軟土地區基坑工程參數影響的敏感性分析

吳承坤，阮永芬*，吳承東，方 超，趙禮萍，吳青伶， 張 博，李建柱，南 敢

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軟土地區基坑工程參數影響的敏感性分析

吳承坤1，阮永芬1*，吳承東2，方 超1，趙禮萍3，吳青伶4， 張 博1，李建柱5，南 敢1

（1. 昆明理工大學 建筑工程學院，云南 昆明 650504；2. 昆明學院 社會管理學院，云南 昆明 650214； 3. 云南大學 艾思奇哲學學院，云南 昆明 650504；4. 云南遠信科技有限公司，云南 昆明 650200； 5. 中國有色金屬工業昆明勘察設計研究院，云南 昆明 650001）

內支撐支護結構體系，在深厚軟土場地及周邊環境復雜的深基坑支護設計中被廣泛應用，參數選取對基坑支護方案選取具有重要的理論意義和實用價值。根據工程實例，采用理正深基坑7.0PB1軟件，對k法、m法，軟土層分布位置、厚度、厚深比、土層的c、?值等變化對支護結構的土壓力、位移、彎矩、剪力、軸力的影響進行分析。經過對計算數據的對比分析發現：用k法或m法計算，軟土層分布位置及厚度、厚深比、土層的c、?值等變化對支護結構的土壓力、位移、彎矩、剪力、軸力均有影響。通過對參數變化的計算分析，了解支護結構上的土壓力及內力對參數變化的敏感性，從而為采用內支撐進行支護設計時參數的選擇以及方案進行優化設計時提供參考。

軟土；基坑支護；設計參數；深基坑

0 引言

環滇池的大部分地區，廣泛分布著面積巨大且深厚的湖相沉積泥炭土及高壓縮性的粘土，而這些地區現已成為城市發展的核心。在此場地的基坑支護設計中影響因素非常多，如場地地質環境和基坑外臨近建（構）筑物復雜，使得基坑支護設計過程中方案比選困難。近年來針對基坑開挖對鄰近建構筑物的影響研究十分廣泛[1-4]，鄭剛等人[5]指出基坑外鄰近建筑物不能僅靠現行規范簡單確定，還應進行專門的變形分析。王春艷等人[6]提出的圓環支撐體系水平剛度計算解析式。TW Lambe等人[7]提出卸荷狀態與加荷狀態下土體的工程性質差異很大。但對一些重要的影響因素，如計算時采用k法還是m法，泥炭土及高壓縮性的粘土層分布的位置、分布的厚度、厚深比、土層的c值和?值等參數的變化對作用在支護結構上的土壓力以及支護結構內力如何影響，很少有學者對其進行研究分析。工程中廣泛應用[8,9]總應力法來對基坑開挖穩定性及基坑支護荷載值進行評估，土的c值和?值等參數對其有直接聯系。工程支護結構設計時，考慮到勘察報告提供的設計參數有問題或試驗室提供的物理力學指標不準確等，會給支護結構的安全及經濟帶來影響。所以對基坑支護設計的影響因素進行研究分析是非常有意義的。

據統計[10,11]，在全世界有總面積大于415.3萬km2的泥炭土（軟土）分布在59個國家和地區，其中我國有約4.2萬km2的分布面積。在固結過程中深厚軟土層變形甚至達到了80%[12,13]，往往有很大的壓縮性。昆明地區泥炭質土有機質含量高，壓縮性高，孔隙比大，含水量大，抗剪強度低等特點[14]。本工程實例中存在一定厚度的泥炭質土（軟土），早先已有專家研究過其對建筑地基的影響[15]、滲透系數[16]、力學特性[14]，以及軟土地基施工擾動[17]等的研究，也有學者把軌道交通[18]、勘測技術[19]、壓力測量[20]、建筑工程項目管理[21]、水利和礦山檢測[22,23]等與物聯網等相結合起來分析研究其間的影響，但是很少有學者把軟土與理正深基坑設計計算軟件結合起來研究軟土對深基坑內支撐影響。現基于理正深基坑7.0PB1設計軟件針對泥炭土土層分布的位置、分布的厚度、厚深比以及土層的c值和?值對深基坑中內支撐支護形式的土壓力、位移、彎矩、剪力和軸力的影響進行研究。

1 工程概況

擬建場地位于昆明市區的帶一層地下室4層商業建筑。基礎筏板頂標高為1 888.90 m，筏板厚度為0.6 m，基坑底標高為1 888.20 m。電梯井加深1.6 m，距地下室外墻的距離為10.3 m。現場場地高程約 1 896.20~1894.20 m之間，基坑開挖深度為7.14~7.72 m，基坑開挖周長為203.67 m，基坑開挖面積為2511.27 m2。場區土層劃分及土層的物理力學指標取值如表1 所示。

表1 土層的物理力學指標

Tab.1 Physical and mechanical indexes of soil layer

2 計算分析

由于周邊環境復雜，建構（筑）物離基坑較近，所采用內支撐型式進行支護設計。現以基坑支護2-2剖面為例進行計算分析，為便于比較分析，把土層厚度經整理后每層土厚為3 m，文中的數據1為實際工程中坑深最小的2-2剖面經整理后得到的數據，數據2為實際工程中坑深最大的5-5剖面經整理后得到的數據。進行軟土分布厚度、分布位置、計算軟件的不同等對基坑支護結構設計的影響分析。

圖1 基坑平面布置圖

支護樁長L=14.5 m，嵌固深度8.7 m，樁直徑?=1 000 mm，樁間距1 200 mm，泥炭土層參數：重度γ=14 kN/m3，粘聚力c=13.7 kPa，內摩擦角?=6°。計算剖面如圖2所示。用增量法計算內力；一級支護結構安全等級；C30鋼筋混凝土樁強度，圓形樁截面，冠梁寬1.2 m高0.8 m，0.5 MN/m的水平側向剛度；放坡級數是1；坡比1:0.5，坡高1.37 m；坑邊附加荷載5 kPa。

2.1 k法、m法的影響

取兩組實驗數據：數據1簡寫為“1”；數據2簡寫為“2”。（數據1數據2），分別用m法和k法進行計算，計算工況工況如表2所示，計算得到的土壓力分布圖見圖3、圖4，支護結構內力分布圖見圖5至圖12所示。

圖2 計算剖面圖

表2 工況信息

Tab.2 Working condition information

圖3 土壓力的分布圖（1）

根據土壓力計算結果如圖3和圖4所示，基坑支護在m法及k法下,作用在支護結構上的土壓力的分布沒有區別，也不受開挖工況的影響；但對基坑支護結構內側土壓力的分布有影響，k法計算的基坑支護結構內側土壓力偏小。從圖5和圖6可以看出m法和k法下得出的坑外水平位移相同；坑內水平位移在工況2時變化規律一致，但在工況1時m法中所得水平位移大于k法所得水平位移。從圖7和圖8可知，支護結構內彎矩大小相差不大；支護外側m法得到的彎矩大于k法得到的彎矩，但趨勢相同。從圖9和圖10可知，基坑開挖支撐開始之前m法得到的剪力小于k法得到的剪力，之后m法得到的剪力大于k法得到的剪力且變化趨勢一致。從圖11和圖12可知，m法得到的軸力大于k法得到的軸力。從以上的分析知，m法得到的彎矩及軸力大于k法的。

圖4 土壓力的分布圖（2）

圖5 位移的分布圖（1）

圖6 位移的分布圖（2）

圖7 彎矩的分布圖（1）

圖8 彎矩的分布圖（2）

2.2 軟土層分布位置的影響

基于數據1分別把第1、2、3、4、5、6、7層土置換成軟土（約3倍坑深范圍內）。基于m法用彈性法計算得到數據，取每組數據中的最大值為代表值制成如下圖。

圖9 剪力的分布圖（1）

圖10 剪力的分布圖（2）

圖11 軸力的分布圖（1）

圖12 軸力的分布圖（2）

圖13 土壓力的分布圖

圖14 位移的分布圖

圖15 彎矩的分布圖

圖16 剪力和軸力的分布圖

由圖13知調動軟土層的位置對基坑的支護結構外側土壓力分布影響不大；但對坑內側土壓力分布影響較大。由圖14知軟土層位置變化對坑外側水平位移影響不大，但對坑內側水平位移影響較為明顯，換第2、3層土（坑底以上）坑內水平位移變化也大，換第3層以下的土層時，即坑底以下，對坑內水平位移的影響就很小。由圖15知置換土層對支護結構內彎矩影響不大，外彎矩影響較明顯。由圖16知置換土層對剪力和軸力影響大。

2.3 軟土層分布厚度的影響

為了考慮軟土層分布厚度對土壓力及作用在支護結構上內力的影響，從地表開始3 m增加軟土厚度進行分析，軟土厚分別為0 m、3 m、6 m、9 m、12 m、15 m、18 m、21 m，基于m法用彈性法計算得到數據，取每組數據中的最大值為代表值制成如下圖。

圖17 土壓力的分布圖

由圖17知隨著軟土厚度的增加作用在基坑支護結構上的土壓力逐漸減小，但對支護結構外側土壓力分布影響不大，對內側土壓力分布影響比較明顯。由圖18知隨著軟土厚度的增加基坑支護結構的水平位移逐漸增大，對支護結構外側水平位移影響小，對內側水平位移影響比較明顯，軟土厚度為3 m時，內側水平位移最小，軟土厚度≥12 m時，內側水平位移趨于穩定。由圖19知，軟土層厚度對基坑支護結構外彎矩影響大，內彎矩影響小。由圖20知軟土層厚度變化對支護結構剪力影響大，它們在軟土層厚度為3 m時都有最小剪力和最小軸力，基坑支護結構的軸力隨軟土厚度增加。

圖18 位移的分布圖

圖19 彎矩的分布圖

圖20 剪力和軸力的分布圖

2.4 軟土厚深比的影響

為分析軟土厚度對土壓力及支護結構內力的影響，采用軟土的厚度d與基坑深度h之比，即厚深比作為參數進行分析研究。深厚比從0開始每次增加0.1，直到0.6為止。基于數據1，從地表開始逐漸增加軟土層厚度與基坑深度的比值，即逐漸增加軟土層的厚度，每一次計算增加0.717 m。基于m法用彈性法計算得到數據，取每組數據中的最大值為代表值制成如下圖。

圖21 土壓力的分布圖

圖22 位移的分布圖

圖23 彎矩的分布圖

圖24 剪力和軸力的分布圖

由圖21、22知，d/h=0～0.6時對土壓力分布及坑外水平位移沒有影響，坑內側土壓力與坑外側土壓力相差不大。對支護結構坑外側水平位移無影響，對支護結構坑內側水平位移有影響。由圖23知，軟土厚深比對支護結構的彎矩有影響，當d/h=0.1～0.4時內彎矩穩定。由圖24知，軟土厚深比對支護結構的剪力和軸力影響不大，剪力變化趨勢和軸力一致。

2.5 c值變化的影響

為分析土層c值變化對土壓力及支護結構內力的影響，采用c值作為參數進行分析研究。c值分別為10 kPa、15 kPa、20 kPa、25 kPa、30 kPa、35 kPa、40 kPa、45 kPa、50 kPa。基于數據1，數據1中所有土層信息改為同一種土，且該土?=15°，重度γ= 19 kN/m3，c值每5kPa為一個梯度增加一次，每增加一次c值記錄一組數據，基于m法用彈性法計算得到數據，取每組數據中的最大值為代表值制成如下圖。

由圖25可以看出，c值對支護結構土壓力分布的影響大。由圖26可以看出，c值對基坑支護結構外側水平位移影響小，對內側水平位移影響大。由圖27可以看出，基坑支護結構外彎矩隨c值的增加變化的很活躍，在c=15 kPa時，外彎矩有最小值。c值對內彎矩影響小，c=35 kPa時，內彎矩為0。從圖28中可以看出，基坑支護結構的剪力和軸力隨著c值的變化力的大小變化趨勢基本相同，c值越大對剪力和軸力的影響越小。

圖25 土壓力的分布圖

圖26 位移的分布圖

圖27 彎矩的分布圖

圖28 剪力和軸力的分布圖

2.6 ?值變化的影響

為了考慮軟土層?值對土壓力及作用在支護結構上內力的影響，采用?值5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°。基于數據1，數據1中土層信息改為全部為一種土，且該土c=20 kPa，重度γ=19 kN/m3，?值從5°開始每5°為一個梯度增加一次，直到增加到35°。所帶入計算的每增加一次?值記錄一組數據，基于m法用彈性法計算得到數據，取每組數據中的最大值為代表值制成如下圖。

圖29 土壓力的分布圖

圖30 位移的分布圖

圖31 彎矩的分布圖

圖32 剪力和軸力的分布圖

由圖29可以看出，隨著?值增加土壓力減小，且對基坑支護結構外側的影響大于內側。由圖30可以看出，隨著?值增加，支護結構水平位移減小，對外側水平位移的影響小，對內側水平位移的影響大。由圖31可以看出，隨著?值增加，支護結構彎矩減小，對外彎矩的影響比內彎矩的影響大。由圖32可以看出，隨著?值增加，支護結構剪力和內撐軸力都減小，?值越大剪力和軸力越小。

3 結論

k法、m法，軟土層位置及厚度、土的c值和?值等對理正深基坑7.0PB1計算所得結果的土壓力、位移、彎矩、剪力、軸力都有一定的影響，采用內支撐進行支護設計選擇參數時應謹慎考慮。由以上的分析知結論如下：

（1）基坑支護在m法及k法下,用彈性法得出的基坑支護結構外側的土壓力、外側水平位移和內彎矩所受影響小；對內側土壓力、內側水平位移、外彎矩、剪力和軸力的影響大，且m法計算所得結果大于k法計算所得結果。

（2）變化軟土層位置對基坑支護結構外側的土壓力、外側水平位移和內彎矩影響小，對內側土壓力、內側水平位移、外彎矩、剪力和內撐軸力影 響大。

（3）軟土層的厚度對基坑支護結構外側土壓力、外側水平位移和內彎矩的影響小，對內側土壓力、內側水平位移、外彎矩、剪力和內撐軸力影響大。

（4）軟土厚深比d/h=0～0.6時對基坑支護結構土壓力和外側水平水平位移沒影響，對內側水平位移影響比較明顯；對基坑支護結構的彎矩影響大，對軸力和剪力影響小。

（5）c值對基坑支護結構土壓力、內側水平位移、外彎矩、剪力和軸力影響大；對外側水平位移和內彎矩影響小，內彎矩、剪力和軸力隨c值增加而減小。

（6）隨著?值增加，基坑支護結構的土壓力、水平位移、彎矩、剪力以及軸力都減小。

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Sensitivity Analysis about Influence of Foundation Pit Engineering Parameters in Soft Soil Area

WU Cheng-kun1, RUAN Yong-fen1*, WU Cheng-dong2, FANG Chao1, ZHAO Li-ping3, WU Qing-ling4, ZHANG Bo1, LI Jian-zhu5, NAN Gan1

(1. Faculty of Civil Engineering and Mechanics, Kunming University of Science and Technology, Kunming, 650504, Yunnan, China;2. Institute of Social Management, Kunming University, Kunming, 650214, Yunnan, China;3. Aisiqi School of Philosophy, Yunnan University, Kunming, 650504, Yunnan , China;4. Yunnan Yuanxin Technology Co., Ltd. Kunming, 650200, Yunnan, China;5. Kunming Engineering & Research Institute of Nonferrous Metallurgy Co. Ltd., Kunming, 650051, China)

The structure system of internal supporting is widely used in the design of deep foundation pit with deep soft soil site and complex surrounding environment. The selection of parameters has important theoretical significance and practical value for the selection of the foundation pit supporting scheme. According to the engineering example and using 7.0PB1 software of LiZheng deep foundation pit, the paper analyzes the influences about K method, m method, distribution position, thickness, ratio of depth to thickness, c and φ of soft soil layer on the soil pressure , displacement, bending moment, shear force and axial force. Through comparison and analysis of the calculated data, it is found that soil pressure, displacement, bending moment, shear force and axial force of supporting structure are affected by the K method, m method, distribution position, thickness, ratio of depth to depth, c and φ of soft soil layer. By the analysis and calculation of the change of parameters, the sensitivity of soil pressure and internal force to the change of parameters on the support structure are understood, which can provide references for the selection of parameters and optimization design of the scheme of the support while using the internal support.

Soft soil; Foundation pit support; Design parameters; Deep foundation pit.

TU447

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.09.032

吳承坤(1994–)，男，研究生，主要研究方向：巖土工程；吳承東(1995–)，男，本科生，主要研究方向：城市管理；方超(1993–)，男，研究生，主要研究方向：巖土工程；趙禮萍(1994–)，女，研究生，主要研究方向：馬克思主義哲學；吳青伶(1992–)，女，測試工程師，主要研究方向：計算機科學與技術；張博(1993–)，男，研究生，主要研究方向：巖土工程；李建柱(1990–)，男，助理工程師，主要研究方向：巖土工程；南敢(1993–)，男，研究生，主要研究方向：巖土工程。

阮永芬(1964–)，女，教授，主要從事巖土工程方面的教學和科研。

本文著錄格式：吳承坤，阮永芬，吳承東，等. 軟土地區基坑工程參數影響的敏感性分析[J]. 軟件，2018，39（9）：158-165