基坑設計中將既有邊坡作為等效荷載處理的合理性研究

許美

摘 要：以武漢某既有邊坡條件下的深基坑為例，運用PLAXIS數值模擬軟件建立兩種不同模型，并結合工程軟件計算及現場監測等方法，對基坑支護結構受力變形特征進行對比分析，以論證基坑設計中將既有邊坡作為等效荷載處理的合理性，并針對本基坑初步提出工程設計中等效荷載的折減系數取值。研究表明，在工程設計中，將既有邊坡作為等效荷載處理會人為地增大支護結構所受的土壓力，導致基坑設計偏向于保守。在實際工作中，可以考慮將等效荷載加以折減，然后再運用到基坑設計中。對于本基坑而言，其等效荷載的折減系數取0.8最為科學。

關鍵詞：既有邊坡；支護結構；受力變形；等效荷載；數值模擬

中圖分類號：U655.5 文獻標識碼：A 文章編號：1006—7973（2017）09-0040-03

隨著我國高層建筑的發展，各種復雜地質條件下的深基坑工程也逐漸出現。其中，既有邊坡條件下的基坑工程就顯得較為特殊。在此類基坑工程設計中，既有邊坡一般被直接等效為荷載進行基坑支護結構的設計計算。

本文基于武漢某既有邊坡條件下的深基坑工程，采用數值模擬、工程軟件計算和現場監測等方法，在總結基坑圍護結構的受力變形規律的基礎上，探討基坑設計工作中將既有邊坡作為等效荷載處理的合理性，并提出本基坑等效荷載的折減系數，為此類深基坑工程的設計和施工提供參考。

1 工程概況

1.1 工程地質條件

本基坑位于山坡地段，其自然地面從南至北順山勢由低到高，基坑北側（AB段）地勢相對較高，距離基坑外緣7m處有一高約5m的陡坎，基坑南側（EF段）地勢較低?；悠矫嫖恢萌鐖D1所示。

本場地在勘察深度范圍內，地層主要分為四類：表層為①層雜填土，上部為②層第四系粘土和③層殘積土，下部為④層志留系泥巖。主要地層的具體分布情況及其物理力學參數見下文，在此不再贅述。

場地地下水的類型主要是上層滯水，上層滯水賦存于①雜填土中，該場地的水文地質條件較為簡單，主要接受大氣降水補給，雨水量較少，且集中于雨季，沒有統一的自由水面，地下水水量受周邊排泄條件影響很大。

1.2 基坑設計方案

本基坑支護設計采用以下方案：周邊圍護結構采用鉆孔灌注樁排樁，豎向設置一道環撐支撐體系。由于地形原因，基坑開挖深度也存在較大差異，最大開挖深度為12.7m（AB段），最小開挖深度為7.5m（EF段），按照“安全、經濟”的設計原則，其圍護結構的設計亦分段進行。

2 有限元模型建立

2.1 計算斷面選取

根據基坑的開挖深度及周邊環境，選擇基坑北側AB段（最不利地段）作為計算斷面。AB段的地層分布情況及其物理力學參數如表1所示。

2.2 計算模型建立

本文建立兩種計算模型：一種計算模型是既有邊坡不作任何處理；第二種計算模型是將既有邊坡等效為均布荷載，等效荷載大小為80KN/m。根據分析結果和模擬經驗，本文將第一種計算模型的尺寸定為100m×60m，將第二種計算模型的尺寸定為100m×54m。在計算模型中，將支護排樁看作是厚度一定的板，運用板單元進行模擬，用錨定桿對內支撐和換撐板進行模擬，將周邊建筑物等效為18KN/m的附加荷載。兩種計算模型及其有限單元網格劃分情況如表2所示。

2.3 計算參數選取及施工工況劃分

本文采用摩爾-庫倫本構模型進行分析，綜合有關計算理論和模擬經驗，給出模型的計算參數。巖土體物理力學參數如表1所示，支護結構參數如表3所示。

本文將基坑施工劃分成5個工況，模擬基坑開挖至基底的全過程。具體的施工工況劃分如表4所示。

3 數據分析

本節主要從圍護結構內力和變形兩個方面對以上兩個計算模型進行對比分析。

3.1 支護樁水平位移

由圖2及圖3可知：①支護樁樁頂的水平位移最大，樁底的水平位移最小，支護樁水平位移呈現“上大下小”的“大肚型”分布。②計算模型二條件下的支護樁水平位移比計算模型一條件下的支護樁水平位移大，例如在工況二中，計算模型二的支護樁樁頂水平位移比計算模型一的支護樁樁頂水平位移大2.6mm。這說明將既有邊坡等效成均布荷載會導致支護結構變形位移增大。

3.2 支護樁和內支撐內力

由圖4和圖5可知：①在工況二中，支護樁的彎矩呈現“兩頭小，中間大”的變化形態，曲線形態符合懸臂樁體的彎矩分布規律。②在工況二和工況四中，樁身最大彎矩出現在樁頂下8～10m范圍內，故在設計時應加大該段樁身的配筋。③計算模型二條件下的支護樁樁身彎矩比計算模型一條件下的支護樁樁身彎矩大，例如在工況二中，兩種模型的樁身最大彎矩相差約20KN.m。這說明將既有邊坡等效成均布荷載會導致支護結構彎矩增大。

開挖至樁頂以下8m、10m、12.7m（即基底）三種工況下的內支撐內力如圖6所示。

由圖6可知：①在基坑開挖過程中，內支撐內力在變化趨勢上是逐漸增大的。這說明基坑的開挖對內支撐內力影響很大。②計算模型二條件下的內支撐內力比計算模型一條件下的內支撐內力大，相差約250～300KN。

綜上分析可知，將既有邊坡等效成荷載的做法會增大支護結構的內力及變形。

4 模擬結果、設計成果與實測數據對比

本節將對比分析數值模擬結果、設計成果及實測數據，對上節已得到的結論進行進一步論證。

由圖7及圖8可知：支護樁水平位移模擬值與監測值較為接近，而由工程軟件計算得到的支護樁水平位移要比模擬結果和實測結果大許多。

由圖8可知：①實際監測得到的支護樁樁頂水平位移要比模擬得到的水平位移小一些。這主要是在模擬計算時沒有考慮冠梁對支護樁樁頂水平位移的限制作用及基坑旁大樹根系對土體強度的貢獻。②在換撐階段（即工況五），監測值比模擬值稍大，可能是由于拆除臨時內支撐時施工振動所引起的。

由圖9可知：內支撐內力模擬值雖不能與實測值完全吻合，但是兩者之間懸殊不大，最大誤差不超過8%，可以認為它們是基本吻合的。設計上的計算值比模擬值和實測值大。

綜上分析可知：設計時將既有邊坡等效成均布荷載，從而人為地增大了支護結構所受的土壓力，進而導致支護結構內力及變形偏大。這說明了工程設計上將既有邊坡等效成荷載的做法是不夠準確的，等效處理后的情況與實際存在一定偏差。在工程設計時，可以考慮將等效荷載進行一定折減，再運用到工程設計中。對于本基坑等效荷載的折減系數取值，通過對支護結構內力及變形的對比分析，折減系數取0.8最為科學。

5 結論

（1）在工程設計中，將既有邊坡作為等效荷載處理會人為地增大支護結構所受的土壓力，導致基坑設計偏向于保守，該做法有待改進。

（2）在實際工作中，可以考慮對等效荷載予以折減，然后再運用到基坑設計中。對于本基坑而言，通過對支護結構內力及變形的對比分析，其等效荷載的折減系數取0.8最為科學。

參考文獻：

[1]龔曉南.基坑工程特點和圍護體系選用原則[A].中國土木工程學會.中國土木工程學會第八屆年會論文集[C].中國土木工程學會：，1998：6.

[2]北京金土木軟件技術有限公司.PLAXIS巖土工程軟件使用指南[M].北京：人民交通出版社，2010.

[3]朱俊高，殷宗澤.土體本構模型參數的優化確定[J].河海大學學報，1996，02：68-73.endprint