基坑開挖深度對支護結構變形影響研究

王智虎

（新疆水利水電項目管理有限公司,新疆 烏魯木齊 830000）

1 引言

隨著我國地下空間工程利用率的迅速發展,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也極為復雜,因此系統地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,雙側開挖基坑可以顯著減小路基的變形,且可以有效降低鋼軌沉降差。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,影響也更為顯著。李宇熙[4]采用數值模擬系統的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,基坑尺寸接近或大于臨界長寬比時最大位移接近穩定。王梅[5]采用數值模擬研究了基坑尺寸對基坑支護結構變形影響。結果表明,開挖面以上,擋墻上主動土壓力隨長寬比增大而減小,而開挖面以下,主動土壓力隨基坑開挖長寬比增大而增大。韋鴻飛[6]基于數值分析了基坑開挖深度與坡頂建筑物安全距離關系。結果表明,當基坑開挖深度達到20 m 時,基坑外地層土體達到極限平衡狀態。鄭加柱和光輝[7]綜合采用現場監測數據和卡爾曼濾波模型研究了基坑開挖深度的動態變形規律。結果表明,提出的基坑變形預測模型能夠與實測變形規律吻合,證明模型預測效果比較理想。張鑫海等[8]基于理論解析手段研究了基坑開挖尺寸對下方隧道橫向受力的影響。結果表明,基坑開挖引起的圍壓卸載效應主要作用于隧道拱頂和拱底。本文基于有限元數值模型,研究基坑開挖深度對支護結構及地表變形的影響規律。

2 工程概況

研究區基坑位于軟土地區,根據鉆孔資料,區內地層由上至下巖性見圖1。根據工程需要,基坑開挖的最小深度為4 m,寬度也為4 m,采用鋼板樁進行基坑支護,樁的截面尺寸為φ508×9 mm,間距為4 m。布置橫向支撐兩道,其中第一道橫向支撐在地面0.5 m 深度以下,第二道橫向支撐位于地面2.5 m 以下,每道橫向支撐間距不小于2.5 m。

本文采用MIDAS/GTS 數值軟件進行建模分析,巖土體物理力學參數匯總于表1。巖土體采用摩爾-庫倫本構模型進行計算,鋼板樁彈摸為200000 MPa,重度為80 kN/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0.5 m 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

3 計算結果與分析

3.1 樁水平位移分析

圖2 匯總得到樁水平位移隨基坑開挖深度的變化規律。結果表明,當基坑開挖深度小于10 m 時,樁的位移隨基坑開挖深度增大而增大,當基坑開挖深度大于10 m 時,樁的位移隨基坑開挖深度保持不變。當基坑開挖深度位于填土層內,樁的位移變化不明顯,當基坑開挖深度位于淤泥土層內,由于土層的工程性質較差,導致樁的位移迅速增大,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93 mm。

圖2 樁水平位移與基坑深度關系

圖3匯總得到樁頂水平位移最大值隨基坑深度變化規律。結果表明,樁頂水平位移隨基坑深度增大而先增大后減小隨后保持不變。樁頂水平位移達到最大值為16 mm,出現在基坑深度為2.5 m 位置處。當基坑深度進一步增大至5 m 時,樁頂水平位移保持2.6 mm 不變。綜合以上結果可以看出,基坑底部及樁下半段位于淤泥層內時,由于無支撐的約束作用,導致樁頂位移迅速增大。

圖3 樁頂水平位移與基坑深度關系

3.2 樁軸力分析

圖4 匯總得到樁的負軸力隨基坑深度變化規律。結果表明,樁的負軸力隨基坑深度的增大先增大然后緩慢增大最后趨于穩定。總體來看,樁的負軸力最小值不到1 kN,最大值為255 kN。這是因為在基坑底部土質工程性質較好,因此樁的最大負軸力比較穩定。在基坑開挖深度達到17 m 時,樁的最大負軸力在15 m 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 樁負軸力移隨基坑深度變化

3.3 樁彎矩分析

圖5 匯總得到樁的最大負彎矩隨基坑深度變化規律。結果表明,隨著基坑深度增大,負彎矩先增大隨后在基坑深度為12 m 的時候保持不變。也即當樁端位于土質較差的土層內,樁端負彎矩變化速率較大,當位于土質較好的土層內,樁的負彎矩變化率稍緩。

圖6 匯總的到樁的最大正彎矩隨基坑深度變化規律。結果表明,隨著基坑深度增大,最大正彎矩隨基坑深度變化并不明顯。當基坑深度小于10 m 時,最大正彎矩呈增大規律,最大值為280 kN?m。當基坑深度較小時,樁的最大正彎矩趨于0 值。基坑深度大于10 m 時,樁端進入花崗巖巖層內,彎矩值降低。因此,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關系

3.4 橫向支撐軸力分析

圖7 匯總得到支撐軸力隨基坑深度變化情況。本文考慮基坑20 m 深度范圍內共設置7 道支撐。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,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1500 kN。

3.5 地表最大位移分析

圖8 匯總得到地表最大正位移隨基坑深度變化。結果表明,隨基坑深度增大,地表最大正位移呈上升趨勢,但增大速率隨基坑深度增大而減小。導致這一現象的主要原因是由于支撐的約束作用。在最大正位移穩定時,最大值為26 mm,而對應的距基坑邊緣最大距離變化范圍為0~16 m 之內。總體表明,地表最大正位移影響范圍較大,實際工程中應進行跟蹤監測,減小或者避免由于基坑隆起造成的工程問題。

圖9 匯總得到地表最大負位移（沉降位移）隨基坑深度變化。結果表明,隨基坑深度增大,地表最大沉降呈上升趨勢,但增大速率隨基坑深度增大而減小,最終當基坑深度大于10 m時,趨于穩定數值。此外,在基坑深度為20 m 時,地表最大沉降位移接近87 mm,穩定時,最大沉降接近4.3 mm。由此可見,地表沉降影響范圍約為6.0 m,實際工程中應關注該范圍內的建筑物,避免發生較大的變形。

4 結論與建議

本文依托某軟土地區基坑開挖深度對支護結構變形影響,采用MIDAS 進行了數值模擬研究,得到如下幾點結論：

（1）樁的水平位移隨基坑開挖深度的增大而先增大隨后保持平穩；樁的負軸力隨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）隨基坑深度的增大而緩慢增大,地表隆起的影響范圍介于0~16 m內,對應的地表沉降影響范圍約6.0 m,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,因此實際工程中應增大支護結構剛度,以減小樁的變形。此外,當樁位于軟弱地層中,樁的位移過大對支護結構穩定性不利,因此在該深度范圍內也需增強支護結構剛度或增大結構截面尺寸。