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摘 要：该文以锦州石化公司新建柴油罐基坑工程为研究对象，利用大型有限差分软件FLAC3D对影响基坑开挖的桩锚支护结构敏感性参数进行了数值仿真分析，得出了桩锚支护敏感性参数对基坑变形的影响规律，并对重要参数进行了讨论，为今后类似工程提供了参考。
关键词：桩锚支护 参数敏感性分析 数值分析 FLAC3D
中图分类号：TU753 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）05（a）-0110-04
随着中国社会的高速发展，基坑工程开挖量也逐渐增加，基坑支护的难度也越来越大。对于已定性分析出采用桩-锚支护结构的基坑支护工程来说，迫切需要如何定量的确定出桩-锚支护结构具体的最佳参数量值。该文以锦州石化公司新建柴油罐基坑支护工程为研究对象，基于大型有限差分软件FLAC3D对影响基坑开挖的桩锚支护结构敏感性参数进行数值仿真分析[3-4]，进而定性得出桩间距、桩的规格（桩径）、桩间土体刚度、及锚索（杆）间距等敏感性因素对控制基坑变形的发展趋势，进一步完善优化定性做出的基坑支护方案，对于其他类似基坑支护工程提供一定的参考价值。
1 工程概况
该工程建筑场地位于锦州石化公司厂内西侧，场地因山体走势总体呈现东侧高，西侧低，高程介于29.53～46.24 m，高差约为16.71 m。地貌单元为丘陵地貌，成因以残坡积为主。锦州市位于中纬度地带，属于温带季风型气候，常年温差较大，全年平均气温8～9 ℃，年平均降水量540～640 mm，无霜期达180 d。通过野外钻探揭露，地层主要为填土、粉土、粉质粘土，中砂、砾岩等组成，具体土层特性分布情况详见表1所示。
地下水主要赋存于回填层中，地下水按埋藏条件属上层滞水，隔水底板为粉质粘土；下部中砂亦含少量地下水。地下水主要受大气降水补给的，勘察期间初见水位埋深为0.6～1.4 m，高程为28.73～29.54 m；稳定水位埋深为0.4～1.2 m，高程为28.93～29.74 m。采取水样进行室内水质分析试验知，判定该地下水类型为HCO3--SO42--Ca2+-Mg2+，对钢筋混凝土结构没有腐蚀性。
2 数值试验分析
基于FLAC3D平台建立计算模型及模型参数如下：
仿真计算模型考虑到基坑支护近似于对称结构，计算范围取为整体工程四分之一，模型为均匀土体材料。按照类似基坑计算得知，基坑开挖的影响范围一般为开挖深度的2～3倍，则深度方向考虑50 m，故三维模型尺寸大小为200 m×200 m×50 m（长×宽×高）。仿真材料本构关系取为弹塑性模型，采用Mohr-Coulomb屈服破坏准则。三维模型四周取对称约束，即分别限制模型6个边界面中的5个固定面，即位移为零，顶部设置为自由面。土体外部不施加任何力，依靠土体自身重力，不考虑地下水的影响。根据地质勘察报告，土体物理力学参数如表2所示。在基坑开挖过用NULL结构单元来模拟，用Pile结构单元来模拟桩，用Cable结构单元来模拟锚杆和锚索。三维有限元差分模型如图1～图2所示。
3 桩-锚支护结构影响因素分析
3.1 排桩的间距分析
在排桩-锚复合支护结构设计时，前后排桩排距是一个非常重要的影响因素之一。因排桩排距大小直接改变排桩承受土压力大小，是否共同参与挡土作用。分析排桩-锚复合支护结构在改变排桩排距的情况下排桩位移和内力的变化规律，本文对排距为1 m，2 m，4 m，6 m，8 m分别进行了模拟计算。数值计算结果如图3和图4所示。
依据图3和图4分析可知：排桩之间的排距过大或过小均不利于双排桩及拉梁冠梁之间的空间变形协调作用，空间变形协调性能不能良好发挥。桩间距太近时类似于单排悬臂桩，后排桩承受较大的土压力，而前排桩在锚索加设的位置又承受横向拉力，通过排桩间有限土体又作用到后排桩上，因此前后排桩桩身位移趋于一致，而桩顶位移较大，后排桩的最大位移位置将下移。桩间距太远时，理想为无限大时，此时前排桩可看作为单排悬臂桩，桩顶有拉梁，桩中有一道锚索，前排桩将承受较大的土压力，而后排只承受前排桩通过拉梁传递过来的拉力，前排桩将会有很大的位移，而后排桩桩顶将会有很大位移，而后排桩桩身将会有整体的偏移。由此可知，桩间距只有在一个合理的范围内，前后排桩的变形和应力是合理的，才能充分发挥双排桩以及拉梁冠梁锚索之间的变形协调作用，充分发挥各单元的支护性能。
3.2 排桩的桩径分析
分别取不同规格的桩进行数值模拟计算，即取400 mm、500 mm、600 mm、800 mm、1000 mm五种情况对比分析。桩间距选取为1.5 m，得到不同桩径情况下前、后排桩桩身位移如图5和图6所示。
对图5和图6分析可知，桩径在一定范围内增加时，可以明显控制基坑桩身位移，改善了支护结构的刚度，前后排桩的水平位移明显减小，效果较为显著。但当桩径增加到一定值后，支护效果没有明显变化。说明在桩身强度满足基坑支护强度要求时，通过增加桩的规格（桩刚度）来减少桩身位移是不科学的做法。
3.3 桩间土体加固分析
桩-锚复合支护结构考虑有前后排两排装、桩的顶部采用拉梁冠梁及锚索等组成的超静定支护结构，整体刚度较大，并且各个结构单元之间存在变形协调的作用，整体支护效果良好。但不可忽略前后排桩之间土体的作用，通过改变土体刚度，即对桩间土进行加固的方法来探讨其对支护机构的受力和变形影响。假设原有土体的实际刚度为E，分别取0.25E、0.5E、0.75E、1E、1.25E、1.5E、1.75E、2E、2.25E和2.5E来进行模拟计算，并得到桩身最大水平位移值，如表3所示。
将表3数据进行曲线拟合，可得到桩身最大水平位移与桩间土体的刚度变化曲线关系，近似呈幂指数函数，得到数学方程，如图7所示。 从图7分析可知，y为支护结构的最大水平位移，x代表桩间土体刚度，当土体刚度较小时，若对土体加固，将会产生很明显的支护效果，基坑桩身水平位移明显减小，当排桩间的土体刚度达到一定程度后，再增大桩间土的刚度基坑支护效果不是很明显。故适当的增加桩间土的刚度将有效的减小桩身水平位移。
3.4 锚索（杆）间距分析
现假设两桩间锚索数量为2，1.5，1，0.5，即两排锚索并一桩一锚，两排锚索上排两桩一锚、下排一桩一锚（两排锚索上下间距1m），单排锚索一桩一锚，单排锚索两桩一锚。所得到的桩身水平位移情况如图8和图9所示。
通过图8和图9的对比分析可知：当锚索数量增加时，对前排桩的影响较为明显，限制了桩身的水平位移，使得最大位移位置的位移量减小，这时前排桩通过拉梁冠梁传递给后排桩的拉力也相应的减小，使得后排桩的桩顶位移也随之减小，增加了整个支护结构的稳定性。但在支护施工时，多加一道锚索将会大大增加工程的造价，故在满足支护结构整体稳定性时，不建议大批量增加锚索的使用量。若是遇到支护结构局部变形过大时，可适当考虑施加锚索，约束桩身位移，限制基坑的变形。
4 结语
该文通过大型有限差分软件FLAC3D对桩-锚复合支护结构进行多要素敏感性三维数值仿真分析，得到排桩间距、排桩规格、桩间土体刚度、锚杆（间距）等支护参数对挡土墙变形的影响规律，得到主要结论：
（1）桩径在一定范围内增加时，可以明显控制基坑桩身位移，改善了支护结构的刚度，前后排桩的水平位移明显减小，效果很明显；
（2）当土体刚度较小时，若对土体加固，将会产生很明显的支护效果，基坑桩身水平位移明显减小，当排桩间土体刚度达到一定程度后，再增大桩间土的刚度基坑支护效果不是很明显。
（3）当锚索数量增加时，对前排桩的影响较为明显，限制了桩身的水平位移，使得最大位移位置的位移量减小，这时前排桩通过拉梁冠梁传递给后排桩的拉力也相应的减小，使得后排桩的桩顶位移也随之减小，增加了整个支护结构的稳定性。
参考文献
[1] 刘维双，宋建.基于FLAC3D的深基坑桩锚支护参数优化分析[J].建筑设计管理，2012（7）：74-76.
[2] 闫纲丽，王斌.基于FLAC3D的深基坑桩锚支护结构分析[J].华北水利水电学院学报，2012（S）：82-85.
[3] 刘继国，曾亚武.FLAC3D在深基坑开挖与支护数值模拟中的应用[J].岩石力学与工程学报，2006，27（3）：505-508.
[4] 丁永春，王建华.基于FLAC3D的基坑开挖与支护三维数值分析[J].上海交通大学学报，2009，43（6）：978—980.
[5] 赵菲，周冰，王渭明，等.深基坑桩锚支护变形模拟分析[J].山东科技大学学报（自然科学版），2013，32（6）：34-38.
[6] 李明瑛，曾朋.基于MIDAS深基坑桩锚支护数值模拟分析[J].水土保持研究，2012（1）：250-253.
[7] 唐徐林.深基坑桩锚支护的受力与变形研究[J].科技与企业，2013（23）：209-209，211.
关键词：桩锚支护 参数敏感性分析 数值分析 FLAC3D
中图分类号：TU753 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）05（a）-0110-04
随着中国社会的高速发展，基坑工程开挖量也逐渐增加，基坑支护的难度也越来越大。对于已定性分析出采用桩-锚支护结构的基坑支护工程来说，迫切需要如何定量的确定出桩-锚支护结构具体的最佳参数量值。该文以锦州石化公司新建柴油罐基坑支护工程为研究对象，基于大型有限差分软件FLAC3D对影响基坑开挖的桩锚支护结构敏感性参数进行数值仿真分析[3-4]，进而定性得出桩间距、桩的规格（桩径）、桩间土体刚度、及锚索（杆）间距等敏感性因素对控制基坑变形的发展趋势，进一步完善优化定性做出的基坑支护方案，对于其他类似基坑支护工程提供一定的参考价值。
1 工程概况
该工程建筑场地位于锦州石化公司厂内西侧，场地因山体走势总体呈现东侧高，西侧低，高程介于29.53～46.24 m，高差约为16.71 m。地貌单元为丘陵地貌，成因以残坡积为主。锦州市位于中纬度地带，属于温带季风型气候，常年温差较大，全年平均气温8～9 ℃，年平均降水量540～640 mm，无霜期达180 d。通过野外钻探揭露，地层主要为填土、粉土、粉质粘土，中砂、砾岩等组成，具体土层特性分布情况详见表1所示。
地下水主要赋存于回填层中，地下水按埋藏条件属上层滞水，隔水底板为粉质粘土；下部中砂亦含少量地下水。地下水主要受大气降水补给的，勘察期间初见水位埋深为0.6～1.4 m，高程为28.73～29.54 m；稳定水位埋深为0.4～1.2 m，高程为28.93～29.74 m。采取水样进行室内水质分析试验知，判定该地下水类型为HCO3--SO42--Ca2+-Mg2+，对钢筋混凝土结构没有腐蚀性。
2 数值试验分析
基于FLAC3D平台建立计算模型及模型参数如下：
仿真计算模型考虑到基坑支护近似于对称结构，计算范围取为整体工程四分之一，模型为均匀土体材料。按照类似基坑计算得知，基坑开挖的影响范围一般为开挖深度的2～3倍，则深度方向考虑50 m，故三维模型尺寸大小为200 m×200 m×50 m（长×宽×高）。仿真材料本构关系取为弹塑性模型，采用Mohr-Coulomb屈服破坏准则。三维模型四周取对称约束，即分别限制模型6个边界面中的5个固定面，即位移为零，顶部设置为自由面。土体外部不施加任何力，依靠土体自身重力，不考虑地下水的影响。根据地质勘察报告，土体物理力学参数如表2所示。在基坑开挖过用NULL结构单元来模拟，用Pile结构单元来模拟桩，用Cable结构单元来模拟锚杆和锚索。三维有限元差分模型如图1～图2所示。
3 桩-锚支护结构影响因素分析
3.1 排桩的间距分析
在排桩-锚复合支护结构设计时，前后排桩排距是一个非常重要的影响因素之一。因排桩排距大小直接改变排桩承受土压力大小，是否共同参与挡土作用。分析排桩-锚复合支护结构在改变排桩排距的情况下排桩位移和内力的变化规律，本文对排距为1 m，2 m，4 m，6 m，8 m分别进行了模拟计算。数值计算结果如图3和图4所示。
依据图3和图4分析可知：排桩之间的排距过大或过小均不利于双排桩及拉梁冠梁之间的空间变形协调作用，空间变形协调性能不能良好发挥。桩间距太近时类似于单排悬臂桩，后排桩承受较大的土压力，而前排桩在锚索加设的位置又承受横向拉力，通过排桩间有限土体又作用到后排桩上，因此前后排桩桩身位移趋于一致，而桩顶位移较大，后排桩的最大位移位置将下移。桩间距太远时，理想为无限大时，此时前排桩可看作为单排悬臂桩，桩顶有拉梁，桩中有一道锚索，前排桩将承受较大的土压力，而后排只承受前排桩通过拉梁传递过来的拉力，前排桩将会有很大的位移，而后排桩桩顶将会有很大位移，而后排桩桩身将会有整体的偏移。由此可知，桩间距只有在一个合理的范围内，前后排桩的变形和应力是合理的，才能充分发挥双排桩以及拉梁冠梁锚索之间的变形协调作用，充分发挥各单元的支护性能。
3.2 排桩的桩径分析
分别取不同规格的桩进行数值模拟计算，即取400 mm、500 mm、600 mm、800 mm、1000 mm五种情况对比分析。桩间距选取为1.5 m，得到不同桩径情况下前、后排桩桩身位移如图5和图6所示。
对图5和图6分析可知，桩径在一定范围内增加时，可以明显控制基坑桩身位移，改善了支护结构的刚度，前后排桩的水平位移明显减小，效果较为显著。但当桩径增加到一定值后，支护效果没有明显变化。说明在桩身强度满足基坑支护强度要求时，通过增加桩的规格（桩刚度）来减少桩身位移是不科学的做法。
3.3 桩间土体加固分析
桩-锚复合支护结构考虑有前后排两排装、桩的顶部采用拉梁冠梁及锚索等组成的超静定支护结构，整体刚度较大，并且各个结构单元之间存在变形协调的作用，整体支护效果良好。但不可忽略前后排桩之间土体的作用，通过改变土体刚度，即对桩间土进行加固的方法来探讨其对支护机构的受力和变形影响。假设原有土体的实际刚度为E，分别取0.25E、0.5E、0.75E、1E、1.25E、1.5E、1.75E、2E、2.25E和2.5E来进行模拟计算，并得到桩身最大水平位移值，如表3所示。
将表3数据进行曲线拟合，可得到桩身最大水平位移与桩间土体的刚度变化曲线关系，近似呈幂指数函数，得到数学方程，如图7所示。 从图7分析可知，y为支护结构的最大水平位移，x代表桩间土体刚度，当土体刚度较小时，若对土体加固，将会产生很明显的支护效果，基坑桩身水平位移明显减小，当排桩间的土体刚度达到一定程度后，再增大桩间土的刚度基坑支护效果不是很明显。故适当的增加桩间土的刚度将有效的减小桩身水平位移。
3.4 锚索（杆）间距分析
现假设两桩间锚索数量为2，1.5，1，0.5，即两排锚索并一桩一锚，两排锚索上排两桩一锚、下排一桩一锚（两排锚索上下间距1m），单排锚索一桩一锚，单排锚索两桩一锚。所得到的桩身水平位移情况如图8和图9所示。
通过图8和图9的对比分析可知：当锚索数量增加时，对前排桩的影响较为明显，限制了桩身的水平位移，使得最大位移位置的位移量减小，这时前排桩通过拉梁冠梁传递给后排桩的拉力也相应的减小，使得后排桩的桩顶位移也随之减小，增加了整个支护结构的稳定性。但在支护施工时，多加一道锚索将会大大增加工程的造价，故在满足支护结构整体稳定性时，不建议大批量增加锚索的使用量。若是遇到支护结构局部变形过大时，可适当考虑施加锚索，约束桩身位移，限制基坑的变形。
4 结语
该文通过大型有限差分软件FLAC3D对桩-锚复合支护结构进行多要素敏感性三维数值仿真分析，得到排桩间距、排桩规格、桩间土体刚度、锚杆（间距）等支护参数对挡土墙变形的影响规律，得到主要结论：
（1）桩径在一定范围内增加时，可以明显控制基坑桩身位移，改善了支护结构的刚度，前后排桩的水平位移明显减小，效果很明显；
（2）当土体刚度较小时，若对土体加固，将会产生很明显的支护效果，基坑桩身水平位移明显减小，当排桩间土体刚度达到一定程度后，再增大桩间土的刚度基坑支护效果不是很明显。
（3）当锚索数量增加时，对前排桩的影响较为明显，限制了桩身的水平位移，使得最大位移位置的位移量减小，这时前排桩通过拉梁冠梁传递给后排桩的拉力也相应的减小，使得后排桩的桩顶位移也随之减小，增加了整个支护结构的稳定性。
参考文献
[1] 刘维双，宋建.基于FLAC3D的深基坑桩锚支护参数优化分析[J].建筑设计管理，2012（7）：74-76.
[2] 闫纲丽，王斌.基于FLAC3D的深基坑桩锚支护结构分析[J].华北水利水电学院学报，2012（S）：82-85.
[3] 刘继国，曾亚武.FLAC3D在深基坑开挖与支护数值模拟中的应用[J].岩石力学与工程学报，2006，27（3）：505-508.
[4] 丁永春，王建华.基于FLAC3D的基坑开挖与支护三维数值分析[J].上海交通大学学报，2009，43（6）：978—980.
[5] 赵菲，周冰，王渭明，等.深基坑桩锚支护变形模拟分析[J].山东科技大学学报（自然科学版），2013，32（6）：34-38.
[6] 李明瑛，曾朋.基于MIDAS深基坑桩锚支护数值模拟分析[J].水土保持研究，2012（1）：250-253.
[7] 唐徐林.深基坑桩锚支护的受力与变形研究[J].科技与企业，2013（23）：209-209，211.