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段永凯 （中国铁路设计集团有限公司，天津 300142） 摘 要：对某地铁深基坑开挖与支护过程进行有限元仿真计算与分析，重点分析计算桩锚联合支护基坑周边地表竖向沉降规律及其与围护桩插入比、锚杆锚固长度的关系。研究结果表明：基坑周边地表沉降曲线呈“凹槽型”，地表最大沉降位于距基坑壁 0.3～0.7 H（H 为基坑深度）的范围；随锚杆锚固长度的增大，地表沉降槽峰值沉降点有远离基坑的趋势；本基坑项目围护桩的最优插入比为 0.3 左右；地表峰值沉降随锚杆锚固长度的增大而呈线性减小的趋势。 关键词：地铁；深基坑；桩锚支护；锚固长度；插入比；变形规律 0 引言地铁车站明挖基坑工法因具有安全、经济、施工质量易保证等优点而被广泛应用于地铁工程施工。桩锚支护作为明挖基坑挡土结构的一种形式，具有开挖土方与桩锚支护体系施作互不干扰的特点，能有效地缩短工期，可为地下结构的施工提供充裕的作业空间，尤其适用于复杂施工场地及对工期要求严格的基坑工程，已经成为深基坑支护的首选方案。桩锚支护结构主要是由桩、冠梁、锚杆（索）组成，受拉杆件的一端固定在开挖基坑的稳定地层中，另一端与围护桩相连的基坑支护体系共同抵抗土体的受力。 近年来深基坑工程事故时有发生，造成严重的人员伤亡、巨大的经济损失与恶劣的社会影响。究其原因是对复杂深大基坑变形规律认识和把握不充分。传统的基坑支护设计大多采用“弹性地基梁方法”，不能考虑土体与支护结构的共同作用，无法评价基坑开挖对周边环境的影响。应用有限元法将支护结构和土体变形协调，并兼顾考虑土的分层情况、土的性质、支撑系统的结构与分布，这对研究深大基坑变形理论有着积极的意义，是解决深基坑支护问题的有效方法。 1 工程概况某地铁车站为地下二层结构，主体结构基坑长220 m，宽 21 m，基坑标准段开挖深度 15 m，基坑安全等级为一级。场区勘探深度范围内所揭示的地层从上到下依次为粉土层、粉质黏土层、中粗砂层、含卵石中粗砂层。基坑周边无高大建筑物，基坑位移变形控制在规范规定的范围内即可。基坑支护形式采用排桩和3道锚杆，围护桩采用φ800 mm@1 500 mm 钻孔灌注桩，锚杆一桩一锚，冠梁混凝土强度等级为 C30。基坑支护结构示意图见图 1，岩土与锚杆设计参数值见表1、表2。  图1 基坑支护结构示意图（单位：m） 表1 岩土参数  岩土名称 厚度/ m重度/ kN · m-3黏聚力/ kPa内摩擦角/ °粉土 4 19.6 12.8 18粉质黏土 7 20.1 16.8 17.3中粗砂 8 18 0 30含卵石中粗砂 23 19 0 32 表2 锚杆设计参数  支锚道号 水平间距/ m竖向间距/ m水平倾角/ °锚杆总长/ m 1 1.5 4 15 15 2 1.5 3.5 15 20 3 1.5 3.5 15 18 2 桩锚支护结构有限元分析2.1 计算假定（1）将基坑支护问题假设为平面应变问题；（2）假设土体和支护结构为均匀介质、各向同性；（3）假设土体材料为理想弹塑性体，在有限元分析软件 GTS 中遵守修正摩尔-库伦准则； （4）锚杆和支护桩均按照弹性体考虑； （5）支护结构与土体接触关系按照共节点但介质不同考虑，不考虑接触之间的滑移。 2.2 计算模型基坑开挖影响范围大约为基坑开挖深度的 3倍，考虑到边界效应，本计算模型尺寸为 130 m×60 m。模型左右及底边施加垂直于各边的法向位移约束，模型上部表面为自由面。根据桩锚支护的特点和有限元计算方法的基本理论，本计算模型选用二维模型，排桩采用 beam梁单元，岩土体采用实体单元，锚杆采用植入式桁架单元。为保证计算速度和结果精度，土体网格划分为四边形网格。计算模型见图2。 2.1 子宫内膜组织中ER、PR的表达水平 所有患者子宫内膜均有不同程度ER、PR的表达，腺体中ER阳性率为66.2%，PR阳性率为58.1 %；内膜间质中ER阳性率为42.6%，PR阳性率为36.0%，有统计学意义(P<0.05)。见表2。  图2 计算模型 2.3 模拟工况根据工程实际情况，基坑支护与开挖模拟计算分为 5个计算步序：①初始地应力平衡；②开挖至第 1 道锚杆标高下 0.5 m（-4.5 m），施工第 1 道锚杆；③开挖第 2 道锚杆标高下 0.5 m（-8 m），施工第 2 道锚杆；④开挖第 3 道锚杆标高下 0.5 m（-11.5 m），施工第 3 道锚杆；⑤开挖至基坑底（-15 m）。 3 计算结果分析3.1 地表沉降分析基坑围护桩插入比 K = 锚杆锚固长度 L /基坑深度 H。图 3 给出了锚杆锚固长度 L = 4 m、6 m、8 m，围护桩插入比 K = 0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 时的地表沉降曲线。图3分析结果如下。 义123块空气渗透率0.91×10-3μm2，对应注水启动压力20MPa／（100m）以上，难以进行注水开发，应立足于进行天然能量开采。且本块目的层埋藏深、储量丰度低、含油井段集中、各小层纵向叠合程度较好，故采用一套层系进行开发。对于油层分布集中、整体厚度较薄的致密浊积岩油藏，长井段多级压裂水平井技术在储量控制程度及单井产能上具有明显优势，水平井轨迹参数的优化包括3个方面：水平段方向、纵向位置以及长度的优化。  图3 地表沉降与距坑壁距离关系曲线 （1）基坑开挖完成后周边地表沉降曲线呈“凹槽型”，地表沉降先随与坑壁距离 S 的增加而增大，达到峰值点后随与坑壁距离 S 的增加而减小，直至在距离坑壁较远处趋于“零”沉降。具体表现为与坑壁距离 S 为 5～10 m（0.3～0.7 H）时，地表沉降值最大；S 为 10～30 m（0.7～2 H）时，地表沉降值随距离的增大而减小；S＞30 m 时，地表沉降逐渐趋于 0。 （1）固定资产投资。本工程建设期为1年，正常运行期30年，社会折现率8%。其固定资产总投资2504.78万元。根据规定，需对工程投资概算进行调整，主要剔除属于国民经济内部转移支付的计划利润、三税税金和设备储备贷款利息等，调整后的总投资为2253万元。 （2）根据以上地表沉降槽曲线，可将地表沉降区大致划分为 3个部分：与坑壁距离 S 为 5～10 m（0.3～0.7 H）范围为基坑开挖的主要影响区域；S 为10～30 m（0.7～2 H）范围为基坑开挖的次要影响区域；S＞30 m范围可以认为不受基坑开挖影响。 3.2 沉降槽曲线峰值的水平移动（1）分析计算围护桩插入比 K = 0.2、0.3，锚杆锚固长度 L = 2 m、4 m、6 m、8 m 时，沉降槽曲线峰值的水平移动，地表沉降槽曲线见图 4。由图 4a 可知，当围护桩插入比 K = 0.2、锚固长度 L = 2 m 时，地表沉降槽峰值沉降点距离基坑壁 S = 6 m；锚固长度 L = 8 m 时，地表沉降槽峰值沉降点距基坑壁 S = 7 m。由图 4b 可知，围护桩插入比 K = 0.3 时，沉降槽峰值沉降点有同样的变化规律。 《北京折叠》英译本对原文引语的处理及分析 …………………………………………… 徐松健 孙会军（3.77） （2）以上分析可以看出，桩锚联合支护基坑随锚杆锚固长度的不断增大，地表沉降槽峰值沉降点有远离基坑的趋势。分析其原因是因为基坑开挖后，基坑侧向土体产生向坑里下沉的运动趋势，但由于桩锚支护体系的存在，这种趋势被削弱，且锚杆锚固长度越大对土体向坑里运动趋势的约束效应越强，故锚固长度增大后沉降槽峰值点有远离基坑的趋势。  图4 地表沉降、插入比、锚杆锚固长度与距坑壁距离关系曲线 3.3 围护桩插入比优化设计图5为锚杆锚固长度 L = 4 m、6 m、8 m 时，地表最大沉降值随围护桩插入比 K 的变化规律曲线。分析可知，桩锚联合支护基坑锚杆锚固长度 L 一定时，地表最大沉降值随着围护桩插入比 K 的增大呈下降趋势。当围护桩插入比 K 为 0.1、0.3 时，地表最大沉降值随插入比 K 的增大呈直线下降趋势；当围护桩插入比 K 为 0.3、0.4时，地表最大沉降值随插入比 K 的增大呈曲线下降趋势，且下降速率趋缓；当围护桩插入比 K＞0.4 时，增大插入比 K 对减小地表沉降的效果不明显。因此，采用桩锚联合支护的基坑应兼顾技术与经济，因地制宜选择适合本项目基坑的最优插入比 K，如盲目地增大围护桩插入比 K 只会造成不必要的浪费。  图5 地表最大沉降值与插入比关系曲线 3.4 地表最大沉降值与锚杆锚固长度的关系图6为基坑围护桩插入比 K = 0.2、0.3、0.4 时，地表最大沉降值随锚杆锚固长度 L 的变化规律曲线。通过分析可知，无论插入比的大小，地表最大沉降值随锚杆锚固长度 L 的增大而呈线性减小的趋势。  图6 地表最大沉降值与锚固长度关系曲线 4 结论（1）基坑周边地表沉降曲线呈“凹槽型”，地表最大沉降值位于距基坑壁约 0.3～0.7 H 的范围。 （2）随锚杆锚固长度 L 的增大，地表沉降槽峰值沉降点有远离基坑的趋势。 （3）经计算分析，本基坑项目围护桩的最优插入比 K 为 0.3 左右。基坑支护参数的设计应兼顾技术与经济，因地制宜选择适合本项目基坑的最优插入比。 （4）地表峰值沉降随锚杆锚固长度 L 的增大而呈线性减小的趋势。 (1)为观测桩-土界面土体位移,在模型桩内部装置红外微型摄像头,通过观察窗口记录土体位移.记录图像后通过改进型DIC方法可计算得到土体位移场,并可绘制位移矢量图和云图.位移云图表明桩体在沉桩过程中,桩-土界面土体竖向位移远大于水平位移,并呈现局部化特征. 参考文献 [1]刘浜葭，吴旭.外有堆载的深基坑桩锚支护结构性状[J].辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2016（5）. 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Study on deformation pattern of pile-anchor supporting deep foundation pit Duan Yongkai Abstract: The finite element simulation calculation and analysis of the excavation and support process of a deep foundation pit of a subway are carried out.This paper mainly calculates and analyzes the vertical settlement pattern of the ground around the foundation pit with pile-anchor combined support and its relationship with the insertion ratio of retaining piles and the anchorage length of anchor rods.The results show that the surface settlement curve around the foundation pit is Groove Type, and the maximum surface settlement value lies in the depth of the foundation pit about 0.3-0.7 H from the foundation pit wall.With an increase of anchor length, the peak settlement point of the surface settlement groove tends to be far away from the foundation pit.The optimal insertion ratio of retaining piles in the foundation pit project is about 0.3, and the peak surface settlement appears with the increase of anchor length and linear decreasing trend. Keywords: metro, deformation of deep and large foundation pit, pile-anchor support, anchorage length, insertion ratio,deformation law 中图分类号：U452 作者简介：段永凯（1989—），男，硕士 收稿日期 2019-03-07 责任编辑 朱开明 |
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