坑中坑基坑支護變形的數值模擬研究

張　超

(安徽省水利水電勘測設計院，安徽 蚌埠　233000)

坑中坑基坑支護變形的數值模擬研究

張超

(安徽省水利水電勘測設計院，安徽 蚌埠233000)

摘要:坑中坑問題在基坑工程中很常見，內坑的開挖對外坑支護變形的影響是該問題研究的重點。采用有限差分軟件FLAC3D，從土體彈性模量E，內、外坑的坑邊距2個方面，模擬研究內坑開挖對外坑支護的影響，為坑中坑基坑工程的支護提供一定的參考。

關鍵詞:坑中坑；土體模量；坑邊距；數值模擬

0引言

隨著我國的經濟發展，多高層建筑興起，地下工程的大規模建設也越來越多，基坑工程的深度也越來越深。由于地下工程的復雜程度逐漸變大，其中的坑中坑問題越來越顯著，內坑的開挖對外坑的影響還未得到明確的解答，一些學者也做了研究。(2006年武明炳等)結合工程實例，計算了軟土地區坑中坑基坑支護設計入土深度的取值問題；(2007年劉中憲等)結合天津某深基坑工程，采用三維非線性有限元軟件分析了分步開挖和土體與支護結構接觸面作用對基坑支護變形的影響；(2010年申明亮等)利用有限元軟件ABAQUS建立坑中坑模型，詳細分析了面積比、深度比和插入比等參數對大基坑應力場的影響。(2010年徐為民等)結合土釘墻基坑支護結構失穩的案例分析，提出了坑中坑基坑的設計意見。

以往的研究多是集中在內、外坑的幾何尺寸上對整個基坑開挖影響范圍內土體的應力和外坑支護結構的變形影響，本文加入對土體彈性模量的影響研究，同時也研究內、外坑的坑邊距和支護結構的入土深度的影響。

1模擬分析

1.1模型參數介紹

圖1　坑中坑基坑示意圖

坑中坑基坑如圖1所示，對基坑各參數作如下定義：外基坑寬D，深H，外基坑支護入土深度L，內坑寬d，深h，內、外坑的坑邊距l。

1.2工程概況

本文實例工程為安徽北部某在建工程，施工場地位于黏土區，場地地質條件為2級，土層分布及相關物理參數如表1所列。原始地基土質較好，基坑圍護采用雙排灌注樁，基坑外坑開挖深8m，寬20m，支護樁入土深度為18m。

表1　土層參數

1.3數值模擬分析

(1)有限差分原理。基本思想是將求解區域劃分為若干網格，以網格節點代替求解區域，將微分方程變量定義在網格節點上，利用差分法求解差分方程組。FLAC3D計算過程中，將計算模擬區域劃分為若干6面體單元，每個單元在給定的邊界條件下遵循設定的本構模型變形。

(2) 模型設定。數值模型假定土體為理想彈塑性體，采用Mohr-Coulomb模型，樁體為均質體，剛度較大，樁體適合采用線彈性模型。數值軟件計算模型如圖2所示。土體參數采用統一彈性模量E=5.5MPa。

圖2　模型網格圖

1.4影響因素分析

(1)土體模量。在確定內坑開挖深度h=2m，寬度5m，坑邊距l=5m的前提下，分別模擬分析土體彈性模量E=2.0 MPa、E=5.5MPa、E=6.0MPa、E=7.5MPa 4種情況時支護樁的水平變形。模擬結果如圖3所示。

由圖3可知，不同的彈性模量下，支護樁的水平位移相差較大，經對比，分析如下：①當彈性模量E=2.0MPa時，樁頂位移達到45.0mm，沿樁身有明顯的側向變形，表明此時樁體已達到側移極限值；②隨著彈性模量增大到E=5.5MPa時，樁頂位移明顯減小至32.0mm，樁身側移相對量減小；③土體彈性模量進一步增大至E=6.0MPa，樁頂位移有少量減小；當土體彈性模量達到7.0MPa時，樁頂位移降至6mm，基本與無內坑開挖時樁頂的位移相同。因此在本研究前提下，當土體彈性模量達到一定值時，內坑的開挖不會對外坑的支護結構有明顯的影響；若彈性模量較小時，影響較明顯。

(2)坑邊距。在確定內坑開挖深度h=2m，土體彈性模量E=7.5MPa的前提下，分別模擬分析坑邊距l=0m、I=2.0MPa、l=5.0MPa、l=8MPa 4種情況時支護樁的水平變形。模擬結果如圖4所示。

圖3　彈性模量影響下支護樁的變形

圖4　坑邊距影響下支護樁的變形

由圖4分析可知，坑邊距的影響程度不如土體彈性模量影響的明顯，經對比分析如下：①坑邊距等于8m時，樁頂的位移基本不受內坑開挖的影響；②坑邊距等于0m時，即內坑緊鄰外坑時，樁身的側移現象明顯，樁頂的水平位移較大；③坑邊距等量增大，樁頂位移呈非線性遞減，在保證安全的情況下，應有一最優的坑邊距。

2結論

在本文假設前提下，通過以上數值模擬分析主要結論如下：①基坑周邊土的彈性模量對坑中坑支護樁的水平變形影響較大，模量線性增大時，樁頂位移呈非線性減小。②內、外坑的坑邊距對坑中坑支護張的水平變形影響較小，坑邊距線性增大時，樁頂位移亦呈非線性減小，據此，應能夠分析出一最優的坑邊距。

[參考文獻]

[1]吳明炳，林大豐，戴一鳴,等.坑中坑基坑支護設計與監測[J].巖土工程學報(增刊)，2006,(11):1569-1592.

[2]劉中憲，雷禮鋼，管志勇,等.某軟土深基坑的非線性三維有限元分析[J].沈陽理工大學學報，2007,(8):88-90.

[3]申明亮，廖少華，周小華,等.坑中坑基坑應力場的參數化分析[J].巖土工程學報，2010,(32):187-191.

[4]徐為民，屠毓敏. 某工程坑中坑塌滑原因分析及加固設計[J].巖土力學，2010,(5):1556-1563.

[5]孫書偉，林航，任連偉. FLAC3D在巖土工程中的應用[M].北京：中國水利水電出版社，2011.

(責任編輯陳化鋼)

On the numerical simulation research about retaining deformation of pits in foundation-pit

CHAO Zhang

(Anhui Survey and Design Institute of Water Conservancy and Hydropower, Bengbu 233000,China)

Abstract:Problem about pits in foundation-pit is very popular to see in foundation pit engineering, the impact of the inside-pit excavation on the out-side-pit supporting deformation is the research emphasis of this problem. Finite difference software FLAC3D is used to do simulate research about the impact of the inside-pit excavation on the out-side-pit supporting, provide some references for retaining of pits in foundation-pit, by soil elastic modulus E and the distance between the inside-pit and the out-side-pit.

Key words:pits in foundation-pit；soil modulus；distance between the inside-pit and the out-side-pit；numerical simulation

收稿日期：2016-03-01；修回日期：2016-03-10

作者簡介：張超(1989-)，男，安徽廬江人，助理工程師，從事水利水電勘測設計工作。

DOI：10.3969/j.issn.1671-6221.2016.02.003

中圖分類號：U641

文獻標識碼：A

文章編號：1671-6221(2016)02-0011-03