础（第4版）[M].北京：清华大学出版社，2004.4：218～236

[3]尹晓.基坑开挖对邻近砌体结构房屋的影响分析和保护研究[D].同济大学硕士论文，2006