基坑開挖深度對支護結構變形影響研究

周艷紅 楊 斌

（中國水利水電第九工程局有限公司，貴州 貴陽 550081）

0 引言

隨著我國地下空間工程利用率增加，基坑工程規模、形狀以及尺寸越來越復雜，這些因素導致基坑力學特性極為復雜，系統分析基坑開挖深度對基坑支護結構以及地表變形的影響具有重要的意義。

高立剛和寧貴霞[1]采用FLAC 3D 數值模擬研究了基坑開挖深度對既有鐵路線變形的影響。結果表明，雙側開挖基坑可以減少路基的變形并降低鋼軌沉降差。秦愛芳和蔣晨旭[2]基于物理模型試驗研究了基坑開挖卸荷影響深度分析，提出了基坑開挖深度的估算公式。梁艷等[3]基于極限平衡法研究了基坑開挖尺寸效應對基坑穩定性的影響。結果表明，在其他條件不變的情況下，基坑開挖尺寸越小，基坑的抗隆起安全系數越大，影響更顯著。李宇熙[4]采用數值模擬系統研究了基坑尺寸效應對基坑變形影響。結果表明，基坑分部開挖和開挖結束后支護結構墻頂變形的最小點和最大點分別位于坑角和基坑中部，當基坑尺寸接近或大于臨界長寬比時最大位移接近穩定。

該文基于有限元數值模型，研究了基坑開挖深度對支護結構及地表變形的影響規律。對相似工程的施工及設計具有指導意義。

1 工程概況

恒大新世界項目3F地塊位于貴州省貴陽市云潭北路旁，東臨擬建建筑恒大新世界3E 地塊，北鄰金嶺路，南側為將軍山，該項目范圍包括住宅1-12#樓（含裙樓商業），其中整體地下室3 層，地下室建筑面積約51141.14m2；地上部分1-11#樓地上層數為31F，12#樓地上層數為30F，地上建筑面積約為149471.43 m2；總建筑面積約為202159.9 m2。塔樓采用剪力墻結構，基礎為機械成孔灌注樁（摩擦樁、嵌巖樁）。根據鉆孔資料，區內地層由上至下巖性如圖1 所示。根據工程需要，基坑開挖的最小深度為4m，寬度也為4m，采用鋼板樁進行基坑支護，樁的截面尺寸為φ508mm×9mm，間距為4m。布置橫向支撐兩道，其中第一道橫向支撐在地面0.5m 深度以下，第二道橫向支撐位于地面2.5m 以下，每道橫向支撐間距不小于2.5m。

圖1 基坑典型斷面圖

該文采用MIDAS/GTS 數值軟件進行建模分析，巖土體物理力學參數匯總見表1。巖土體采用摩爾-庫倫本構模型進行計算，鋼板樁彈性模量為200000MPa，重度為80kN/m3。模擬工況為第一步進行位移場清零；第二步為鋼板樁施工；第三步為0.5m 深度基坑開挖，橫向支撐布置；第四步為后續步開挖，支撐依次交替布置。

表1 巖土體物理力學參數

2 計算結果與分析

2.1 樁水平位移分析

根據圖2 可知樁水平位移隨基坑開挖深度變化的規律。結果表明，當基坑開挖深度小于10m 時，樁的位移隨著基坑開挖深度增大而增大，當基坑開挖深度大于10m 時，樁的位移保持不變。當基坑開挖深度位于填土層內時，樁的位移變化不明顯，當基坑開挖深度位于淤泥土層內時，由于土層的工程性質較差，因此樁的位移迅速增大，當進一步增大基坑深度時，樁的水平位移基本保持不變，其值為93mm。

圖2 樁水平位移與基坑深度的關系

圖3 匯總得到樁頂水平位移最大值隨著基坑深度變化的規律。結果表明，樁頂水平位移隨著基坑深度增大而先增大后減少，隨后保持不變。樁頂水平位移達到的最大值為16mm，出現在基坑深度為2.5m 的位置。當基坑深度進一步增大至5m 時，樁頂水平位移保持2.6mm不變。綜合以上結果可以看出，由于基坑底部及樁下半段位于淤泥層內且無側向支撐的約束固定作用，因此導致樁頂位移迅速增大，在實際工程中應在工程地質條件不良的地層中做好防護措施，避免發生安全事故。

圖3 樁頂水平位移與基坑深度的關系

2.2 樁軸力分析

圖4 匯總得到樁的負軸力隨著基坑深度變化的規律。結果表明，樁的負軸力隨著基坑深度的增大先迅速增大，然后緩慢增大，最后趨于穩定。其中，樁的負軸力最小值不到1kN，最大值為280kN。導致樁的負軸力出現這一規律的主要原因是基坑底部土質工程性質較好，樁的最大負軸力比較小且穩定。此外，當基坑開挖深度達到17m 時，樁的最大負軸力在15m 位置處保持穩定。總體來看，樁最大負軸力所對應的位置均略高于坑底。

圖4 樁負軸力移隨著基坑深度變化

2.3 樁彎矩分析

圖5 匯總了到樁的最大負彎矩隨著基坑深度變化的規律。結果表明，隨著基坑深度增大，負彎矩先增大隨后趨于穩定，當基坑深度開挖至10m 時，樁的負彎矩略增大，隨后隨著基坑開挖深度的增大，樁的負彎矩大小基本保持不變。產生這一規律的主要原因是當樁端位置處于工程地質條件較差的地層內時，樁端負彎矩變化速率較大，反之，當位于土質較好的土層內時，樁的負彎矩變化率稍緩。

圖5 樁最大負彎矩與基坑深度的關系

圖6 匯總了到樁的最大正彎矩隨著基坑深度變化的規律。結果表明，隨著基坑深度增大，最大正彎矩隨著基坑深度變化并不明顯。當基坑深度小于10m 時，最大正彎矩呈增大規律，最大值為280kN·m。當基坑深度較小時，樁的最大正彎矩趨于0 值。當基坑深度大于10m 時，樁端進入花崗巖巖層內，彎矩值降低。當基坑深度大于14m 時，樁的最大正彎矩基本保持不變。根據樁的位置與基坑深度可以發現，樁的最大正彎矩對應的位置在礫砂土層內。

圖6 樁最大正彎矩與基坑深度的關系

2.4 橫向支撐軸力分析

根據該文基坑20m深度范圍內共設置7道支撐軸力隨著基坑深度的變化規律可知，其中第一道支撐總體處于受拉狀態，其余6 道支撐均處于受壓狀態。當基坑開挖深度小于6m 時，第一道支撐軸力隨著基坑深度增大而增大，當基坑開挖深度大于6m 時，支撐軸力基本保持不變。此外，除第一道支撐軸力外，其余每道支撐在基坑深度方向的軸力變化趨勢并不明顯，但第6 道支撐的軸力最大，最大值為1500kN，軸力最大位置在基坑18m 和20m 處。

2.5 地表最大位移分析

匯總得到地表最大正位移隨著基坑深度變化。結果表明，隨著基坑深度增大，地表最大正位移呈上升趨勢，但增大速率隨著基坑深度增大而減少。導致這一現象的主要原因是支撐的約束作用。當最大正位移穩定時，最大值為26mm，而對應的距基坑邊緣最大距離變化范圍為0m～16m。總體表明，地表最大正位移影響范圍較大，在實際工程中應進行跟蹤監測，減少或者避免由于基坑隆起導致的工程問題。

匯總得到地表最大負位移（沉降位移）隨著基坑深度的變化規律。結果表明，隨著基坑深度增大，地表最大沉降呈上升趨勢，但增大速率隨著基坑深度增大而減少。最終當基坑深度大于10m 時，地表最大沉降值趨于穩定數。此外，當基坑深度為20m 時，地表最大沉降位移接近87mm，當穩定時最大沉降接近4.3mm，滿足規范的安全性要求。此外根據地表最大負位移與基坑深度關系可以總結出地表沉降影響范圍約為6.0m，在該范圍內，基坑開挖會對周圍建筑物產生較大的影響。在實際工程中應關注該范圍內的建筑物，做好監測及防護結構措施，避免發生安全事故。

3 結論與建議

該文依托貴州恒大新世界項目來分析基坑開挖深度對支護結構變形的影響，采用MIDAS 進行了數值模擬研究，得到如下3 點結論：1）樁的水平位移隨著基坑開挖深度的增大而增大，隨后保持平穩；樁的負軸力隨著基坑深度增大而先快速增大，隨后緩慢增大，最后保持穩定；基坑橫向支撐多數均處于受壓狀態；2）地表最大正位移（隆起）和最大負位移（沉降）隨著基坑深度的增大而緩慢增大，地表隆起的影響范圍介于0m～16m，對應的地表沉降影響范圍約6.0m，在實際工程施工中，應注意關注影響區范圍內的建筑物變形問題；3）根據樁的位移分布規律，在基坑較深的位置處樁承受的壓力迅速增大，在實際工程中應增大支護結構剛度，減少樁的變形。此外，當樁位于軟弱地層中時，樁的位移過大對支護結構穩定性不利，在該深度范圍內須增強支護結構剛度或增大結構截面尺寸。