基坑開挖深度對支護結(jié)構(gòu)變形影響研究

王智虎

（新疆水利水電項目管理有限公司,新疆 烏魯木齊 830000）

1 引言

隨著我國地下空間工程利用率的迅速發(fā)展,基坑工程規(guī)模、形狀以及尺寸越來越復雜,這些因素導致基坑力學特性也極為復雜,因此系統(tǒng)地分析基坑開挖深度對基坑支護結(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挖深度對既有鐵路線變形的影響。結(jié)果表明,雙側(cè)開挖基坑可以顯著減小路基的變形,且可以有效降低鋼軌沉降差。秦愛芳和蔣晨旭[2]基于物理模型試驗研究了基坑開挖卸荷影響深度分析,提出了基坑開挖深度的估算公式。梁艷等[3]基于極限平衡法研究了基坑開挖尺寸效應對基坑穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明,在其他條件不變的情況下,基坑開挖尺寸越小,基坑的抗隆起安全系數(shù)越大,影響也更為顯著。李宇熙[4]采用數(shù)值模擬系統(tǒng)的研究了基坑尺寸效應對基坑變形影響。結(jié)果表明,基坑分部開挖和開挖結(jié)束后支護結(jié)構(gòu)墻頂變形的最小點和最大點分別位于坑角和基坑中部,基坑尺寸接近或大于臨界長寬比時最大位移接近穩(wěn)定。王梅[5]采用數(shù)值模擬研究了基坑尺寸對基坑支護結(jié)構(gòu)變形影響。結(jié)果表明,開挖面以上,擋墻上主動土壓力隨長寬比增大而減小,而開挖面以下,主動土壓力隨基坑開挖長寬比增大而增大。韋鴻飛[6]基于數(shù)值分析了基坑開挖深度與坡頂建筑物安全距離關(guān)系。結(jié)果表明,當基坑開挖深度達到20 m 時,基坑外地層土體達到極限平衡狀態(tài)。鄭加柱和光輝[7]綜合采用現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)和卡爾曼濾波模型研究了基坑開挖深度的動態(tài)變形規(guī)律。結(jié)果表明,提出的基坑變形預測模型能夠與實測變形規(guī)律吻合,證明模型預測效果比較理想。張鑫海等[8]基于理論解析手段研究了基坑開挖尺寸對下方隧道橫向受力的影響。結(jié)果表明,基坑開挖引起的圍壓卸載效應主要作用于隧道拱頂和拱底。本文基于有限元數(shù)值模型,研究基坑開挖深度對支護結(jié)構(gòu)及地表變形的影響規(guī)律。

2 工程概況

研究區(qū)基坑位于軟土地區(qū),根據(jù)鉆孔資料,區(qū)內(nèi)地層由上至下巖性見圖1。根據(jù)工程需要,基坑開挖的最小深度為4 m,寬度也為4 m,采用鋼板樁進行基坑支護,樁的截面尺寸為φ508×9 mm,間距為4 m。布置橫向支撐兩道,其中第一道橫向支撐在地面0.5 m 深度以下,第二道橫向支撐位于地面2.5 m 以下,每道橫向支撐間距不小于2.5 m。

本文采用MIDAS/GTS 數(shù)值軟件進行建模分析,巖土體物理力學參數(shù)匯總于表1。巖土體采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型進行計算,鋼板樁彈摸為200000 MPa,重度為80 kN/m3。模擬工況為：第一步進行位移場清零,第二步為鋼板樁施工,第三步為0.5 m 深度基坑開挖,橫向支撐布置,第四步為后續(xù)步開挖,支撐依次交替布置。

表1 巖土體物理力學參數(shù)

3 計算結(jié)果與分析

3.1 樁水平位移分析

圖2 匯總得到樁水平位移隨基坑開挖深度的變化規(guī)律。結(jié)果表明,當基坑開挖深度小于10 m 時,樁的位移隨基坑開挖深度增大而增大,當基坑開挖深度大于10 m 時,樁的位移隨基坑開挖深度保持不變。當基坑開挖深度位于填土層內(nèi),樁的位移變化不明顯,當基坑開挖深度位于淤泥土層內(nèi),由于土層的工程性質(zhì)較差,導致樁的位移迅速增大,進一步增大基坑深度時,樁的水平位移基本保持不變,其值為93 mm。

圖2 樁水平位移與基坑深度關(guān)系

圖3匯總得到樁頂水平位移最大值隨基坑深度變化規(guī)律。結(jié)果表明,樁頂水平位移隨基坑深度增大而先增大后減小隨后保持不變。樁頂水平位移達到最大值為16 mm,出現(xiàn)在基坑深度為2.5 m 位置處。當基坑深度進一步增大至5 m 時,樁頂水平位移保持2.6 mm 不變。綜合以上結(jié)果可以看出,基坑底部及樁下半段位于淤泥層內(nèi)時,由于無支撐的約束作用,導致樁頂位移迅速增大。

圖3 樁頂水平位移與基坑深度關(guān)系

3.2 樁軸力分析

圖4 匯總得到樁的負軸力隨基坑深度變化規(guī)律。結(jié)果表明,樁的負軸力隨基坑深度的增大先增大然后緩慢增大最后趨于穩(wěn)定。總體來看,樁的負軸力最小值不到1 kN,最大值為255 kN。這是因為在基坑底部土質(zhì)工程性質(zhì)較好,因此樁的最大負軸力比較穩(wěn)定。在基坑開挖深度達到17 m 時,樁的最大負軸力在15 m 位置處保持穩(wěn)定?？傮w來看,樁最大負軸力所對應的位置均略高于坑底。

圖4 樁負軸力移隨基坑深度變化

3.3 樁彎矩分析

圖5 匯總得到樁的最大負彎矩隨基坑深度變化規(guī)律。結(jié)果表明,隨著基坑深度增大,負彎矩先增大隨后在基坑深度為12 m 的時候保持不變。也即當樁端位于土質(zhì)較差的土層內(nèi),樁端負彎矩變化速率較大,當位于土質(zhì)較好的土層內(nèi),樁的負彎矩變化率稍緩。

圖6 匯總的到樁的最大正彎矩隨基坑深度變化規(guī)律。結(jié)果表明,隨著基坑深度增大,最大正彎矩隨基坑深度變化并不明顯。當基坑深度小于10 m 時,最大正彎矩呈增大規(guī)律,最大值為280 kN?m。當基坑深度較小時,樁的最大正彎矩趨于0 值?；由疃却笥?0 m 時,樁端進入花崗巖巖層內(nèi),彎矩值降低。因此,樁的最大正彎矩對應的位置在礫砂土層內(nèi)。

圖6 樁最大正彎矩與基坑深度關(guān)系

3.4 橫向支撐軸力分析

圖7 匯總得到支撐軸力隨基坑深度變化情況。本文考慮基坑20 m 深度范圍內(nèi)共設(shè)置7 道支撐。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),每道支撐在基坑深度方向的軸力變化趨勢并不明顯,但第6 道支撐的軸力最大,最大值為1500 kN。

3.5 地表最大位移分析

圖8 匯總得到地表最大正位移隨基坑深度變化。結(jié)果表明,隨基坑深度增大,地表最大正位移呈上升趨勢,但增大速率隨基坑深度增大而減小。導致這一現(xiàn)象的主要原因是由于支撐的約束作用。在最大正位移穩(wěn)定時,最大值為26 mm,而對應的距基坑邊緣最大距離變化范圍為0~16 m 之內(nèi)?？傮w表明,地表最大正位移影響范圍較大,實際工程中應進行跟蹤監(jiān)測,減小或者避免由于基坑隆起造成的工程問題。

圖9 匯總得到地表最大負位移（沉降位移）隨基坑深度變化。結(jié)果表明,隨基坑深度增大,地表最大沉降呈上升趨勢,但增大速率隨基坑深度增大而減小,最終當基坑深度大于10 m時,趨于穩(wěn)定數(shù)值。此外,在基坑深度為20 m 時,地表最大沉降位移接近87 mm,穩(wěn)定時,最大沉降接近4.3 mm。由此可見,地表沉降影響范圍約為6.0 m,實際工程中應關(guān)注該范圍內(nèi)的建筑物,避免發(fā)生較大的變形。

4 結(jié)論與建議

本文依托某軟土地區(qū)基坑開挖深度對支護結(jié)構(gòu)變形影響,采用MIDAS 進行了數(shù)值模擬研究,得到如下幾點結(jié)論：

（1）樁的水平位移隨基坑開挖深度的增大而先增大隨后保持平穩(wěn)；樁的負軸力隨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）和最大負位移（沉降）隨基坑深度的增大而緩慢增大,地表隆起的影響范圍介于0~16 m內(nèi),對應的地表沉降影響范圍約6.0 m,實際工程施工中,應注意關(guān)注影響區(qū)范圍內(nèi)的建筑物變形問題。

（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,因此實際工程中應增大支護結(jié)構(gòu)剛度,以減小樁的變形。此外,當樁位于軟弱地層中,樁的位移過大對支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不利,因此在該深度范圍內(nèi)也需增強支護結(jié)構(gòu)剛度或增大結(jié)構(gòu)截面尺寸。