深基坑內支撐支護結構變形規律與優化設計研究

林 浩 （福建慶展建設工程有限公司，福建 福州 350000）

基坑工程是一個多學科交叉的系統性工程，涉及結構工程學、土力學、巖石力學、地質工程等方面的知識，因此，基坑工程的穩定性和安全性的計算結果受到多種因素的影響[1]。在城市發展進程中，地下空間的開發為密集的城市人口提供了土地資源與人口空間需求矛盾的新解決途徑，但也對基坑工程的安全提出了更為嚴格的要求[2-3]。基坑工程計算理論的發展，已經從受力控制推進到了變形控制。確定施工過程中基坑支護結構的變形大小和發展規律，提出相應的優化設計方案，是目前深基坑工程設計與施工的重要研究內容。

本文以福建省福州市某建筑工程深基坑項目為研究對象，運用數值模擬的方法，分析了基坑圍護樁在開挖過程中變形規律，并考慮不同圍護樁直徑的影響，對支護結構進行優化，提出合理的樁基直徑優化方案。

1 工程概況

福建省福州市某建筑工程深基坑項目大致呈矩形，基坑開挖面積為2500m2，基坑長度為70m，寬度為36m，基坑北側和南側均為既有城市次干道，道路均為混凝土路面，北側次干道距離基坑邊線的距離為3m，南側次干道距離基坑邊線的距離為5m，城市東側為城市主干道，道路為瀝青混凝土路面，主干道距離基坑邊線為40m，主干道綠化帶距離基坑邊線為25m，基坑西側為既有高層民用住宅樓，樓層高度均為32層，采用筏板基礎，最近1棟住宅樓距離基坑邊線的距離為5m，如圖1所示。場區的工程地質物理力學參數見表1。基坑開挖深度為8m，局部坑中坑部分開挖深度為9.5m，基坑采用單排現澆鉆孔灌注樁支護+1道鋼筋混凝土支撐+1道鋼管樁支撐，現澆鉆孔灌注樁的直徑為700mm，樁深度為16m，樁底深入到③2粉土層，樁中心間距為1000mm，樁身混凝土強度等級為C30，主鋼筋為HRB40，主鋼筋直徑為20mm，共16根，沿基坑四周均勻分布，主鋼筋保護層厚度為35mm；樁頂設置冠梁，冠梁寬度為1000mm，高度為600mm，混凝土強度等級為C30。第一道鋼筋混凝土支撐截面尺寸為600mm×600mm，采用的C30等級混凝土澆筑，主鋼筋保護層厚度為35mm；第二道鋼管樁支撐為直徑300mm，厚度15mm的鋼管。由于場區地層存在淤泥質粉質黏土，土體的自穩能力及抗剪切強度較低，加上地下水潛水位較淺，存在雨水和地下水沿著粉土涌入基坑的情況，因此，在單排樁基圍護結構后采用三軸攪拌樁作為止水措施，三軸攪拌樁的直徑為850mm，樁長為14m，樁中心間距為600mm，采用P·O 42.5水泥進行噴射攪拌。

表1 場區工程地質參數

2 深基坑工程開挖支護模型的構建

從圖1中可以看出，基坑工程周邊的環境十分復雜，既有城市道路和建筑物都對基坑變形敏感，如果控制不當，極易引發結構大變形事故，造成不良的社會影響。為了研究基坑工程支撐和圍護結構在開挖過程中的變形規律，研究采用邁達斯MIDAS GTS NX巖土有限元軟件建立深基坑工程三維計算模型，如圖2所示，基坑土體和內支撐的網格劃分采用軟件內嵌網格進行劃分。在模型構建過程中，可以在計算機輔助軟件CAD中建立好基坑的二維框線模型，并借助邁達斯軟件的導入功能進行土體的網格劃分和三維擴展[4-5]。數值計算的模型不考慮基坑邊線的局部變化，將其簡化成長方體，長×寬×深的尺寸為70m×35m×8m，基坑周邊施工超載按照20kPa取值，西側的高層建筑按照15kPa/層取值，共480kPa。計算時混凝土的彈性模量取值為30kN/mm2，重度為25kN/m3，泊松比為0.2，采取彈塑性本構模型進行計算，鋼支撐的彈性模量取值為200kN/mm2，重度為78.5kN/m3，泊松比為0.25，施加預應力3000kN，采用彈性本構模型進行計算；土體的物理力學參數如表1所示，各層土體采用摩爾庫倫本構模型進行計算[6-9]。第一道鋼筋混凝土支撐設置在地表以下1.5m，第二道鋼管支撐設置在地表以下5m，因此，基坑開挖的計算過程為：①平整地表，地下水降深，放坡開挖至1.5m→②施作第一道鋼筋混凝土支撐→③第一道鋼筋混凝土支撐達到設計強度要求，繼續開挖至地表以下5.5m→④架設第二道鋼支撐→⑤繼續開挖至基坑底部→⑥施工封底混凝土。

3 深基坑工程開挖支護結構的變形數值模擬結果分析

圖3為不同開挖步序下鉆孔灌注樁水平位移隨著深度的變化曲線。從圖3中可以看出，隨著深度的增加，不同開挖步序下鉆孔灌注樁的水平位移變化規律基本相同，均呈現不斷增加后迅速減小，并趨于收斂，即 “中間大，兩頭小” 的變化規律；開挖步序①的鉆孔灌注樁的水平位移峰值出現在深度2m處，水平位移值為4.3mm，開挖步序③的鉆孔灌注樁的水平位移峰值出現在深度6m處，水平位移值為8.5mm，開挖步序⑤的鉆孔灌注樁的水平位移峰值出現在深度8m處，水平位移值為13mm；在相同的深度范圍內，隨著開挖深度的增加，鉆孔灌注樁的水平位移不斷增加，在深度11m 以下，3種不同開挖步序條件下的鉆孔灌注樁位移值接近，且數值均較小，小于2.5mm，可以認為圍護結構底部附近為嵌固邊界，受到開挖的影響較小，而樁中部的水平位移變化較大，這是因為第一道混凝土支撐的剛度較大，而底部又是嵌固邊界，因此可以認為水土壓力使得樁體受彎，在施工過程中應加強中部的支撐剛度，以減小樁體的水平位移，進而控制周邊土體的擾動。

圖3 不同開挖步序下鉆孔灌注樁水平位移隨深度的變化曲線

為了更好地優化設計圍護支撐結構，數值計算設置了3 種不同的圍護樁計算工況，分別為工況A：樁直徑800mm、工況B：樁直徑700mm、工況C：樁直徑600mm。圖4和表2 為不同計算工況下鉆孔灌注樁的最大水平位移變化規律。

表2 不同計算工況條件下樁水平位移最大值增幅對比

從圖4中可以看出，在相同的施工步序下，工況A的樁最大水平位移值明顯小于工況B和工況C，隨著施工步序的增加，樁的最大水平位移也不斷增加。從表2中可以看出，相對于工況A，工況B在步序①時，樁的最大水平位移增幅增加59.26%，在步序③時，樁的最大水平位移增幅增加30.77%，在步序⑤時，樁的最大水平位移增幅增加30%；相對于工況B，工況C在步序①時，樁的最大水平位移增幅增加4.65%，在步序③時，樁的最大水平位移增幅增加5.88%，在步序⑤時，樁的最大水平位移增幅增加10%。由此可以看出，在樁直徑為600mm增加至700mm時，樁的最大水平位移降低較少，而直徑從700mm 增加至800mm 時，樁的最大水平位移大幅度降低，因此，在工程投資允許的條件下，可以適當將樁基直徑優化為800mm，以提高深基坑圍護結構的剛度，減小樁的最大水平位移和周邊土體的擾動。

4 結語

以福建省福州市某建筑工程深基坑項目為研究對象，運用數值模擬的方法，分析了基坑圍護樁在開挖過程中變形規律，并考慮不同圍護樁直徑的影響，對支護結構進行優化，得到以下結論：

（1）隨著深度的增加，不同開挖步序下鉆孔灌注樁的水平位移變化規律基本相同，均呈現不斷增加后迅速減小，并趨于收斂。

（2）在相同的深度范圍內，隨著開挖深度的增加，鉆孔灌注樁的水平位移不斷增加，在深度11m以下，不同開挖步序條件下的鉆孔灌注樁位移值均較小于2.5mm。

（3）對比不同樁直徑計算工況表明，在工程投資允許的條件下，可以適當將樁基直徑優化為800mm，以提高深基坑圍護結構的剛度，減小樁的最大水平位移和周邊土體的擾動。