深基坑樁錨支護結構變形的土體參數敏感性分析

楊軍朝

（西安公路研究院，陜西 西安 710065）

0 引言

隨著我國城市化建設的大規模發展，地上空間逐漸不能滿足人們生活和城市建設的需求，合理地利用和開發地下空間已成為目前城市工程建設重點方向[1]。城市縱深發展和基坑工程息息相關，深基坑良好的穩定性不僅能保證基坑自身安全性，更能降低對周邊建筑和環境的影響，因此，針對深基坑變形及穩定性影響因素的敏感性分析具有重要的意義[2]。

目前，國內外關于深基坑工程設計和建設的相關研究正在不斷進行，同時也取得了重要研究成果[3-4]。如韓健勇等[5]針對樁錨支護結構深基坑受力變形及穩定性展開分析，研究發現砂土地層深基坑采用樁錨支護結構具有可行性，可滿足基坑的安全性要求；砂土層深基坑開挖引起的變形時間效應不明顯，樁頂最大水平位移約30.69 mm。李金華等[6]關于南寧地鐵2 號線車站深基坑開挖變形規律展開研究，發現基坑開挖對周圍土體最大影響點距基坑邊緣約為0.7H（H 為基坑最大開挖深度）；灌注樁的變形規律呈“弓”字形，頂部位移較小，最大位移出現在底板與第3 道鋼支撐之間。陳樹林等[7]針對緊鄰既有結構的深基坑受力變形特性進行分析，結果表明地下結構使坑間土體產生土拱效應而減小鄰近基坑圍護結構的變形；圍護結構最大水平位移隨著坑間距減小呈非線性減小；間距的變化會影響坑內外土體的變形受力；既有地下結構與鄰近基坑的臨界間距為1.5 倍開挖深度。曾婕等[8]關于軟土地區深基坑變形控制措施對減小臨近隧道變形的效果展開分析，研究發現采取坑內、外土體加固措施在減小基坑開挖導致的隧道位移方面效果明顯，增加支護樁樁徑對隧道水平位移控制比較有利，而增加支護樁樁長對隧道水平位移控制效果有限。上述研究主要是針對深基坑開挖過程和支護結構形式分析了基坑的變形及穩定性，而關于深基坑變形的土體參數敏感性分析還有待深入研究。基于此，本文針對不同土體參數對深基坑樁錨支護結構變形的影響展開敏感性分析，其結論可供深基坑樁錨支護結構工程的設計提供借鑒和參考。

1 工程概括

某深基坑工程項目位于人口密集地區，建筑高度為 118.6 m，共33 層，建筑面積約336 452 m2，地下停車場設計為兩層。深基坑開挖總面積約23 186 m2，開挖深度為10～12 m。基坑南側靠近城鎮主干道，離基坑下口線最近距離為18.5 m，東側為擬建商品樓盤，離基坑下口線最近距離為26.2 m，北側為鄰近安置小區，離基坑下口線最近距離為20.5 m，西側靠近高層建筑物，離基坑下口線最近距離為23.6 m。基坑支護結構采用樁錨支護體系，側壁安全等級為Ⅰ級，分別在距離地表深度3.5 m、6 m 和8.5 m 處設置3 道預應力錨桿。圖1 為深基坑中某樁錨支護結構截面示意圖。地基土體組成由上至下依次為，上部由磚土、碎石和粉狀黏土等構成的雜填土層；中部為長石質、棱角形的黃褐色中砂層，顆粒級配一般；下部為軟塑性，韌性較差，干強度低的灰色黏性土層，基坑中土體材料參數如表1 所示。

圖1 支護結構截面示意圖（單位：m）

表1 土體物理參數

2 模型建立

本文通過運用有限元軟件MIDAS/GTS 建立深基坑樁錨支護結構二維平面模型，模型底部長度為40 m，頂部長度為20 m，高度為20 m，模型共計單元384 個，節點1 362 個，其計算模型整體示意如圖2 所示。

圖2 基坑樁錨支護結構有限元模型圖

由于基坑開挖后的形狀為長方形，采用的支護形式為樁錨支護，因此，在分析結構變形時只截取一側樁錨支護結構建立二維平面模型，模型中均采用二維4 節點實體單元進行模擬，支護樁和錨桿分別采用梁和植入式桁架單元進行模擬，材料計算采用摩爾- 庫侖準則。在計算時需對模型進行以下假定：支護樁為線性彈性材料，土體均為摩爾- 庫侖彈塑性材料，錨索為植入式桁架，土層均為成層均質水平分布。模型設置的邊界條件為：模型左右兩側均采用水平約束，對底面進行固定并采用豎向位移約束，上部為自由邊界。模型中支護樁采用灌注樁，樁長16 m，直徑為1 m，放置間距為0.4 m，其材料參數如表2 所示。3 道預應力錨索具體參數如表3 所示。

表2 支護樁物理參數

表3 錨桿物理參數

3 土體參數敏感性分析結果

對于基坑工程設計而言，土體參數的選取很大程度上決定了基坑最終變形結果，因此合理地選取土體參數對維護基坑的穩定性具有重要意義。本文采用控制變量法，在支護樁上分別布置A1～A9 多個測點，由上而下間距為2 m，具體測點位置見圖1 所示。通過改變某一土體參數，保持其余土體參數不變，分別分析了土體的不同彈性模量、內摩擦角、黏聚力及泊松比對支護樁水平位移的影響。

3.1 彈性模量的影響

彈性模量的定義是土體所受的應力和在應力作用下產生的應力之比，是決定土體應力應變的重要指標。本文通過控制土體內摩擦角、黏聚力和泊松比不變，分別針對土體彈性模量為20 MPa、30 MPa、40 MPa 和50 MPa 的支護樁模型進行水平位移對比分析，結果如圖3 所示。

圖3 不同彈性模量-支護樁水平位移變化曲線

根據圖3 可知，隨著土體彈性模量的增大，支護樁各測點位置水平位移均呈減小趨勢，說明增大土體彈性模量可以有效防止支護樁發生較大水平位移。在不同土體彈性模量情況下，支護樁最大水平位移均發生在測點A5 位置上，最大值分別為15.23 mm、12.47 mm、10.45 mm 和8.44 mm，該測點位置為支護樁中心位置，說明支護樁發生變形最大的位置主要集中在中部。當測點位置由A1 至A5 時，支護樁水平位移值逐漸增大，說明靠近樁頂位置，支護樁的水平位移值要小于樁中位置；測點位置從A5 至A9，支護樁水平位移值出現較大幅度的減小，說明越靠近樁底位置，支護樁的水平位移越小。由此可知，支護樁發生變形主要在靠近樁中位置，增大土體彈性模量可以有效減小支護樁水平位移，從而更好保持深基坑樁錨支護結構的穩定性。

3.2 內摩擦角的影響

土粒之間的摩阻力與連鎖共同作用決定土體內摩擦角的取值，是體現土體摩阻性質的重要指標。本文通過調整土體內摩擦角取值，保持其余參數不變，分別針對內摩擦角為20°、25°、30°及35°的基坑模型進行支護樁變形對比分析，結果如圖4 所示。

圖4 不同內摩擦角-支護樁水平位移變化曲線

由圖4 可知，支護樁各測點位置水平位移均隨著土體內摩擦角的增大而減小，說明增大土體內摩擦角可以有效防止支護樁發生較大水平位移。在土體內摩擦角分別為20°、25°、30°和35°的情況下，支護樁最大水平位移均發生在測點A5 位置上，最大值分別為 21.39 mm、17.63 mm、14.57 mm 和12.34 mm，該測點位置為支護樁中心位置，說明支護樁發生變形最大的位置主要集中在中部。當測點位置由A1 至A5 時，支護樁水平位移值逐漸增大，說明靠近樁頂位置，支護樁的水平位移值要小于樁中位置；測點位置從A5 至A9，支護樁水平位移值出現較大幅度的減小，說明越靠近樁底位置，支護樁的水平位移越小。綜上所述，支護樁變形最大的位置在靠近樁中，其次是靠近樁頂位置，變形最小是靠近樁底位置，增大土體內摩擦角可以有效降低支護樁變形，同時更好保持深基坑樁錨支護結構的穩定性。

3.3 黏聚力的影響

黏聚力指的是土粒之間分子引力與化合物膠結作用共同作用形成的黏結力。本文通過調整土體黏聚力取值，保持其余參數不變，分別針對黏聚力為10 kPa、15 kPa、20 kPa 及 25 kPa 的基坑模型進行支護樁變形對比分析，水平位移變化曲線如圖5 所示。

圖5 不同黏聚力-支護樁水平位移變化曲線

根據圖5 可知，隨著土體黏聚力的增大，支護樁各測點位置水平位移均呈減小趨勢，說明增大土體黏聚力可以有效防止支護樁發生較大水平位移。土體黏聚力分別為 10 kPa、15 kPa、20 kPa 和 25 kPa的情況下，支護樁最大水平位移均發生在測點A5位置上，最大值分別為 12.43 mm、10.87 mm、10.06 mm和8.18 mm，該測點位置為支護樁中心位置，說明支護樁發生變形最大的位置主要集中在中部。支護樁最小水平位移均發生在測點A9 位置上，最小值分別為3.42 mm、2.94 mm、2.70 mm 和 2.29 mm，該測點位置位于支護樁最底部，說明靠近支護樁樁底位置變形值最小。當黏聚力為10 kPa 時，支護樁水平位移最大變化了9.01 mm；黏聚力為15 kPa 時，最大變化了7.93 mm；黏聚力為20 kPa 時，最大變化了7.36 mm；黏聚力為 25 kPa 時，最大變化了5.89 mm。綜上所述可知，增大土體黏聚力可以有效降低支護樁水平位移，但效果會隨著黏聚力的不斷增大而逐漸減小，因此，適當增大黏聚力來防止支護樁發生較大變形。

3.4 泊松比的影響

泊松比是體現土體側向變形的重要指標，泊松比的大小直接反映土體的強度與變形特性。本文通過調整土體泊松比取值，保持其余參數不變，分別針對泊松比為0.2、0.25、0.3 及0.35 的基坑模型進行支護樁變形對比分析，得到水平位移變化曲線如圖6所示。

根據圖6 可知，隨著土體泊松比的增大，支護樁各測點位置水平位移均呈增大趨勢，說明增大土體泊松比會造成支護樁發生更大水平位移。在土體泊松比分別為0.2、0.25、0.3 及0.35 情況下，支護樁最大水平位移均發生在測點A5 位置上，最大值分別為 9.62 mm、12.26 mm、13.60 mm 和 15.11 mm，該測點位置為支護樁中心位置，說明支護樁發生變形最大的位置主要集中在中部。當測點位置由A1 至A5時，支護樁水平位移值逐漸增大，說明靠近樁頂位置，支護樁的水平位移值要小于樁中位置，測點位置從A5 至A9，支護樁水平位移值出現較大幅度的減小，說明越靠近樁底位置，支護樁的水平位移越小。由此可知，支護樁發生變形主要在靠近樁中位置，增大土體泊松比會增大支護樁水平位移，因此，為防止基坑發生較大變形和保持深基坑樁錨支護結構的穩定性，可以采取相應措施控制土體泊松比不宜過大，如在基坑邊緣設置安全界限，避免基坑邊緣土體因外界產生擾動；控制基坑周邊土體沉降等措施。

圖6 不同泊松比-支護樁水平位移變化曲線

4 結論

本文針對土體彈性模量、內摩擦角、黏聚力及泊松比對基坑樁錨支護結構變形的影響展開了敏感性分析，得到以下主要結論：

a）土體彈性模量、內摩擦角、黏聚力及泊松比對基坑樁錨支護結構變形影響的敏感性均較強，土體參數對基坑樁錨支護結構變形具有較大影響，隨著土體彈性模量、內摩擦角和黏聚力的增大，基坑支護樁變形量會逐漸變大，隨著土體泊松比的增大，基坑支護樁變形會逐漸變小。

b）基坑支護樁水平位移由上至下呈先增后減趨勢變化，最大水平位移發生在靠近樁中位置，其次是靠近樁頂位置，最小水平位移發生在靠近樁底位置。