深基坑多材料復合加固穩定性模擬分析

段其品

摘要： 深基坑開挖過程中坑壁大變形或坍塌是基坑事故的主要形式，深基坑加固的穩定性是基坑質量的重要標準，本文將討論優化深基坑加固的設計方法，采用拉格朗日差分原理對深基坑失穩的原因進行剖析。通過本文的研究給深基坑加固的設計及研究提供參考。

Abstract： In the deep excavation， the pit wall deformation or collapse is the main form of pit accident， so the stability of deep foundation pit reinforcement is an important criterion for the quality of foundation pit. This paper will discuss the optimization design method of deep foundation pit reinforcement， and use Lagrange differential principle to analyze the reasons causing stability loss of deep foundation pit， so as to provide reference to the research and design for deep foundation pit reinforcement.

關鍵詞： 深基坑；穩定性；失穩

Key words： deep foundation pit；stability；instability

中圖分類號：TV551.4 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）16-0133-04

0 引言

在現代建筑發展過程中，城市建設基坑開挖對周圍建筑物和環境造成相應影響，基坑加固技術越來越體現出其重要價值，國外基坑發展始源于20世紀30年代初期，由太沙基和皮克兩位杰出科學家進行研究，到20世紀60年代時期，在國外的基坑開挖中才有了基坑監測。至20世紀70年代起，國外開始大規模使用現代先進機器對基坑加固結構進行檢測，基坑工程加固技術逐漸走向完善。90年代到21世紀是國外基坑蓬勃發展的時期，基坑加固技術已經走向復雜化多元化，在實際工程運用之中新的加固方法不斷得到實踐運用。國內外常用的基坑加固結構形式：放坡式；深層水泥攪拌樁；土釘支護；鋼筋混凝土灌注樁；巖土錨桿；本文通過理論分析提出左岸放坡式開挖采用土釘加固，右岸豎直開挖采用排樁錨索加固，整個基坑運用復合開挖和加固設計理念，采用FLAC3D軟件數值模擬對復合開挖和加固設計理念進行論證分析。

1 基坑設計方案

本文根據實際工程項目進行基坑的加固優化設計，通過多方面的比較決定采用多材料復合加固的方式進行加固，如圖1所示。

1.1 IJ段

深度6.5m，此段為基坑右岸豎直基坑壁，因為基坑右岸為原有建筑區，為了保護現有建筑物不受到破壞，右岸采取豎直開挖和排樁錨索加固的設計方法。排樁錨索加固的排樁長12m，排樁直徑600mm，排樁間距1.2m，排樁底部打到巖層固結，排樁之間采用鋼網高壓旋噴固結加固。錨索設計為與排樁頂端固結，入射角度150，錨索總長為20m，其中錨固段長度高達14m。將采用FLAC3D軟件進行數值模擬分析，驗證此設計方法是否符合設計規范要求。

1.2 AH段

深度6.5m，此段為基坑左岸，因為基坑左岸無大規模建筑物，設計采用放坡臺階式開挖，每階長度0.5m，豎直開挖1m，形成均勻放坡臺階式基坑壁，因此基坑壁采用土釘加固方法。土釘設計尺寸為直徑150mm，長度6m，設計為左岸基坑壁用三道土釘進行加固，第一道土釘距離坡頂2m，其余兩道土釘依次間隔2m進行加固，入射角度150，土釘之間距離平均為1.5m，土釘之間基坑壁依然采用鋼絲網旋噴加固，加固處理后理論計算得出邊坡最小安全系數1.42，滿足設計規范要求。

1.3 設計中為方便基坑加固施工，基坑分為3步開挖

①開挖深度1m，第一次開挖后左右岸不進行任何加固措施；

②開挖4.5m深，第二次開挖后左岸進行土釘鋼網旋噴加固，右岸進行排樁鋼網旋噴加固；

③開挖6.5m深，第三次開挖后左岸進行土釘鋼網密集加固，右岸進行排樁錨索整體固結和鋼網旋噴加固。

2 數值模擬分析

本實例采用FLAC3D軟件選取長100m，寬1m，高20m的斷面進行數值模擬分析，用多材料復合加固的方法檢測基坑的抗滑穩定性，根據地質勘探報告將地基劃分為4層（見表1），設計了錨索和土釘的各種參數（見表2，表3）。

深基坑加固穩定性分析主要考慮兩個方面：第一，深基坑坑壁的位移沉降分析；第二，深基坑加固結構的變形穩定性問題。經加固之后基坑沉降如圖所示：

據模擬圖片，基坑右側排樁錨索加固后位移非常小，僅僅是10.5mm的變形，左側基坑壁因為是放坡開挖，最高處位移最大為34.5mm，平均基坑位移只有27.9mm，滿足設計規范要求，也以實際開挖的平均位移32mm，基本吻合。

加固結構的受力情況如圖所示：

①排樁結構承受主要荷載為主動土壓力、被動土壓力和預應力錨索施加的力，這三個力的作用使排樁產生軸向壓力。最大軸壓力值為6.073e5MPa，完全處于排樁最大受力范圍。

②預應力錨索主要承受排樁頂部和內部土體造成的最大拉應力，最大拉應力值為5.922MPa，滿足規范設計要求。

③模型中嵌入三排土釘，放坡開挖中第二次開挖開始加固，主要受到土體滑移產生的拉應力，土釘承受最大拉應力為64.85MPa，完全滿足設計規范的要求。

3 結論及修改意見

①本基坑加固后產生的位移主要位于左側基坑頂部與實際情況相符；

②本基坑左側加固結果顯示只有第一排土釘受力情況明顯，第二和第三排土釘基本不受力，根據實際情況提出撤銷第三排土釘的意見，保留第一和第二排土釘即可滿足設計要求；

③本基坑右側支護排樁底部受力較大，修改意見為在底部排樁間距2m改為1.5m，提高排樁的密集程度；經修改后完全滿足設計規范的要求；

④本次采用FLAC3D軟件對基坑加固結構穩定性進行數值模擬，計算結果和修改后意見在實際工程運用中取得較大成功，說明本次多材料復合加固設計方法是合理的。

參考文獻：

[1]王廣國，杜明芳，侯學淵.深基坑的大變形分析[J].巖石力學與工程學報，2000，19（4）：509-512.

[2]蔣洪勝，侯學淵.基坑開挖對臨近軟土地鐵隧道的影響[J]. 工業建筑，2002，32（5）：53-56.

[3]劉二栓.深基坑工程特點及存在的問題[J].有色金屬設計，2004，1：45-47.

[4]楊光華.深基坑支護結構的實用計算方法及其應用[M].地質出版社，2004.

[5]Dunnicliff J. Geotechnical instrumentation for monitoring field performance[M]. John Wiley & Sons， 1993.

[6]Ou C Y， Chiou D C， Wu T S. Three-dimensional finite element analysis of deep excavations[J]. Journal of Geotechnical Engineering， 1996， 122（5）： 337-345.

[7]Liu G B， Ng C W， Wang Z W. Observed performance of a deep multistrutted excavation in Shanghai soft clays[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering， 2005， 131（8）： 1004-1013.

[8]Terzaghi K， Peck R B， Mesri G. Soil mechanics in engineering practice[M]. John Wiley & Sons， 1996.

[9]李慧娜.深基坑排樁內支撐支護體系優化設計方法及對周圍環境影響研究[D].青島理工大學，2009.

[10]嚴薇，曾友誼，王維說.深基坑樁錨支護結構變形和內力分析方法探討[J].重慶大學學報：自然科學版，2008，31（3）：344-348.

[11]周愛其，龔曉南，劉恒新，等.內撐式排樁支護結構的設計優化研究[J].Rock and Soil Mechanics， 2010.

[12]徐楊青.深基坑工程設計的優化原理與途徑[J].巖石力學與工程學報，2001，20（2）：248-251.