基坑支護樁嵌固深度變化對基坑性狀的影響

侯 向

(西南林業大學土木工程學院，云南昆明 650224)

對基坑的穩定性分析是基坑工程的重要環節，而在采用排樁結構進行基坑支護中，支護樁的嵌固深度對基坑變形性狀有較大影響，嵌固深度過小會造成基坑失穩，嵌固深度過深又會造成成本提升，隨著有限元法理論與計算機技術的發展，有限元法在深基坑支護結構變形性狀模擬中得到了廣泛的應用。本文將采用二維有限元法模擬樁嵌固深度的變化對基坑性狀的影響，通過驗算找出合理嵌固深度。

1 嵌固深度的計算方法

基坑支護規范針對不同支護形式給出了適宜的嵌固深度計算方法，常用圓弧滑動簡單條分法確定嵌固深度hd，驗算方法可采用抗隆起穩定性驗算。

樁底低端平面下土穩定性驗算計算方法見圖1。

圖1 樁底低端平面下土穩定性驗算計算方法

計算方法可以采用上式進行抗隆起安全系數驗算，以求得嵌固深度D，安全系數Khs對應安全等級一級、二級、三級為1.8，1.6，1.4。Nc為 Prandtl地基承載力系數，Nq為 Terzaghi承載力系數，并考慮c，φ值。排樁、地下連續墻等支護結構的嵌固深度hd除應滿足以上計算，還應同時滿足基底抗隆起的要求。

2 支護樁不同嵌固深度下對基坑變形影響的數值模擬

工程中影響支護樁嵌固深度的因素通常有:地質條件、開挖深度、冠梁、樁徑等，為確定基坑開挖中幾種常見土對支護樁嵌固深度的影響大小，為方便計算機建模分析，本文分析時將土層均質化。

2.1 工程概況

某基坑開挖深度10 m，支護樁一排φ1 000@1 200，樁徑1 m，基坑周邊施工超載10 kN/m2，取模型深度為基坑深度的3倍，寬度為基坑寬度的2倍，為研究樁嵌固深度的不同對基坑變形性狀的影響，對支護樁的嵌固深度分別采用6 m，9 m，12 m，15 m，18 m，21 m，24 m，28 m運用Plaxis進行有限元模擬，并對不同嵌固深度下對基坑變形產生的影響進行分析。地基土主要物理力學性質參數見表1，支護結構計算參數見表2。

表1 地基土主要物理力學性質參數表

表2 支護結構計算參數表

2.2 計算模型

支護樁的嵌固深度在滿足支護規范的情況下，不同的嵌固深度會對支護樁所受作用力的大小產生影響，本文通過改變支護樁的嵌固深度，對基坑周邊位移與樁所受最大彎矩、最大剪力的變化進行分析，得出支護樁不同嵌固深度下對基坑穩定性影響的規律。支護樁的設置同上，分析時將土層均質化，土體本構模型采用Mohr-Coulomb模型，其他參數不變，圖2為Plaxis軟件模擬計算結果。

圖2 基坑有限元計算模型

圖3 基坑樁后土體最大位移量及地表沉降隨樁嵌固深度變化曲線

由圖3可以看出位移曲線出現折點，表明在某一階段增加嵌固深度會顯著增加基坑穩定性，但是嵌固深度超過某一值再不斷增加并不會對基坑的穩定有很大幫助，這就說明存在一個最佳的嵌固值，使基坑支護體系既經濟又可以保證其穩定性。

圖4 支護樁最大彎矩隨嵌固深度變化曲線

圖5 支護樁最大剪力隨嵌固深度變化曲線

由圖4，圖5可以看出，支護樁最大彎矩、剪力值出現折點，說明存在一個合理嵌固深度，在嵌固深度超過9 m后，增加的支護樁深度對基坑穩定性貢獻不大，最大彎矩、剪力值變化不大。

3 結語

根據以上基坑周邊位移、支護樁剪力、彎矩值隨嵌固深度的變化可以看出，在滿足規范設計要求前提下，在某一區間，支護樁嵌固深度越深，基坑越趨于穩定，但當嵌固深度超過某一深度(最佳嵌固深度)時，支護樁在基坑體系作用下，不會對基坑穩定有很大貢獻，所以在實際基坑支護體系設計時，須對支護樁嵌固深度進行迭代驗算，找出最佳嵌固深度。對于懸臂支護體系，設計時支護樁嵌固長度可以取基坑底面以上樁長進行試算，當然還要結合地層狀況、有水無水、坑邊超載等因素綜合考慮嵌固深度的取值，對于實際工程，可以運用Plaxis，Midas GTS等有限元數值模擬軟件對基坑穩定性進行復驗，選擇合理的嵌固深度。

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