有限土壓力下基坑變形特性數值分析研究

陳 展

(中國建筑西南勘察設計研究院有限公司, 四川成都 610052)

有限土壓力下基坑變形特性數值分析研究

陳 展

(中國建筑西南勘察設計研究院有限公司, 四川成都 610052)

當新開挖基坑與既有基坑距離較近時，由于缺乏土壓力折減依據等原因，現有設計軟件難以完善地考慮基坑邊坡土壓力問題。而數值模擬方法不受上述環境限制，采用數值模擬方法對基坑支護結構安全性進行評價，其評價結果也相對更準確合理。文章以成都某工程基坑為例，對有限土壓力下基坑變形受力特性進行了數值模擬分析，為基坑設計提供了理論支持，也為同類工程提供了可借鑒的經驗。

有限土壓力； 基坑； 支護設計； 數值分析

在城市建筑基坑工程建設中，常常會出現基坑并行施工的情況。當相鄰的兩基坑施工時，如何合理考慮基坑邊坡有限土壓力，一直是困擾巖土工程設計人員的問題之一。在實際工程應用中通常采用土壓力折減的方法，但由于缺乏理論及相關規范依據，對土壓力的折減往往與實際情況有較大差異，支護設計方案并不優化。成都市成華區某基坑工程臨近已開挖完成的恒河廣場基坑，兩基坑間距僅4.5 m。新開挖基坑邊坡為典型的有限土壓力基坑邊坡，本文采用有限差分數值分析方法，通過建立有限差分模型對基坑邊坡受力變形特征進行分析，確認設計方案的安全性與合理性，為基坑支護設計提供理論支持。同時分析成果還可以積累經驗，為同類工程提供參考依據。

1 工程概況介紹

成都某新建基坑工程臨近已開挖完成的恒河廣場基坑，兩基坑間距僅4.5 m。恒河廣場與新建基坑相鄰的一側開挖深度不同，開挖深度分為22.4 m和10.5 m兩種。新建基坑開挖深度18 m，針對恒河廣場不同的開挖深度，新建基坑分別設計了兩種支護設計方案。

臨近恒河廣場基坑開挖深度22.4 m區段，新建基坑不具備錨索施工條件，因此采用懸臂樁支護。設計支護樁樁徑1.5 m，樁長32 m(其中懸臂段18 m，錨固段14 m)，樁間距2.4 m，支護設計示意見圖1。

臨近恒河廣場基坑開挖深度10.5 m區段，新建基坑采用懸臂樁+錨索支護。設計支護樁樁徑1.5 m，樁長31 m(其中懸臂段18 m，錨固段13 m)，樁間距2.4 m，距樁頂10.5 m處開始設置兩道錨索，錨索豎向間距3 m，支護設計示意見圖2。

圖1 懸臂樁支護邊坡示意

圖2 樁錨支護邊坡示意

2 基坑懸臂樁支護剖面數值分析

2.1 模型建立

采用有限差分軟件對上述新建基坑工程懸臂樁支護剖面進行數值模擬分析。建立的模型示意見圖3，其中恒河廣場一側基坑已經開挖22.4m，模型中各地層分布情況依據勘察報告結果進行設置。

圖3 建立的數值模型

模型中基坑開挖深度及新建支護樁與原有支護樁關系示意見圖4，圖中長樁為原有恒河廣場基坑支護樁，短樁為新增基坑支護樁。原恒河廣場開挖深度為22.4 m，新基坑開挖深度為18 m。

圖4 模型新建樁與既有樁示意

模型中各地層物理力學特性依據勘察報告推薦值進行設置，各地層物理力學參數取值見表1。

表1 模型各地層物理力學參數取值

2.2 基坑變形特性分析

基坑開挖后模型豎向變形云圖見圖5。從圖中可以看出，基坑開挖后基坑底部由于卸載產生了明顯的拱起，基底最大拱起量約12 mm。

圖5 基坑開挖后模型豎直方向變形云圖

基坑開挖后模型水平x方向變形云圖見圖6。從圖中可以看出，由于新開挖基坑坡后土體大部分已經被開挖，因此邊坡產生的土壓力較小。基坑坡頂最大變形量約5.2 mm，坡腳最大變形量約2.4 mm。

圖6 基坑開挖后模型水平x方向變形云圖

2.3 支護樁受力特征分析

基坑開挖后支護樁豎向應力云圖見圖7。從圖中可以看出支護樁最大豎向應力約為1.86 MPa，最大應力位于樁身基底位置，且遠小于樁身強度值。

圖7 基坑開挖后支護樁豎直方向應力云圖

基坑開挖后支護樁水平向應力云圖見圖8。從圖中可以看出樁身最大水平應力約為131 kPa，最大應力位于樁底附近，遠小于樁身強度值。

圖8 基坑開挖后支護樁水平方向應力云圖

3 基坑樁錨支護剖面數值分析

3.1 模型建立

采用有限差分軟件對樁錨支護剖面進行數值模擬分析。建立的模型示意圖見圖9，其中恒河廣場一側基坑已經開挖10.5 m，模型中各地層分布情況依據勘察報告結果進行設置。

圖9 建立的數值模型

模型中基坑開挖深度及樁錨關系見圖10，圖中深色為基坑支護樁及錨索結構單元。原恒河廣場開挖深度為10.5 m，新基坑開挖深度為18 m。

圖10 模型基坑開挖深度及樁錨關系示意

模型中各地層物理力學特性依據勘察報告推薦值進行設置，物理力學參數取值見表1，錨索錨固相關參數取值見表2。

表2 土體與錨固體的極限粘結強度標準值

3.2 基坑變形特性分析

基坑開挖后模型豎向變形云圖見圖11。從圖中可以看出，基坑開挖后基坑底部由于卸載產生了明顯的拱起，基底最大拱起量約12.2 mm。

圖11 基坑開挖后模型豎直方向變形云圖

基坑開挖后模型水平x方向變形云圖見圖12。從圖12中可以看出，由于新開挖基坑坡頂后方部分土體已經被開挖，因此邊坡上部產生的土壓力較小。基坑坡頂朝向既有基坑變形，最大變形量約14 mm，坡腳朝向基坑內側變形，最大變形量約2 mm。

圖12 基坑開挖后模型水平x方向變形云圖

3.3 支護樁受力特征分析

基坑開挖后支護樁豎向應力云圖見圖13。從圖中可以看出支護樁樁身最大豎向應力約為1.3 MPa，最大應力位于樁身基底位置及腰梁位置，遠小于樁身強度值。

基坑開挖后支護樁水平方向應力云圖見圖14。從圖中可以看出支護樁樁身最大水平應力約為160 kPa，最大應力位于樁底及腰梁附近，最大應力值遠小于其強度值。

圖14 基坑開挖后支護樁水平x方向應力云圖

4 結論

在本項目中，采用數值模擬方法對基坑支護結構安全性進行了評價，根據數值分析結果可以得出以下結論：

(1)根據基坑懸臂樁支護剖面數值計算結果可知，由于新開挖基坑深度小于既有恒河廣場基坑深度，新開挖基坑坡頂產生了朝向既有基坑方向的變形，最大變形量約5 mm，其變形方向對新開挖基坑安全有利。懸臂樁樁身應力較小，最大應力約1.9 MPa，遠小于支護樁自身強度；

(2)根據基坑樁錨支護剖面數值計算結果可知，同樣新開挖基坑邊坡坡頂一定范圍內坡后土體已經被開挖，新開挖基坑坡頂產生了朝向既有基坑方向的變形，最大變形量約14 mm，其變形方向對新開挖基坑安全有利。樁身應力較小，最大應力約1.4 MPa，遠小于支護樁自身強度；

(3)數值分析結果表明，按照現有懸臂樁及樁錨支護設計方案可滿足對應剖面基坑邊坡安全，但計算中未考慮基坑坡頂附加荷載，因此在施工過程中坡頂不應堆載重物。

[1] 馬平, 秦四清, 錢海濤. 有限土體主動土壓力計算[J]. 巖石力學與工程學報, 2008, 27(1): 3070-3074.

[2] 李峰, 郭院成. 基坑工程有限土體主動土壓力計算分析研究[J]. 建筑科學, 2008, 24(1): 15-18.

陳展，男，工程師，主要從事巖土工程設計與施工工作。

TU94+2

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[定稿日期]2017-04-06