基于數值模擬深基坑支護參數優化研究

王浩 王超 王蒙

摘? 要：以蒙自某采用樁錨支護形式的基坑為研究對象，建立有限元三維模型，探討支護參數包括樁徑、樁間距和樁長變化時對基坑變形的影響，通過對支護樁水平位移和基坑周邊地表沉降變化曲線的分析，對支護參數進行優化，為以后類似的基坑提供參考。

關鍵詞：深基坑;MIDAS/GTS;支護參數

中圖分類號：TU753 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）04-0058-03

Abstract： Taking a foundation pit in Mengzi as the research object， a three-dimensional finite element model is established to explore the influence of supporting parameters including pile diameter， pile spacing and pile length on the deformation of the foundation pit. Through the analysis of the horizontal displacement of supporting piles and the change curve of ground settlement around the foundation pit， the supporting parameters are optimized to provide reference for similar foundation pit in the future.

Keywords： deep foundation pit; MIDAS/GTS; support parameters

1 工程概況及地質情況

1.1 工程概況

蒙自市錦隆財富國際建設項目位于紅河州蒙自市北京路與天馬路交叉口東南側，該項目基坑支護結構由十四冶建設云南勘察設計有限公司設計。基坑為不規則九邊形，基坑東北側與居民住房僅距5.0m，東南面與超市最近距離僅3.4m，基坑四周均埋有淺層地下管線，對基坑開挖影響較大。

1.2 地質情況

勘察報告顯示，地層自上而下分為四層，按順序分別是第四系人工填土層、第四系坡洪積地層、第四系坡殘積地層和第三系地層。

2 三維模型的建立

本文采用Mohr-Coulomb本構模型建模，支護樁、冠梁和腰梁采用梁單元[1]，支護樁樁徑1000mm，樁間距1.6m，樁長21m，樁土間設置沒有厚度、沒有質量樁接觸面單元，錨索采用植入式桁架單元，分設在-4m、-6.2m、-8.6m、-11.2m、-13.8m處，錨索水平間距3.2m。

3 基坑變形因素分析

錨索及灌注樁在樁錨支護體系中形成強大支護體，有效限制基坑位移，確保基坑安全、穩定[2]。其中，灌注樁在抑制基底隆起、減小周邊土體沉降也發揮著重要作用[3]。本文利用有限元軟件，探討樁徑、樁間距和樁長對基坑變形的影響，對支護樁進行優化設計。

3.1 樁徑對基坑變形的影響

本節分別以400mm、450mm、500mm以及550mm四種樁半徑對基坑進行模擬開挖，分析樁半徑變化帶來的影響。

由圖1可見，支護樁水平位移與樁徑成反比關系，支護樁半徑為400mm時，最大水平位移30.46mm，半徑為450mm時所產生的最大水平位移27.32mm與之相比減幅3.14mm。支護樁半徑為500mm時，最大水平位移26.14mm，半徑為550mm時最大水平位移24.89mm，相較而言減少了1.25mm。支護樁最大水平位移在樁半徑由450mm增至500mm時，減少量最小，為1.18mm。樁徑大小影響樁身剛度[4]，樁徑增大，支護結構水平位移減幅遞減，但工程造價急劇上升，故而當水平位移滿足變形控制要求時，盡量選用直徑較小的樁。

支護樁半徑由400mm增加至550mm時，基坑邊地表最大沉降量呈遞減趨勢，最大沉降量分別是9.63mm、9.02mm、8.72mm及7.95mm。樁半徑由500mm增加至550mm時，最大沉降量減小較為明顯，為0.77mm。樁徑越小，對基坑邊影響的最遠距離越遠。

通過圖1可以看出，樁半徑宜控制在450mm至500mm之間，支護樁水平位移及基坑邊地表沉降較小，能在滿足基坑變形控制要求的同時，節約工程材料。若采用450mm樁半徑，其他條件不變，所需支護樁根數為320根，混凝土工程量為4272.91m3。

3.2 樁距對基坑變形的影響

本節分別采用樁間距1.4m、1.6m、1.8m和2m進行數值模擬。

由圖2可見，支護樁間距為1.4m時，支護樁最大水平位移24.13mm，樁間距為1.6m時最大水平位移26.14mm與之相比增加2.01mm。支護樁間距為1.8m時，支護樁最大水平位移27.48mm，樁間距為2m時最大水平位移30.22mm與之相比增加2.74mm。其中樁間距由1.6m增加到1.8m支護樁水平位移增加較少，為1.34mm。可以看出，支護樁水平位移和樁間距成正比關系。支護樁的間距決定了整個基坑工程中支護樁的數量，雖然將支護樁間距減小至1.4m，更能滿足基坑穩定性的要求，但這也會增加工程成本。

基坑邊地表沉降量隨支護樁樁距同比增加，支護樁樁距從1.4m增加至2.0m，基坑邊最大沉降量分別是8.14mm、8.72mm、8.95mm及9.55mm。樁距由1.8m增至2m時，坑邊最大沉降量增加比較明顯，增加值為0.6mm。最大沉降影響范圍約距坑邊7m，隨著樁距增加，影響距離相應增加。

通過圖2可以看出，樁距宜控制在1.6m～1.8m，支護樁水平位移及基坑邊地表沉降較小，能在確保支護體穩定的同時兼顧造價。若選用1.8m樁距，其他條件不變，需要支護樁286根，混凝土工程量為4714.71m3。

3.3 樁長對基坑變形的影響

本節探討支護樁樁長變化時，基坑的變形情況，為此分別取17m、19m、21m、23m四種樁長進行計算。

由圖3可見，支護樁樁長為17m時，支護樁最大水平位移30.25mm，樁長為19m時支護樁最大水平位移27.39mm與之相比減小2.86mm。支護樁樁長為21m時，支護樁最大水平位移26.14mm，樁長為23m時支護樁最大水平位移24.71mm與之相比減小1.43mm。樁長由19m增加至21m，支護樁最大水平位移減小1.25mm。支護樁最大水平位移和樁長成反比關系，當樁長增加到某一長度后對于結構的變形影響很小，因此，樁身嵌固深度只要達到基坑穩定要求即可。

基坑邊地表沉降量受樁長變化影響，沉降值隨著樁長增長而減小，支護樁樁長從17m增長至23m，對應的基坑邊最大沉降值分別為9.32mm、8.84mm、8.72mm及8.35mm。坑邊最大沉降量在樁長由17m至19m時降低明顯，減小值為0.48mm。樁長對坑邊地表沉降影響的最遠距離隨著樁長的減小而增遠。

通過圖3可以看出，樁長宜控制在19m～21m，支護樁水平位移及基坑邊地表沉降較小，若選用長19m的支護樁，其他條件不變，需要支護樁320根，混凝土工程量為4772.80m3。

4 結論

本工程利用MIDAS/GTS有限元軟件分析探討當樁徑、樁間距和樁長變化時，支護樁水平位移和地表沉降的曲線變化規律，對比發現，采用減小樁徑的方法最為有效，建議采用900mm的樁徑，既能保證基坑安全穩定，又能使混凝土工程量最少，避免工程材料浪費，為業主帶來更多工程價值。

參考文獻：

[1]鐘連祥，陳飛，熊如宗，等.深基坑樁錨支護結構變形分析和數值模擬[J].江西理工大學學報，2018，39（01）：6-10.

[2]錢偉豐.樁錨支護結構在深基坑開挖過程中的變形及受力研究[D].西安建筑科技大學，2017.

[3]曾志成.兩種不同樁錨支護體系受力機理的數值研究[D].長安大學，2014.

[4]位俊俊.樁身剛度對超長單樁豎向承載特性影響研究[D].河南大學，2013.