L形基坑變形的空間效應研究

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L形基坑變形的空間效應研究

阮波1，田曉濤1，楊關文1,2

(1. 中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075；

2. 貴州正業工程技術投資有限公司，貴州 貴陽550000)

摘要:依托長沙市潮宗御苑小區深基坑工程，利用有限差分軟件FLAC3D建立了L形基坑的三維數值計算模型，對基坑的開挖過程進行模擬，研究土體以及支護結構位移的空間分布規律，討論位移空間分布的影響因素，并將數值計算結果與實測值進行對比分析。研究結果表明：基坑各邊中部位移最大，陽角處位移次之，陰角處位移最小；空間效應的影響范圍隨著基坑開挖深度增加而增大，但增幅逐漸減小, 一般為2～3倍基坑開挖深度；冠梁能夠有效控制基坑的角部位移的發展，尤其是陽角處位移，并能夠增加空間效應的影響范圍。

關鍵詞：倒L形基坑；變形；空間效應；數值模擬

基坑是一個三維空間結構，由于平面問題分析簡單，積累的經驗豐富，而且分析結果偏于保守、安全，設計計算時通常將基坑簡化成二維平面問題來分析。但是，基坑開挖問題按照平面問題處理是不合適的，應用二維分析則存在許多缺陷，如無法研究開挖引起的空間位移分布、土壓力分布，無法反映土方分塊、分段開挖效應，無法考慮支撐結構的分段設置效應等[1-4]。對于異形結構的基坑，二維分析不能反映基坑某些特殊部位的位移變化情況，如基坑的陰角、陽角以及基坑中部的位移差異和位移變化特征，支護結構和土體位移的空間分布情況等[5-6]。傳統設計方法往往造成計算結果與實測值在某些部位相差較大，設計不能反映實際情況，一方面可能導致設計過于保守而浪費工程造價以及人力資源，另一方由于沒有掌握基坑支護結構的真實受力和變形情況，不利于基坑的安全施工。隨著人們對基坑空間效應認識的不斷深入以及計算機技術的不斷發展，對基坑工程三維空間效應的研究越發顯示出其重要性和必要性，但是，目前對于基坑空間效應的研究多是針對規則形狀的基坑，對于特殊形狀的基坑研究還比較少[7-9]。本文依托長沙市潮宗御苑小區深基坑工程，利用有限差分軟件FLAC3D建立了L形基坑的三維數值計算模型，對基坑的開挖過程進行模擬，研究了土體以及支護結構位移的空間分布規律，討論了位移空間分布的影響因素。

1工程概況

長沙潮宗御苑小區深基坑工程位于湘江大道與營盤路交匯處，北靠營盤路，西鄰湘江大道，南抵潮中路，東有密集住宅樓，基坑平均開挖深度為13 m，圍護樁嵌固深度為6 m，長度約152 m，寬度約88 m。基坑重要性等級為1級，基坑平面形狀近似于L形，平面布置圖如圖1所示。基坑采用單排人工挖孔樁和錨索聯合支護，樁徑1.1 m，樁間距2 m，樁上設3排錨索，并在樁頂加冠梁。

圖1　基坑平面布置圖Fig.1 Floor plan of the foundation pit

2計算模型及參數取值

2.1計算模型

在深基坑模型建立之前，首先要確定基坑開挖的影響區域。為了滿足計算精度同時兼顧計算速度，深基坑開挖時周圍受影響區域一般可取基坑開挖深度的2～3倍范圍，計算的深度一般取為支護樁樁底以下約1～2倍基坑開挖深度[10-11]。所建模型長度為236 m，寬度為192 m，深度為40 m，在兼顧計算精度以及計算速度的條件下，建模時可將基坑開挖處以及開挖面附近土體網格設置較密集，而將遠端土體則可設置得較為稀疏，最終建立的模型如圖2所示，模型包括107 916個網格，115 992個節點。

圖2　基坑數值計算模型Fig.2 Numerical model of the foundation pit

2.2參數取值

本次模擬所用的參數包括土層參數、排樁和冠梁參數以及錨索參數，分別見表1～表3所示。

表1　土層參數

表2　排樁和冠梁參數

表3　錨索主要計算參數

3計算結果及分析

3.1土體水平位移

為了研究土體位移的空間分布情況，取最終工況下的地表位移值進行分析，圖3為基坑地表面土體水平位移示意圖。從圖中可以看出，基坑坑角處土體位移較小，而沿著坑角向各邊中部位移逐漸增大，各邊的最大位移在中點附近，如圖中箭頭所示，另外，可以看出基坑AG段整段位移都比較小。

在基坑開挖過程中對基坑土體位移進行監測，表4為基坑各點的土體水平位移計算值與監測值，從表中可以看出，基坑各段中點處的位移均明顯大于2個端點處的位移，計算值中最大位移為M點的28.6 mm，最小位移為B點的0.1 mm，而監測之中最大位移位M點的26.5 mm，最小位移為E點的6 mm。基坑的陽角D點處的計算值和監測值分別為9.8 mm和18 mm，而在基坑的幾個陰角中，計算值的最大位移為C點處的2.4 mm，監測值

的最大位移為C點處的10 mm，陽角處的位移明顯大于陰角位移。由此可以看出，雖然計算值與監測值在數值大小上存在一定的差異，但二者都反映出了相同的位移變化規律，即基坑中部位移最大，陽角位移次之，陰角處位移最小。

圖3　地表土體水平位移示意圖Fig.3 Sketch map of horizontal displacement of surface soils

測點位置AHBQCPDMEIFNG計算值/mm6.223.30.124.52.4249.828.60.921.71.427.45.8監測值/mm--81910221826.56-7.517.6-

3.2支護結構水平位移

基坑采取的支護方式為樁錨聯合樁頂冠梁支護，現將基坑開挖前后的冠梁變形情況進行對比，以分析支護結構變形的空間效應。圖4為基坑冠梁在基坑開挖前后的變形示意圖，圖中實線為基坑開挖前冠梁的形狀，虛線為基坑開挖完成后冠梁的變形情況。

從圖中可以看出，基坑開挖完成以后冠梁的位移特征為整體向基坑內方向凹陷，基坑各段位移變化規律與土體位移相同，在兩端坑角處的變形較小，沿著坑角向基坑中部方向位移逐漸增大。從圖

圖4　冠梁變形示意圖Fig.4 Sketch map of top beam deform

中可以清晰的看出，陽角D點附近的位移明顯大于幾個陰角處的變形，也證明了陽角是基坑工程中比較受關注的部位。另外，基坑GF段的冠梁位移也同樣明顯小于其他段的冠梁位移。表5為個點的支護樁樁頂位移統計值，從表中可以看出，支護樁和土體表現出了相同的位移規律，各邊位移以中部最大，陽角處次之，陰角處最小，圓弧段位移較小。

表5　樁頂水平位移

3.3空間效應的影響因素

3.3.1開挖深度對空間效應的影響

為了研究基坑空間效應與基坑開挖深度之間的關系，取基坑的一條長邊DE在不同開挖深度下的變形沿基坑坑壁的變化曲線進行分析。圖5為DE段樁頂位移沿基坑從坑角向中部的變化曲線，圖中4條曲線分別表示4個開挖深度的變化情況。從圖中可以看出，樁頂水平位移沿坑角向中部逐漸增大，并在距坑角一定距離處趨于穩定。當開挖深度為3 m時，可以看出在0～10 m范圍位移增加比較明顯，超過10 m以后位移基本達到穩定，如果將這個位移逐漸增加的范圍稱作空間效應的影響范圍，可以看出，當基坑開挖深度分別為6，9和13 m時，空間效應的影響范圍分別為15，18和21 m，如圖中虛線所示。

圖5　DE段樁頂位移曲線Fig.5 Curves of pile top displacement of DE segment

從以上分析可知，基坑變形的空間效應與基坑開挖深度具有一定的關系，當支護結構相同時，空間效應影響范圍會隨著基坑開挖深度的增加而增大，但增加幅度會逐漸降低，當開挖深度分別為3 m和13 m時，對應的空間效應的影響范圍為10 m和21 m，分別約為3倍和2倍基坑開挖深度。

3.3.2冠梁對空間效應的影響

為了分析冠梁對基坑變形空間效應的影響，將模型中的冠梁去掉，進行開挖模擬，分析基坑各部位的變形情況，再與有冠梁時的變形情況進行比較。圖6為有冠梁和無冠梁的2種情況的支護樁樁頂位移，圖中最外面的細線表示開挖前樁頂位置，虛線表示有冠梁情況下樁頂位移，最里面的粗實線表示無冠梁情況下的樁頂位移，比較虛線和粗實線，可以明顯看出:二者在基坑中部一定范圍發生重合，表示這些范圍2種情況的位移一致，而在基坑各坑角附近，粗實線位移明顯比虛線位移大，尤其是在陽角D點附近。

圖6　樁頂位移示意圖Fig.6 Sketch map of pile top displacement

圖7　DE段樁頂水平位移曲線Fig.7 Curves of pile top displacement of DE segment

以基坑的DE段為例進行說明，圖7為DE段有冠梁和無冠梁情況下的樁頂位移曲線，可以看出，在坑角D點有冠梁和無冠梁時的位移分別為9 mm和15 mm，二者相差較大；而2種情況下的最大位移分別為27 mm和28 mm，二者幾乎相等，因此可以說，冠梁能夠減小坑角附近的位移，而對基坑中部位移影響較小。另外，從圖中也可以看出：2種情況下基坑變形空間效應的影響范圍的差異，有冠梁時影響范圍約為0～21 m，無冠梁時影響范圍約為0～15 m，由此得出，冠梁能夠增加基坑空間效應的作用范圍。

4結論

1)L形基坑的土體位移和支護結構變形具有明顯的空間效應，基坑各邊的中部附近位移最大，陽角處次之，陰角處最小, 在沿坑角向基坑中部的一定范圍內，位移逐漸增大；

2)當基坑支護條件相同時，空間效應的影響范圍隨著基坑開挖深度增加而增大，但增幅逐漸減小，一般為2～3倍基坑開挖深度；

3)樁頂冠梁能夠增強基坑支護結構的整體性，其對基坑中部位移影響較小，但可以有效控制基坑的角部位移的發展，尤其是陽角處的位移，并增加空間效應的影響范圍。

參考文獻：

[1] 黃傳勝，張家生．地鐵深基坑三維有限元模型尺寸效應分析[J].鐵道科學與工程學報，2011，8(2)：59-63.

HUANG Chuansheng，ZHANG Jiasheng．Size effect analysis of subway deep foundation pit using three dimensional finite element model[J]．Journal of Railway Science and Engineering，2011，8(2)：59-63．

[2] 雷明鋒，彭立敏，施成華．長大深基坑施工圍巖動態變形規律[J]．鐵道科學與工程學報，2010，7(1)：52-58.

LEI Mingfeng，PENG Limin，SHI Chenghua．Dynamic deformation analysis of surrounding rock in large-long-deep foundation pit construction[J]．Journal of Railway Science and Engineering，2010，7(1)：52-58.

[3] 陸培毅，李紹忠，顧曉魯．基坑支護結構的空間分析[J]．巖土力學，2004， 25(1)：121-124．

LU Peiyi，LI Shaozhong，GU Xiaolu．Spatial analysis for retaining structure of foundation pit[J]．Rock and Soil Mechanics，2004，25(1)：121-124．

[4] 雷明鋒，彭立敏，施成華．長大深基坑施工空間效應研究[J]．巖土力學，2010，31 (5)：1579-1584．

LEI Mingfeng，PENG Limin，SHI Chenghua．Research on construction spatial effects in large-long-deep foundation pit[J]．Rock and Soil Mechanics，2010，31 (5)：1579-1584．

[5] 高文華，楊林德，沈蒲生．軟土深基坑支護結構內力與變形時空效應的影響因素分析[J]．土木工程學報，2001，34(5)：90-96．

GAO Wenhua，YANG Linde，SHEN Pusheng．Analysis of factors on time-space effect of internal force and deformation for retaining structure of deep foundation pit under soft soil[J]．Civil Engineering Journal，2001，34(5)：90-96．

[6] Fuentes R，Detriment M．Ground movements around corners of excavations:empirical calculation method [J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2010，136(10)：1414-1424．

[7] 賴冠宙，房營光，史宏彥．深基坑排樁支護結構空間共同變形分析[J]．巖土力學，2007，28(8)：1749-1752．

LAI Guanzhou，FANG Yingguang，SHI Hongyan．Spatial mutual deformation analysis method for row of piles of deep excavation[J]．Rock and Soil Mechanics，2007，28(8)：1749-1752．

[8] Yoo C，Lee D．Deep excavation-induced ground surface movement characteristics a numerical investigation[J]．Computers and Geotechnics，2008，35(2)：231-252．

[9] Son M，Cording E J．Estimation of building damage due to excavation-induced ground movements[J]．Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2005，131(2)：162-177．

[10] 俞建霖，龔曉南．深基坑工程的空間性狀分析[J]．巖土工程學報，1999，21(1)：21-25．

YU Jianlin，GONG Xiaonan．Spatial behavior analysis of deep excavation[J]．Chinese Journal of Geotechnical Engineering，1999，21(1)：21-25．

[11] 劉紅巖，秦四清，李厚恩．深基坑工程開挖安全性的數值分析[J]．巖土工程學報，2006，28 (z1)：1441-1444.

LIU Hongyan，QIN Siqing，LI Houen．Numerical analysis for the security of deep foundation pit during excavation[J]．Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2006，28 (z1)：1441-1444．

Research on spatial effect of deformation in L-shaped foundation pit

RUAN Bo1，TIAN Xiaotao1，YANG Guanwen1,2

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China；

2. Zhengye Engineering & Investment Incorporation Limited, Guiyang 550000, China)

Abstract:Based on the deep foundation pit of Chao Zong Yu Yuan district in Changsha city, a three-dimensional numerical model was established for L-shaped foundation pit using finite difference software FLAC3D, and the construction process was simulated. The spatial distribution law of deformation for soils and retaining structures was analyzed, and the influencing factors were discussed as well. Meanwhile, the calculated results were then compared with field measured data. The results show that the maximum displacement occurs in the central of each side, followed by the displacement of positive corner, and the displacement of negative corner is minimum. The coverage range of spatial effects increases with the increasing value of excavation depth, while the growth rate decreases gradually. In general, the influencing scope is 2 to 3 times of the depth of excavation. The top beam can effectively limit the displacement around corner especially the positive corner of the pit, and increase the coverage range of spatial effects.

Key words:reverse L-shaped pit; displacement; spatial effect; numerical simulation

中圖分類號：TU473.2

文獻標志碼：A

文章編號：1672-7029(2015)01-0086-05

通訊作者：阮波(1972- )，男，河南新縣人，副教授，博士，從事巖土工程方面的研究；E-mail:421084359@qq.com

基金項目：國家自然科學基金資助項目(50678175)

*收稿日期：2014-06-17