黃土地區基坑支護方案優化設計

董貴平

黃土地區基坑支護方案優化設計

董貴平

杭州科技職業技術學院, 浙江 杭州 311402

本文以某地鐵明挖車站的基坑工程為研究背景，利用FLAC3D數值模擬軟件建立深基坑支護變形沉降的數值計算模型，對比實際工程檢測結果發現數值計算結果吻合度高，在此基礎上，改變樁徑與樁間距、樁長、支撐水平間距、支撐豎向間距等關鍵支護參數，分析支護參數對圍護結構變形與地表沉降的影響規律，提出優化支護方案。研究表明：依托工程理想圍護結構樁為直徑0.8 m間距1.1 m的鉆孔灌注樁，樁長為23 m~25 m，支撐水平間距為4 m，并且應合理布置支撐豎向間距。

基坑支護; 優化設計

開發地下空間建設是緩解交通、空間危機的有效手段[1]。我國地下工程目前主要的發展趨勢是大面積[2]、深基坑[3]和大空間[4]，如一線城市地下空間面積已達到10~30萬m2，上海仲盛廣場基坑開挖面積達到5萬m2，上海世博工程基坑深度已超過20 m[5]。基于此，諸多學者在深基坑支護方面開展了大量研究，黃雪峰等[6]通過近年西寧地區基坑支護工程實踐，對比分析了常用支護結構的作用機理、適用范圍，提出了有效的基坑支護優化方案；鄧友生等[7]系統分析了深基坑支護結構的一些理論計算方法與深基坑開挖施工現場監測技術措施，討論了深基坑支護結構中存在的研究問題與其發展方向；李瑛等[8]對比分析了鋼筋混凝土支撐和鋼管支撐在深基坑中的應用，討論了型鋼組合支撐粉砂土基坑和軟土基坑支護體系中的可行性與便利性。本文以某地明挖車站的基坑工程為研究背景，針對黃土地區深基坑支護的變形沉降特征建立的FLAC3D數值計算模型，與實際工程監測結果進行對比，在此基礎上分析樁徑與樁間距、樁長、支撐水平間距、支撐豎向間距等關鍵因素對基坑變形沉降的影響規律，進而提出基坑支護優化設計方案。

1 黃土地區深基坑工程概況

某地鐵明挖車站為地下2層島式車站，其基坑標準段寬20.7 m，深16.2 m。基坑圍護結構設計為鉆孔灌注樁+內支撐方案，其中，鉆孔灌注樁徑=1000 mm，間距=1300 mm，長度=23000 mm；內支撐為600 mm×14 mm鋼支撐，水平間距為3000 mm，豎向間距為5000 mm，即由上至下3道支撐分別位于地下-0.5 m、-5.5 m和-10.5 m位置。場地范圍內地層包括人工素填土、沖積黃土、卵石以及中更新世沖積粉質黏土等，各地層參數如表1所示。

表 1 基坑場地范圍內各土層力學參數表

2 基坑支護方案設計

2.1 數值模擬模型

根據上述工程情況，采用FLAC3D軟件建立黃土地區深基坑數值模擬分析模型如圖1所示。該模型長182.7 m、高60 m、寬3.0 m，邊界條件采用底面固定、四周法向約束，頂面自由。鉆孔灌注樁和冠梁采用實體單元模擬，其彈性模量和泊松比分別設置為2.1 GPa和0.2，鋼支撐采用結構單元模擬，其彈性模量和泊松比分別設置為210 GPa和0.25。基坑由上至下分4步開挖，每步開挖至支撐底下0.5 m處。

圖 1 黃土地區深基坑數值模擬模型

2.2 支護方案設計

為研究合理的基坑支護方案，本文在已有設計方案基礎上，針對4種不同的基坑支護參數（樁徑與樁間距、樁長、支撐水平間距以及支撐豎向間距）進行了數值模擬分析，比較了不同支護參數條件下基坑周邊地表沉降和樁體位移，具體如表2所示。

表 2 黃土地區深基坑支護方案設計

3 數值計算結果分析

3.1 與實際監測結果對比

基坑開挖后，本文在原有設計支護方案下得出的樁體水平位移如圖2所示。可以看出，基坑開挖后鉆孔灌注樁水平最大位移約為12.5 mm，出現在靠近基底的位置，由最大位置往樁兩端，樁體水平位移逐漸減小，即樁體在基坑開挖后呈現“弓形”變形。對比實際監測數據可知，本文數值模擬得出的樁體最大變形和出現位置，以及樁體沿樁深方向的變形分布規律均與實際工程保持一致，說明本文模擬采用的相關數據是較為準確的。

圖 2 基坑開挖后樁體的水平位移分布曲線

3.2 基坑支護方案優化分析

3.2.1 樁徑與樁間距優化設計分析不同樁徑與樁間距下基坑周邊圍護結構與土體的變形分布曲線如圖3所示。隨著樁徑和樁間距的變化，基坑單位面積上的圍護結構剛度也在不斷發生變化，當樁徑越大或樁間距越小，圍護結構的整體剛度就越大，相應地基坑圍護結構變形與地表沉降也就很小。由圖3可知，隨著圍護結構剛度的增大，樁體水平位移在樁深-10 m以上變化很小，而在樁深-10 m以下則逐漸減小，這主要是因為隨著基坑的向下開挖，樁后主動土壓力逐漸增大并主要集中在-10 m以下位置，而-10 m以下卻只布置一道鋼支撐，難以有效約束該范圍內樁體產生的水平位移。因此，選擇黃土地區深基坑兩側樁徑和樁間距時，因考慮鋼支撐的布置位置，并使支護樁的剛度與支撐的剛度保持在一定的比例量級，才能很好的協調支護結構的變形。由樁體和地表沉降隨樁徑和樁間距的變化幅度大小上看，本文依托工程圍護結構樁選擇直徑0.8 m間距1.1 m的鉆孔灌注樁就能夠有效限制基坑周邊土體的變形。

圖 3 不同樁徑與樁間距下基坑周邊圍護結構與土體的變形分布曲線

3.2.2 樁長優化設計分析不同樁長下基坑周邊圍護結構與土體的變形分布曲線如圖4所示。可以看出，當樁長為18 m時，樁入土深度約為2 m，此時坑底下的土體難以約束住樁體向坑內產生的變形，導致樁底發生踢腳破壞，引起基坑失穩。當樁長為23 m時，樁入土深度約為7 m，此時樁體在坑底下的變形雖然相對較大，但能夠保持穩定，不會發生失穩。當樁長大于23 m時，隨著樁長的增加，圍護樁體的水平位移逐漸減小（尤其是開挖面附近的位置），但是當樁入土深度滿足結構穩定性要求后，此時再增大樁長，對樁體位移和地表沉降影響很小。從計算結果上看，本文依托工程樁長取23 m~25 m比較合適。

圖 4 不同樁長下基坑周邊圍護結構與土體的變形分布曲線

3.2.3 支撐水平間距優化設計分析圖5所示為不同支撐水平間距下基坑周邊圍護結構與土體的變形分布曲線。隨著支撐水平間距的增大，整個樁體水平位移和地表沉降都逐漸增大，支撐水平間距每增大約1 m，圍護樁體位移就增長約2 mm，而地表沉降增大約0.5 mm。這主要是因為支撐水平間距越大，每道支撐支承的土體范圍就越大，相應地基坑周邊土體變形也越大，但因圍護樁本身存在剛度，支撐水平間距的增大并不能使圍護結構剛度線性下降，因此當支撐間距達到一定程度時，支撐間距的改變對基坑周邊土體變形影響也很小。結合圖中樁體位移和地表沉降大小，為保證基坑安全和減小工程造價，可以選擇支撐水平間距為4 m。

圖 5 不同支撐水平間距下基坑周邊圍護結構與土體的變形分布曲線

3.2.4 支撐豎向間距優化設計分析圖6所示為不同支撐豎向間距下基坑周邊圍護結構與土體的變形分布曲線。當支撐豎向間距分別為3 m、4 m、5 m和6 m時，基坑由上至下則分別需布置5道、4道、3道和3道支撐。由圖可知，支撐豎向布置道數越多，圍護樁在坑底以上的水平位移越小，同時地表沉降也越小。當支撐道數相同時（支撐豎向間距為5 m和6 m），由于圍護樁變形在靠近坑底位置最大，因此，最底下一道支撐越靠近基底，就越有利于基坑周邊土體的穩定。從圖中可以看出，當支撐豎向間距為6 m時，基坑豎向設置道數較少，有利于施工并節省工程造價，同時，其圍護樁變形和地表沉降要比豎向間距為5 m時分別小50%和25%。所以，實際基坑支護方案設計時，如支撐道數設計不變，則一定要合理控制各道支撐的豎向間距。

圖 6 不同支撐豎向間距下基坑周邊圍護結構與土體的變形分布曲線

4 結論

本文針對黃土地區深基坑支護的變形沉降特征建立FLAC3D數值計算模型，與實際工程監測結果吻合度較高，在此基礎上分析了樁徑與樁間距、樁長、支撐水平間距、支撐豎向間距對基坑變形沉降的影響規律，提出了優化設計方案，主要結論如下：

（1）樁徑的增大和樁間距的減小可以提高圍護結構的整體剛度，減小基坑圍護結構變形與地表沉降。樁體水平位移在樁深-10 m以上變化很小，而在樁深-10 m以下則逐漸減小，依托工程圍護結構樁選擇直徑0.8 m間距1.1 m的鉆孔灌注樁；

（2）本工程中樁長為18 m時，出現基坑失穩；樁長大于23 m時，隨著樁長的增加，圍護樁體的水平位移逐漸減小。建議選用23 m~25 m樁長；

（3）整個樁體水平位移和地表沉降隨支撐水平間距的增大而增大，支撐水平間距每增大約1 m，圍護樁體位移就增長約2 mm，而地表沉降增大約0.5 mm。為保證基坑安全和減小工程造價，可以選擇支撐水平間距為4 m；

（4）支撐豎向布置道數越多，圍護樁在坑底以上的水平位移越小；當支撐道數相同時最底下一道支撐越靠近基底，就越有利于基坑周邊土體的穩定。

[1] 吳意謙,朱彥鵬.蘭州市濕陷性黃土地區地鐵車站深基坑變形規律監測與數值模擬研究[J].巖土工程學報,2014,36(S2):404-411

[2] 任望東,李春光,田建平,等.軟弱土中大面積深基坑工程快速支護施工技術[J].施工技術,2013,42(1):35-39

[3] 劉方梅.深基坑開挖對臨近地鐵隧道的影響[D].杭州:浙江大學,2015

[4] 徐向輝.虹橋綜合交通樞紐深大基坑關鍵技術研究[J].鐵道工程學報,2009,26(6):44-49

[5] 劉志忠.西安地區深基坑邊坡支護及其變形研究[D].西安:西安建筑科技大學,2014

[6] 黃雪峰,楊校輝,朱彥鵬,等.西寧地區常用基坑支護結構對比分析[J].巖土工程學報,2012,34(s1):432-439

[7] 鄧友生,龍新樂,閆衛玲,等.深基坑支護結構體系的分析[J].湖北工業大學學報,2013,28(2):15-18

[8] 李瑛,唐登,朱浩源.H型鋼構建的綠色深基坑支護體系初探[J].科技通報,2017,33(2):177-180

Optimization Design for Foundation Pit Support Scheme in Loess Area

DONG Gui-ping

311402,

Based on the foundation pit project of a subway open-cut station as the research background, a numerical model of settlement deformation of deep foundation pit supporting was established wtih FLAC3Dnumerical simulation software. Contrast test results found that the results of numerical calculation of actual engineering degree was high. Therefore, support key parameters such as pile spacing, pile length and pile diameter, support level spacing, the vertical spacing were changed to analyze the influence law of ground surface subsidence, optimization of supporting schemes. Based on the engineering retaining structure pile, the research showed that the best bored pile diameter is 0.8 m and spacing was 1.1 m, the pile length was 23 m-25 m, the horizontal spacing of supports was 4 m, and the vertical spacing of supports was reasonably arranged.

Foundation pit support; optimization design

TU528.01

A

1000-2324(2019)01-0062-04

10.3969/j.issn.1000-2324.2019.01.013

2018-03-05

2018-04-21

國家開放大學2018年度科研課題(G18F1654Y);杭州科技職業技術學院教育教學改革與研究課題(HKYJG-2018-06 2280)

董貴平(1982-),男,碩士,講師,主要研究方向為建筑施工與材料改性. E-mail:dgp@hzpt.edu.cn