基坑開(kāi)挖深度對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)變形影響研究

周艷紅 楊 斌

（中國(guó)水利水電第九工程局有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081）

0 引言

隨著我國(guó)地下空間工程利用率增加，基坑工程規(guī)模、形狀以及尺寸越來(lái)越復(fù)雜，這些因素導(dǎo)致基坑力學(xué)特性極為復(fù)雜，系統(tǒng)分析基坑開(kāi)挖深度對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)以及地表變形的影響具有重要的意義。

高立剛和寧貴霞[1]采用FLAC 3D 數(shù)值模擬研究了基坑開(kāi)挖深度對(duì)既有鐵路線變形的影響。結(jié)果表明，雙側(cè)開(kāi)挖基坑可以減少路基的變形并降低鋼軌沉降差。秦愛(ài)芳和蔣晨旭[2]基于物理模型試驗(yàn)研究了基坑開(kāi)挖卸荷影響深度分析，提出了基坑開(kāi)挖深度的估算公式。梁艷等[3]基于極限平衡法研究了基坑開(kāi)挖尺寸效應(yīng)對(duì)基坑穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，在其他條件不變的情況下，基坑開(kāi)挖尺寸越小，基坑的抗隆起安全系數(shù)越大，影響更顯著。李宇熙[4]采用數(shù)值模擬系統(tǒng)研究了基坑尺寸效應(yīng)對(duì)基坑變形影響。結(jié)果表明，基坑分部開(kāi)挖和開(kāi)挖結(jié)束后支護(hù)結(jié)構(gòu)墻頂變形的最小點(diǎn)和最大點(diǎn)分別位于坑角和基坑中部，當(dāng)基坑尺寸接近或大于臨界長(zhǎng)寬比時(shí)最大位移接近穩(wěn)定。

該文基于有限元數(shù)值模型，研究了基坑開(kāi)挖深度對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)及地表變形的影響規(guī)律。對(duì)相似工程的施工及設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

1 工程概況

恒大新世界項(xiàng)目3F地塊位于貴州省貴陽(yáng)市云潭北路旁，東臨擬建建筑恒大新世界3E 地塊，北鄰金嶺路，南側(cè)為將軍山，該項(xiàng)目范圍包括住宅1-12#樓（含裙樓商業(yè)），其中整體地下室3 層，地下室建筑面積約51141.14m2；地上部分1-11#樓地上層數(shù)為31F，12#樓地上層數(shù)為30F，地上建筑面積約為149471.43 m2；總建筑面積約為202159.9 m2。塔樓采用剪力墻結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)為機(jī)械成孔灌注樁（摩擦樁、嵌巖樁）。根據(jù)鉆孔資料，區(qū)內(nèi)地層由上至下巖性如圖1 所示。根據(jù)工程需要，基坑開(kāi)挖的最小深度為4m，寬度也為4m，采用鋼板樁進(jìn)行基坑支護(hù)，樁的截面尺寸為φ508mm×9mm，間距為4m。布置橫向支撐兩道，其中第一道橫向支撐在地面0.5m 深度以下，第二道橫向支撐位于地面2.5m 以下，每道橫向支撐間距不小于2.5m。

圖1 基坑典型斷面圖

該文采用MIDAS/GTS 數(shù)值軟件進(jìn)行建模分析，巖土體物理力學(xué)參數(shù)匯總見(jiàn)表1。巖土體采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算，鋼板樁彈性模量為200000MPa，重度為80kN/m3。模擬工況為第一步進(jìn)行位移場(chǎng)清零；第二步為鋼板樁施工；第三步為0.5m 深度基坑開(kāi)挖，橫向支撐布置；第四步為后續(xù)步開(kāi)挖，支撐依次交替布置。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 樁水平位移分析

根據(jù)圖2 可知樁水平位移隨基坑開(kāi)挖深度變化的規(guī)律。結(jié)果表明，當(dāng)基坑開(kāi)挖深度小于10m 時(shí)，樁的位移隨著基坑開(kāi)挖深度增大而增大，當(dāng)基坑開(kāi)挖深度大于10m 時(shí)，樁的位移保持不變。當(dāng)基坑開(kāi)挖深度位于填土層內(nèi)時(shí)，樁的位移變化不明顯，當(dāng)基坑開(kāi)挖深度位于淤泥土層內(nèi)時(shí)，由于土層的工程性質(zhì)較差，因此樁的位移迅速增大，當(dāng)進(jìn)一步增大基坑深度時(shí)，樁的水平位移基本保持不變，其值為93mm。

圖2 樁水平位移與基坑深度的關(guān)系

圖3 匯總得到樁頂水平位移最大值隨著基坑深度變化的規(guī)律。結(jié)果表明，樁頂水平位移隨著基坑深度增大而先增大后減少，隨后保持不變。樁頂水平位移達(dá)到的最大值為16mm，出現(xiàn)在基坑深度為2.5m 的位置。當(dāng)基坑深度進(jìn)一步增大至5m 時(shí)，樁頂水平位移保持2.6mm不變。綜合以上結(jié)果可以看出，由于基坑底部及樁下半段位于淤泥層內(nèi)且無(wú)側(cè)向支撐的約束固定作用，因此導(dǎo)致樁頂位移迅速增大，在實(shí)際工程中應(yīng)在工程地質(zhì)條件不良的地層中做好防護(hù)措施，避免發(fā)生安全事故。

圖3 樁頂水平位移與基坑深度的關(guān)系

2.2 樁軸力分析

圖4 匯總得到樁的負(fù)軸力隨著基坑深度變化的規(guī)律。結(jié)果表明，樁的負(fù)軸力隨著基坑深度的增大先迅速增大，然后緩慢增大，最后趨于穩(wěn)定。其中，樁的負(fù)軸力最小值不到1kN，最大值為280kN。導(dǎo)致樁的負(fù)軸力出現(xiàn)這一規(guī)律的主要原因是基坑底部土質(zhì)工程性質(zhì)較好，樁的最大負(fù)軸力比較小且穩(wěn)定。此外，當(dāng)基坑開(kāi)挖深度達(dá)到17m 時(shí)，樁的最大負(fù)軸力在15m 位置處保持穩(wěn)定。總體來(lái)看，樁最大負(fù)軸力所對(duì)應(yīng)的位置均略高于坑底。

圖4 樁負(fù)軸力移隨著基坑深度變化

2.3 樁彎矩分析

圖5 匯總了到樁的最大負(fù)彎矩隨著基坑深度變化的規(guī)律。結(jié)果表明，隨著基坑深度增大，負(fù)彎矩先增大隨后趨于穩(wěn)定，當(dāng)基坑深度開(kāi)挖至10m 時(shí)，樁的負(fù)彎矩略增大，隨后隨著基坑開(kāi)挖深度的增大，樁的負(fù)彎矩大小基本保持不變。產(chǎn)生這一規(guī)律的主要原因是當(dāng)樁端位置處于工程地質(zhì)條件較差的地層內(nèi)時(shí)，樁端負(fù)彎矩變化速率較大，反之，當(dāng)位于土質(zhì)較好的土層內(nèi)時(shí)，樁的負(fù)彎矩變化率稍緩。

圖5 樁最大負(fù)彎矩與基坑深度的關(guān)系

圖6 匯總了到樁的最大正彎矩隨著基坑深度變化的規(guī)律。結(jié)果表明，隨著基坑深度增大，最大正彎矩隨著基坑深度變化并不明顯。當(dāng)基坑深度小于10m 時(shí)，最大正彎矩呈增大規(guī)律，最大值為280kN·m。當(dāng)基坑深度較小時(shí)，樁的最大正彎矩趨于0 值。當(dāng)基坑深度大于10m 時(shí)，樁端進(jìn)入花崗巖巖層內(nèi)，彎矩值降低。當(dāng)基坑深度大于14m 時(shí)，樁的最大正彎矩基本保持不變。根據(jù)樁的位置與基坑深度可以發(fā)現(xiàn)，樁的最大正彎矩對(duì)應(yīng)的位置在礫砂土層內(nèi)。

圖6 樁最大正彎矩與基坑深度的關(guān)系

2.4 橫向支撐軸力分析

根據(jù)該文基坑20m深度范圍內(nèi)共設(shè)置7道支撐軸力隨著基坑深度的變化規(guī)律可知，其中第一道支撐總體處于受拉狀態(tài)，其余6 道支撐均處于受壓狀態(tài)。當(dāng)基坑開(kāi)挖深度小于6m 時(shí)，第一道支撐軸力隨著基坑深度增大而增大，當(dāng)基坑開(kāi)挖深度大于6m 時(shí)，支撐軸力基本保持不變。此外，除第一道支撐軸力外，其余每道支撐在基坑深度方向的軸力變化趨勢(shì)并不明顯，但第6 道支撐的軸力最大，最大值為1500kN，軸力最大位置在基坑18m 和20m 處。

2.5 地表最大位移分析

匯總得到地表最大正位移隨著基坑深度變化。結(jié)果表明，隨著基坑深度增大，地表最大正位移呈上升趨勢(shì)，但增大速率隨著基坑深度增大而減少。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的主要原因是支撐的約束作用。當(dāng)最大正位移穩(wěn)定時(shí)，最大值為26mm，而對(duì)應(yīng)的距基坑邊緣最大距離變化范圍為0m～16m?？傮w表明，地表最大正位移影響范圍較大，在實(shí)際工程中應(yīng)進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，減少或者避免由于基坑隆起導(dǎo)致的工程問(wèn)題。

匯總得到地表最大負(fù)位移（沉降位移）隨著基坑深度的變化規(guī)律。結(jié)果表明，隨著基坑深度增大，地表最大沉降呈上升趨勢(shì)，但增大速率隨著基坑深度增大而減少。最終當(dāng)基坑深度大于10m 時(shí)，地表最大沉降值趨于穩(wěn)定數(shù)。此外，當(dāng)基坑深度為20m 時(shí)，地表最大沉降位移接近87mm，當(dāng)穩(wěn)定時(shí)最大沉降接近4.3mm，滿足規(guī)范的安全性要求。此外根據(jù)地表最大負(fù)位移與基坑深度關(guān)系可以總結(jié)出地表沉降影響范圍約為6.0m，在該范圍內(nèi)，基坑開(kāi)挖會(huì)對(duì)周圍建筑物產(chǎn)生較大的影響。在實(shí)際工程中應(yīng)關(guān)注該范圍內(nèi)的建筑物，做好監(jiān)測(cè)及防護(hù)結(jié)構(gòu)措施，避免發(fā)生安全事故。

3 結(jié)論與建議

該文依托貴州恒大新世界項(xiàng)目來(lái)分析基坑開(kāi)挖深度對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響，采用MIDAS 進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，得到如下3 點(diǎn)結(jié)論：1）樁的水平位移隨著基坑開(kāi)挖深度的增大而增大，隨后保持平穩(wěn)；樁的負(fù)軸力隨著基坑深度增大而先快速增大，隨后緩慢增大，最后保持穩(wěn)定；基坑橫向支撐多數(shù)均處于受壓狀態(tài)；2）地表最大正位移（隆起）和最大負(fù)位移（沉降）隨著基坑深度的增大而緩慢增大，地表隆起的影響范圍介于0m～16m，對(duì)應(yīng)的地表沉降影響范圍約6.0m，在實(shí)際工程施工中，應(yīng)注意關(guān)注影響區(qū)范圍內(nèi)的建筑物變形問(wèn)題；3）根據(jù)樁的位移分布規(guī)律，在基坑較深的位置處樁承受的壓力迅速增大，在實(shí)際工程中應(yīng)增大支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度，減少樁的變形。此外，當(dāng)樁位于軟弱地層中時(shí)，樁的位移過(guò)大對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不利，在該深度范圍內(nèi)須增強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度或增大結(jié)構(gòu)截面尺寸。