焦清杰 刘可兵 李 旺

墙锚式围护结构由挡土结构与外拉系统组成,受拉杆件的一端(锚头)通过压顶梁或腰梁与围护结构连接,另一端为锚固体,锚固体设在基坑外的稳定地层中,围护结构所受荷载的一部分或大部分通过受拉杆件传递到处于稳定区域中的锚固体上,而锚固体将传来的荷载分散到周围稳定的岩土层中,从而充分发挥了地层的自稳能力。在同等条件下墙锚式围护结构尺寸小、整体刚度大,在使用中位移变形小,且其可改善施工条件,加快施工进度,因此墙锚式围护结构的应用范围不断扩大,尤其适用于对深度比较大以及对变形控制要求严格的基坑工程[1]。

1 工程概况

拟建地铁车站主体结构为两层两跨框架结构,采用明挖法施工,基坑开挖深度为18 m,围护结构采用由连续墙和预应力锚索支护。场区地形平坦,根据钻探揭示及对地层成因、年代的分析,地层主要由第四纪全新统人工及陆相堆积层(Qml4,Qal4)组成,岩性为黏土、粉质黏土夹粉土、粉质黏土粉土粉砂互层、砂类土等,下伏白垩系下统砂砾岩。场地内的地下水类型主要为上层滞水,孔隙承压水两种类型,水位埋深为1.0 m～3.6 m。

2 模型建立

本次数值模拟模型共划分8 250个单元,11 424个节点,其中土体及连续墙采用实体单元进行模拟,锚索采用cable结构单元进行模拟;根据现场实际施工条件,基坑开挖共分为8步,边开挖边锚撑支护,第一步开挖 2.0 m,第二步～第七步开挖 2.5 m,最后一步开挖1 m到坑底。故在模拟基坑开挖时也分为8步,前七次开挖每次开挖之后加cable结构单元[2]。因此,在整个数值模拟的过程中围护结构总共施工了7道预应力锚索(见图1)。连续墙参数、锚索参数分别见表1,表2。

表1 连续墙(钢筋混凝土)参数

表2 锚索参数

3 分析计算

3.1 锚索受力结果分析

通过设置在锚索结构单元上的监测点对锚索的轴力进行监测,结果如图2,图3所示。

由图2,图3可知,7道锚索轴力的最小值出现在锚索的末端,接近零值,轴力基本上为由锚索末端向外递增的趋势。锚索的轴力随着基坑开挖是逐渐增加的,开挖至坑底时锚索轴力达到最大值,最大值为第五道锚索,其值为402.6 kN。表3为FLAC3D程序计算锚索轴力与传统等值梁法[3]计算锚索轴力对比结果,通过对比可以看出,利用等值梁计算的锚索轴力与有限差分计算的轴力基本上趋于一致,各层锚索轴力的发展趋势也相吻合,但FLAC3D计算锚索轴力值要小于等值梁法计算值,这也表明利用等值梁法计算偏于保守,对工程留有一定的安全余地。

表3 锚索轴力计算结果对比

3.2 基坑变形结果分析

在数值计算过程中,在YZ平面沿基坑开挖深度设置了标号为1～9的9个监测点,它们分别位于基坑深度的0 m,2 m,4.5 m,7 m,9.5 m,12 m,14.5 m,17 m,18 m;在进行地表沉降变形的模拟过程中,在XY平面的地表处即沿坐标轴Y方向共设置了标号为11～19的9个监测点,它们位于基坑断面中轴线上的位置,离基坑壁的距离分别为0 m,2 m,4 m,6 m,8 m,10 m,12 m,14 m,16 m[4]。将监测点1～9的数值模拟结果经过整理,如图4所示的位移值为基坑开挖至18 m时,位于各开挖深度监测点的最终水平位移值。从图4中可以看出,基坑土体的水平位移值在墙顶时最大,坑底时最小,最小值为11.5 mm,其中在14.5 m约处(H为墙高)出现明显的拐点,位于其上部的土体位移量较大,下部的土体位移减小明显;地表沉降主要发生在距离坑壁8 m以内的地方,其中靠近坑壁处沉降值最大,达到14.1 mm。

4 结语

用FLAC3D程序模拟仿真分析结果表明,各层锚索轴力的发展趋势与传统等值梁法计算结果大体一致,要略小于等值梁法计算值,此外,很好地再现了基坑开挖过程中位移场的变化过程,水平位移主要发生在围护墙(H为墙高)以上的部位,最大的水平位移在墙顶;最大地表沉降发生在紧邻坑壁土体处,计算的结果表明该支护方案满足基坑变形控制的要求。

[1] 龚晓南,高有潮.深基坑工程设计施工手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1998.

[2] 刘 波,韩彦辉.FLAC原理实例与应用指南[M].北京:人民交通出版社,2005.

[3] 黄 强.深基坑支护结构实用内力计算手册[M].北京:中国建材工业出版社,1995.

[4] 谭菊香.某地铁车站深基坑支护工程监测与分析[D].长沙:中南大学硕士学位论文,2006.

[5] 李自明.复合支护形式在深基坑支护中的应用[J].山西建筑,2008,34(2):120-121.