董淑海，张雪东，沈宇鹏，左瑞芳

不规则深基坑阳角效应的工程处治评价与分析

董淑海1，张雪东2，沈宇鹏3，左瑞芳3

（1.中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海200032；2.中交铁道设计研究总院有限公司，北京100088；3.北京交通大学土木建筑工程学院，北京100044）

基于基坑实测数据，借助ABAQUS有限元三维模拟软件，对影响基坑阳角效应的桩体刚度、阳角角度、阳角凸出长度、开挖深度和锚头拉力等因素进行分析。在考虑桩体和土之间接触面无厚度、小滑移，桩底与土体采用Tie绑定连接，锚杆预应力采用等效降温法施加的条件下，开展了对深基坑阳角工程处治效果研究的工作。结果表明，在合理配筋的前提下，适当增加桩体的刚度，选取合适的锚杆力，可以减少基坑周边土体的位移，有利于基坑施工；桩体弯矩和桩顶位移随阳角角度的增大而减小，随阳角凸出长度及基坑开挖深度的增大而增大。研究结果可为类似工程的施工安全提供保障。

深基坑；锚杆支护体系；阳角效应；有限元模拟

0 引言

随着国家城镇化建设的推进，地下空间的开发利用越来越受到关注，受开发地段条件限制，不规则的基坑也越来越多地出现。带阳角的深基坑属于一种不规则深基坑[1]，其阳角有两侧土体出现临空面，应力状态异于规则深基坑开挖面，对地表应力水平、地下水位变化以及支护体系刚度等因素更为敏感。

深基坑支护体系的设计是一个复杂的三维空间受力问题，工程实践中发现，基坑阳角是平面内变形的不利位置，放坡平台对于控制基坑变形具有积极作用[2]。

在基坑阳角工程的处治过程中，目前普遍采用的是地下连续墙、钻孔灌注桩加内支撑、钻孔灌注桩加预应力锚杆、加筋深层搅拌桩与土钉相结合等多种支护综合优化方案。

随着对基坑空间效应认识的不断深入以及计算机技术的不断发展，对基坑阳角工程的处治措施也更具有针对性，其处治效果的评价分析的研究越发显示出其重要性和必要性。但是，目前对基坑阳角工程处治效果评价分析的研究多是针对单一指标，例如围护结构的水平位移[3]、冗余度[4-5]及阳角角度等，工况针对性强，但较难全面地分析和评价基坑阳角工程的处治效果，且普遍适用性较差。

本文以北京市某不规则深基坑支护工程为例，通过采用ABAQUS进行有限元三维模拟计算分析，并选取影响基坑阳角效应的若干因素，建立不同工况下的基坑开挖模型，对比分析不同阳角处治下的指标情况，得出各因素对阳角处治效果的影响水平。

1 工程概况

1.1 工程简介

该改扩建工程位于永定河冲洪积扇中部，地形较为平坦，地面标高39.50耀39.70 m，设计依0.000标高相当于绝对标高40.15 m，基坑支护开挖深度为26 m，采用准800 mm伊1 600 mm灌注桩围护结构，桩长为29.5 m，桩顶标高为-2.1 m，基坑支护平面布置图如图1。

图1 基坑支护平面布置示意图Fig.1Layout of foundation pit support plane

选取在具有阳角的基坑的局部位置中埋设监测元器件，埋设内容包括水平位移、护坡桩测斜和锚杆应力。

1.2 工程地质条件

工程场地内土层主要为人工堆积层及第四系沉积层两大层，可进一步分为8层，如表1所示。

基坑坑底距地下水位较远，本基坑不考虑地下水的影响。

表1 场地土层信息及地层物理力学参数表Table 1Survey information and physical and mechanical parameters of site soil

2 数值模拟分析

2.1 模型假定条件

根据施工与建模的经验，考虑到建模的一些不必要因素，对模型建立以下假定条件：1）假定土体为各向同性且均质的弹塑性；2）计算过程不考虑地下水渗流以及土体的固结影响；3）桩与梁体为线弹性体；4）忽略桩的入土过程；5）模拟过程中基坑的周边超载等效成均布荷载施加在基坑一定范围之内。

2.2 建立计算模型及边界条件

本文计算模型竖向取值[6]为2倍的开挖深度，计算宽度和长度至少取开挖宽度再向外延伸2倍基坑开挖深度。模型的顶端开挖15 m范围内施加10 kPa的均布荷载，其他面为自由面，分析模型如图2。

图2 基坑开挖三维有限元模型Fig.23D finite element model of foundation pit excavation

模型的边界条件为：底端为固支边界，约束3个方向的位移。对于模型的侧面，平行于X轴的面约束Y方向的位移，平行于Y方向的面约束X方向的位移。

2.3 模型可行性验证

根据实际工程建立有限元模型，计算得到的凸出部位桩体顶部横向位移沿着桩体深度的变化曲线与实际工程测得的监测曲线对比情况如图3所示。

由图3可以看出，监测变形量与计算得到的变形量均沿着桩体深度方向先减小后增大，在桩体中下部达到峰值后又减小，监测结果与计算结果趋势相符，说明模型具有可行性。

图3 监测结果与计算结果对比图Fig.3Comparison of monitoring results and calculation results

2.4 数值模拟结果分析

本文通过选取影响基坑阳角效应的因素，包括桩体刚度、阳角角度、阳角凸出长度、开挖深度及锚头拉力等参数进行分析，选取阳角凸出中部桩体进行分析，该桩体在分析模型中的位置示意图如图4。

图4 选取的凸出中部桩体示意图Fig.4Diagram of the selected the protruding middle pile body

1）桩体刚度

由图5（a）可见：沿着桩体深度方向，桩体变形偏移量沿深度方向基本呈线性分布，受桩体刚度影响较小，同一深度，刚度越大，横向偏移量越小。对于桩顶最大横向偏移量，刚度为1.4伊104MPa、2伊104MPa、2.8伊104MPa、4.2伊104MPa、5.6伊104MPa时，偏移量分别为2.96 mm、2.85 mm、2.61 mm、2.49 mm、2.30 mm。

图5 凸出中部桩体横向偏移及弯矩随深度变化曲线Fig.5Changing curves of horizontal displacement and bending moment with depth of the selected protruding middle pile body

由图5（b）可见：桩体弯矩值受桩体刚度大小影响明显，桩体弯矩在打锚杆处将出现突增现象，同一锚杆深度处，桩体刚度越大，弯矩越大。桩体最大弯矩出现在桩体下部，靠近基底，刚度为1.4伊104MPa、2伊104MPa、2.8伊104MPa、4.2伊104MPa、5.6伊104MPa时，最大弯矩分别为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。

本文研究分析的影响基坑阳角效应的其他因素，如阳角角度、阳角凸出长度、开挖深度和锚头拉力等，在ABAQUS有限元三维模拟软件建模分析得到的凸出中部桩体横向偏移及弯矩随深度变化曲线与桩体刚度因素影响下得到的变化曲线趋势类似，故后文不再给出图形赘述。

2）阳角角度

沿着桩体深度方向，桩体变形偏移量沿深度方向基本呈线性分布，阳角角度越大，无偏移深度越小，到一定深度之后，偏移量则趋向稳定。对于桩顶的最大横向偏移量，阳角角度分别为60毅、75毅、90毅时，偏移量分别为2.6 mm、2.1 mm、1.8 mm。

桩体弯矩值受桩体阳角角度影响明显，桩体弯矩在锚杆处发生突增，同一锚杆深度处，阳角角度越大，弯矩越小。桩体最大弯矩出现在桩体的下部，靠近基底，阳角角度分别为60毅、75毅、90毅时，桩体的最大弯矩分别为9 329.23 kN·m、7 283.86 kN·m、6 484.87 kN·m。

3）阳角凸出长度

桩体横向偏移受阳角凸出长度影响显著，同一深度，阳角凸出长度越长，桩体横向偏移量变化越大。桩顶横向偏移量随阳角凸出长度的增加而增大，但其趋势渐弱，当阳角凸出长度分别为2 m、4 m、6 m时，偏移量分别为2.6 mm、7.6 mm、10.5 mm。

桩体弯矩在打锚杆处将出现突增现象，同一锚杆深度处，阳角凸出长度越长，弯矩越大，但增大趋势在渐减。桩体最大弯矩分布靠近基底上部，凸出长度分别为2 m、4 m、6 m时，桩体最大弯矩分别为6 484.87 kN·m、8 317.34 kN·m、8 613.71 kN·m。

4）开挖深度

沿着桩体深度方向，桩体变形偏移量沿深度方向基本呈线性分布，桩体横向偏移量先减少后增加。随着开挖深度的增加，桩体顶部最大偏移量逐渐增大，开挖深度分别为10 m、20 m、26 m、30 m时，桩顶最大变形量分别为0.24 mm、1.3 mm、2.6 mm、2.9 mm。

桩体弯矩随开挖深度的增大而增大，桩体弯矩在锚杆处出现突变，弯矩最大值出现在基底附近。当开挖深度为10 m、20 m、26 m、30 m时，桩体最大弯矩分别为1 463.04 kN·m、4 349.52 kN·m、4 941.86 kN·m、5 930.34 kN·m。

5）锚头拉力

桩体横向偏移受锚杆力大小影响显著，沿桩体深度方向，桩体变形偏移量基本呈线性分布，在桩体下部偏移量变化逐渐稳定，且锚杆力较设计值越大越明显。对于桩身最大横向偏移量，当锚杆力减少50%时，偏移量为6.2 mm；当锚杆力减少30%时，偏移量为5.5 mm；当锚杆力不变时，偏移量为4.5 mm；当锚杆力增加30%时，偏移量为3.6 mm；当锚杆力增加50%时，偏移量为2.9 mm。

在低于或高于锚杆设计值的工况下，桩体的弯矩值均偏大，说明合理的锚杆设计值能有效降低桩体的弯矩值。

3 结语

本文针对一个典型深基坑施工过程中的桩体位移、锚杆拉力等进行布点监测，利用有限元软件ABAQUS建立基坑开挖三维有限元模型，对基坑的不同设计参数，如桩体刚度、阳角角度、阳角凸出长度、开挖深度和锚头拉力等，研究了在不规则深基坑开挖过程中的不同设计参数下基坑的阳角效应。得到以下主要结论：

1）较大的桩体刚度能够更有效地控制桩体的横向位移，但也会增大桩体的最大弯矩。因此，在合理配筋的前提下，适当增加桩体的刚度，可以减小基坑周边土体的位移，有利于基坑施工。

2）阳角角度对于基坑的开挖具有较大的影响，阳角角度越小对于开挖过程越不利，同一深度处，阳角角度越小，桩体弯矩越大。基坑设计时应尽量避免小的凸出夹角，由于较小的阳角角度部位会使桩体产生较大的内力，因此对于较小角度的凸出部位的支护结构需要进行合理的内力验算，并进行强化设计、合理配筋，保证施工安全性。

3）基坑凸出长度越大，桩体顶部最大变形量和桩体最大弯矩越大，其增大趋势随凸出长度的增大逐渐变小。

4）开挖深度对基坑开挖的影响是显而易见的，开挖深度越大越不利。桩体最大横向位移和最大弯矩都随着开挖深度的增加而增大。因此，基坑设计时应避免一次性开挖较大深度，并需要进行桩体长度等参数的验算，保证施工过程中基坑的稳定。

5）锚杆力对基坑开挖具有一定的影响。与设计值相比，锚杆力越大越能限制凸出中部桩体桩身最大横向变形量，同时也会增大桩体的最大弯矩值。因此，基坑施工前应该对施加的锚杆力进行合理的验算，使得在基坑开挖过程中，能够较好地控制桩体变形和弯矩。

[1]GB 50497—2009，建筑基坑工程监测技术规范[S]. GB 50497—2009,Technical code for monitoring of building foun原dation pit engineering[S].

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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，江苏连云港人，硕士，高级工程师，主要从事岩土工程勘察、设计和检测等工作。E-mail：shdong118@163.com