深厚泥炭質土圓形基坑中h型雙環板撐支護應用及數值模擬分析

李肖君，李建喬，羅 毅

（云南建投第十二建設有限公司，云南 昆明 650500）

隨著城市建設規模的日益增大，城市建筑除向空中發展以外，地下空間開發利用也越來越受到人們的重視。不過，地下建筑的設計因基坑深度、面積、形狀、地質的不同，對基坑的支護形式、施工工藝提出了新的要求。以昆明地區為例，隨著基坑開挖深度越來越大，基坑規模也越來越大，施工周邊環境復雜；同時，文明城市的建設對城市基礎設施提出了更高的要求，隨著環境改善工作的落實以及污水處數量和處理技術的提高，大型地埋式池體也隨之增多。

在基坑支護工程中，由于外界原因或不利地質條件的影響，錨桿、錨索、土釘墻等常規支護方法無法實施，而采用單排懸臂樁又無法滿足工程對基坑穩定、周邊建筑變形和沉降的要求時，h型雙環板撐支護結構不失為一種可供選擇的方案[1]。

隨著圍護技術的多樣化發展，雙排樁在深基坑和邊坡工程得到越來越多的使用。雙排樁類似平面剛架體系，具有剛度大、側向位移小等優勢。文獻[2-7]分別探討了利用近似理論和數值模擬解析基坑支護中的雙排樁結構的相關內容。但是由于h型雙環板撐支護結構在力學作用機制上不同于其他雙排樁支護結構，因此二者在計算分析理論上必然存在較大的差異。肖世國[8]分析了h型支護結構的作用機理，認為由于前后排樁間有橫梁將其連為一體，整體剛度極大，可提供較大抗力，因而可以用于大型邊（滑）坡的治理工程中。劉波[9]結合上海中心塔樓超深大圓形基坑在周邊敏感環境和復雜水文地質條件下的監測實例，深入分析了海量實測數據，重點研究了基坑施工過程中6道環撐的內力、位移等數據，分析了軟土地區超深大圓形基坑的空間特性，為軟土地區同類基坑的實施提供參考。李韜等[10]結合上海國際金融中心項目中順作區臨時水平環撐和對撐體系、逆作區梁板支撐體系的受力特性進行了信息化監測和歸納分析，探討軟土地區超深大基坑在順逆作同步交叉實施條件下多種水平支撐體系的受力特性，提出了超深大基坑水平支撐體系信息化施工的控制建議，以保證基坑水平支撐體系始終安全穩定，并為軟土地區同類基坑工程的設計和施工提供參考。但國內外對h型雙環板撐的理論研究較少。

文章以昆明市某半地下整體式污水處理廠的基坑支護為例，利用巖土工程有限元軟件midas GTS NX對基坑支護剖面的h型雙環板撐支護結構進行數值模擬，同時針對模擬計算的結果，分析了支護結構的受力位移等問題，進而為h型雙環板撐支護結構在深厚泥炭質土超大圓形深基坑中的應用提供依據。

1 工程概況

1.1 依托項目周邊環境

該基坑支護工程位于昆明市西山區碧雞鎮王家堆村，直徑為250m，開挖深度為12.35m，局部開挖深度為17.75m。基坑西、北側臨近G56S繞城高速高架橋，最短距離約55m；基坑東側距滇池水域約120m，基坑東側有王家堆渠通過，距離基坑邊緣最近約17m。王家堆渠河寬10～15m，水深1～2m，與該場地地表水、地下水有水力聯系。

場地淺、上部地層為第四紀人工填土層，以下地層以第四系湖沼積的泥炭質土、黏土及粉土為主，軟塑～流塑狀態，場區內基巖埋深較大，場地100m深度范圍未見基巖。場區地下水主要為賦存于填土層的表層滯水以及賦存于粉土夾層的孔隙潛水。

1.2 h型雙環板撐

根據該工程的特點，采用圍護樁+下環形板撐支承樁+兩道環形板撐作為基坑支護結構。外排支護樁采用旋挖鉆孔灌注樁φ1000mm@1200mm，內排支承樁采用旋挖鉆孔灌注樁φ800mm@7500mm。鋼筋混凝土環形板撐采用矩形截面，第一道環形板撐設置于-3.0m處，截面尺寸為3500mm×1050mm，第二道環形板撐置于-7.5m處，截面尺寸為5500mm×1200mm。第二道環形板撐取結構外輪廓線的最小外接圓，并考慮基坑支護結構與結構外緣間必要的施工間，故設置其直徑為238m。基坑支護剖面圖如圖1所示。在此基坑支護方案中，支護樁、支承樁、環形板撐三者組成h型雙環板撐支護結構。

2 有限元模擬

利用midas GTS NX軟件對該工程進行數值模擬，分析h型雙環板撐結構在基坑支護剖面中的受力和變形特性。

2.1 基本假定

（1）忽略支護結構施工對土體擾動的影響。

（2）平面應變假定。

圖1 基坑支護剖面圖

（3）將支護樁、支承樁、環形板撐三者組成的h型雙環板撐支護結構視為一個整體。

2.2 本構模型

在midas GTS NX軟件內置模型中，采用修正摩爾-庫倫模型模擬土層，彈性模型模擬支護樁、支承樁和環形板撐；兩側邊界采用限制水平方向位移約束，底部采用固定約束，頂面為自由面。因為模擬時采用平面應變模型，所以在該模型中需要將支護樁、支承樁的支護寬度進行等效處理，則支護樁等效支護寬度為π(1000/2)2/1200=654.49mm；支承樁等效支護寬度為π(800/2)2/7500=67.02mm。

該模擬模型的尺寸為120.98m×74.2m，開挖深度為12.35m，支護樁長為35.2m，支承樁長為27.2m，支護樁與支承樁的間距為5m。有限元劃分如圖2所示。土體、支護結構的參數如表1、表2所示。

圖2 模型網格

表1 土層分布及土體力學參數

表2 支護結構參數

2.3 模擬結果

通過數值模擬，利用軟件分析模型施工階段中的受力變形，得出模型水平位移圖，支護樁與支承樁樁身的軸力、剪力、彎矩曲線圖，兩道環形板撐的剪力、彎矩。

結合該工程的實際施工過程，將模型的施工階段分為4個工況進行模擬。第一工況：在原地面基礎上施工支護樁與支承樁。第二工況：放坡開挖至第一道環撐底標高處。第三工況：施工完第一道環形板撐且養護達到設計要求強度，并開挖至第二道環撐底標高處。第四工況：施工完第二道環形板撐且養護達到設計要求強度，形成h型雙環板撐支護結構，并開挖至坑底。

將第一工況設置為初始階段，則施工階段一的位移為0。其余工況下模型水平位移圖如圖3～圖5所示。由圖3可知，基坑放坡開挖至-4.05m處，基坑最大水平位移出現在放坡中部至底部區域，最大水平位移約15cm。由圖4可知，基坑最大水平位移出現在放坡底部至第一道環形板撐底部之間的位置，最大水平位移約20.3cm，相對于第二工況而言，第三工況中基坑最大水平位移增大了5.3cm。由圖5可知，基坑在放坡底部至第一道環形板撐底部之間的位置出現最大水平位移，最大水平位移約24.6cm，相對于第三工況而言，第四工況中基坑最大水平位移也增大了4.3cm。

圖3 第二工況模型水平位移圖

圖4 第三工況模型水平位移圖

圖5 第四工況模型水平位移圖

通過分析施工階段中模型水平位移的變化趨勢可以看出，隨著基坑的施工，基坑的最大水平逐漸增大，但增大的速率減慢。由此得出，h型雙環板撐支護體系的整體剛度較大，可以很好地控制基坑水平位移。

2.4 h型雙環板撐各部分間的相互作用

h型雙環板撐由外側支護樁、內側支承樁、環形板撐三部分組成。三者相互作用，形成完整的支護結構。在第一道環形板撐中，將靠近放坡處的位置設為起始點，以0.5m為單位，將其分成7部分，模擬所得第三、四工況第一道環形板撐的剪力、彎矩值如表3所示。

在第二道環形板撐中，將靠近支護樁的位置設為起始點，以0.5m為單位，將其分成11部分，模擬所得第四工況第二道環形板撐的剪力、彎矩值如表4所示。

由圖1基坑支護剖面圖可知，支護樁的軸線將第一道環形板撐分為2.5m與1m兩部分；支承樁的軸線將第二道環形板撐分為4.5m與1m兩部分。

通過表3得出，第一道環形板撐的剪力、彎矩在支護樁與環撐連接的位置發生突變。在突變之前的位置，第一道環形板撐的剪力保持不變，但彎矩逐漸增大。通過對比兩工況中第一道環形板撐剪力、彎矩的變化得出：隨著基坑開挖深度的增加，第一道環形板撐的彎矩逐漸增加，即第一道環形板撐在第四工況中的彎矩值要大于第三工況中的彎矩值；當支護結構中第二道環形板撐發揮支護作用時，第一道環形板撐的剪力下降，即第一道環形板撐在第四工況中的剪力值要小于第三工況中的剪力值。由此分析出，第一道環形板撐可以承擔由支護樁傳遞的基坑外側水土壓力。通過表4得出，第二道環形板撐的剪力、彎矩在支承樁與環撐連接的位置發生突變，但剪力變化較小。在突變之前的位置，第二道環形板撐的剪力保持不變。在該模型中將第二道環形板撐與支護樁采用剛性連接，所以第二道環形板撐在靠近支護樁位置處彎矩最大，但樁間土和支承樁提供了豎向承載力，導致了第二道環形板撐的彎矩值逐漸減小。結合表3、4得出，第二道環形板撐的剪力、彎矩值均大于第一道環形的剪力值、彎矩值，當第二道環形板撐施工完成且基坑已開挖至坑底時，第一道環形環撐的剪力有所下降。由此可以說明，第二道環形板撐不僅承擔了較大的由支護樁傳遞的基坑外側水土壓力，還將支護樁、支承樁、環形板撐有機地連成一個整體。由于該模型為平面應變模型，所以得出的模擬結果相當于實際環形板撐中的一個剖面的受力情況，而在該平面應變模型模擬結果中環形板撐的剪力可以視為實際環形環撐中的徑向壓力，環形板撐可以憑借自身受力屬性將徑向壓力轉換為軸向壓力。

表3 第一道環撐剪力、彎矩

表4 第二道環撐剪力、彎矩

支護樁樁頂標高為-3.85m，支承樁樁頂標高為-8.5m。為方便分析，選取支護樁與支承樁上部分，即深度為-22m以上的部分做研究。支護樁與支承樁樁身水平剪力曲線圖如圖6所示，支護樁與支承樁樁身彎矩曲線圖如圖7所示，支護樁與支承樁樁身軸力曲線圖如圖8所示。

圖6 支護樁與支承樁樁身水平剪力曲線圖

圖7 支護樁與支承樁樁身彎矩曲線圖

圖8 支護樁與支承樁樁身軸力曲線圖

圖6中，剪力的正向表示剪力指向基坑內側，剪力的負向表示剪力指向基坑外側。通過分析圖6中支護樁在三個工況的樁身水平剪力變化得出：在第二工況中，基坑放坡開挖至-4.05m，支護樁樁頂的水平剪力為0kN。在第三工況中，基坑開挖至-8.7m，導致支護樁承受的基坑外側水土壓力增大，所以支護樁樁頂的水平剪力突增，增大至33.25kN，但支護樁將自身承受的基坑外側水土壓力傳遞給第一道環形板撐，因此第一道環形板撐承擔了基坑外側水土壓力，支護樁在第一道環形板撐下側的樁身水平剪力大于樁頂的水平剪力。在第四工況中，基坑開挖至坑底，支護樁承受的基坑外側水土壓力繼續增大，但支護樁將基坑外側水土壓力傳遞給兩道環形板撐，因此兩道環形板撐承受了基坑外側水土壓力并發揮其支護作用，導致支護樁樁頂剪力稍有減小，減小至27.55kN，所以支護樁在樁頂至第二道環形板撐間，樁身水平剪力先增大后減小，而在第二道環形板撐的位置，樁身水平剪力發生突變，且樁身水平剪力的絕對值逐漸增大，并在-8.5m附近出現最大負剪力，最大負剪力為-46.08kN。通過分析圖6中支承樁在三個工況的樁身水平剪力變化得出：支承樁在第二、三工況中樁身剪力變化不大，而在第四工況中由于第二道環形板撐承受了支護樁傳遞的基坑外側水土壓力并發揮其支護作用，導致支承樁樁身剪力變化較特殊，支承樁在樁頂處出現最大正剪力，最大正剪力為4.5kN，在樁頂至坑底間，樁身水平剪力逐漸減小，在坑底處樁身水平正剪力有小幅度增大，從坑底至-22m間，樁身水平剪力變化不大。

通過分析圖7中支護樁在三個工況的樁身彎矩變化得出：支護樁樁頂彎矩在3個工況中逐漸增大，在第二工況中支護樁樁頂的彎矩為0kN·m。由于在該模型中第一道環形板撐與支護樁采用剛性連接，在第三工況中，隨著基坑繼續開挖，致使支護樁樁頂彎矩突增，增大至102.23kN·m。在第四工況中，基坑開挖至坑底，但環形板撐發揮其支護作用，導致支護樁樁頂彎矩稍有增大，增大至121.32kN·m。在該模型中支護樁與第二道環形板撐也采用剛性連接，所以支護樁在第四工況中樁身彎矩變化較特殊，支護樁樁身彎矩在第二道環形板撐的位置發生突變，且樁身彎矩逐漸增大，并在-8.5m附近出現最大彎矩，最大彎矩為656.78kN·m。通過分析圖7中支承樁在三個工況中的樁身彎矩變化得出：支承樁在第二、三工況中樁身彎矩變化不大。由于該模型中第二道環形板撐與支承樁采用剛性連接，因此支撐樁樁身彎矩在第四工況中的變化較特殊。隨著基坑開挖至坑底，第二道環形板撐發揮支護作用，導致支承樁在樁頂處出現最大彎矩，最大彎矩為2.77kN·m，然后樁身彎矩呈現出減小的趨勢，從坑底至-22m間，支承樁樁身彎矩變化不大。

圖8為支護樁與支承樁樁身軸力曲線圖，其中軸力負值表示壓力，軸力正值表示拉力。分析支護樁樁身軸力可知：在第二工況中，基坑開挖至-4.05m，支護樁頂部沒有土層，所以支護樁樁頂軸力為0kN；在第三工況中，第一道環形板撐施工完成并養護達到設計要求強度，且基坑開挖至-8.7m，由于第一道環形板撐與支護樁采用剛性連接，支護樁樁頂軸壓力突增，軸力為-93.34kN；在第四工況中，基坑開外至坑底，支護樁樁頂軸壓力稍有增大，增大至-100.93kN。分析支承樁樁身軸力可知：在第二工況中，基坑放坡開挖至-4.05m，支承樁頂部存在土層，所以支承樁樁頂軸力為-1.42kN；在第三工況中，基坑開挖至-8.7m，支承樁頂部軸沒有土層，所以支承樁樁頂軸力減小至0kN，由于基坑開挖，基坑外側土體發生滑移、沉降等變形引起支護樁與支承樁樁間土體、基坑內部土體隆起，導致部分支承樁樁身軸力在第三工況中呈現出拉力；在第四工況中，第二道環形板撐施工完成并養護達到設計要求強度，且基坑開外至坑底，由于第二道環形板撐與支承樁采用剛性連接，致使支承樁樁頂軸壓力增大，增大至-13.99kN。

綜合圖6～圖8中支護樁剪力、彎矩、軸力在3個工況中的變化情況，再結合兩道環形板撐的剪力和彎矩得出，支護樁在水平方向提供較大的抗力、在豎直方向為第一道環形板撐提供承載力的同時，還將基坑外側水土壓力傳遞給兩道環形板撐。綜合圖6、7、8中支承樁剪力、彎矩、軸力在3個工況中的變化情況，再結合第二道環形板撐的剪力和彎矩得出，雖然支承樁提供的水平抗力較小，但為第二道環形板撐提供較大的豎向支撐力。

3 結論

通過理論分析與軟件模擬相結合，對h型雙環板撐支護結構在基坑支護剖面中的受力變形進行研究分析，得出支護結構各構件的受力作用機理：第一道環形板撐可以承擔由支護樁傳遞的基坑外側水土壓力；支護樁提供較大水平抗力和豎向承載力，并將基坑外側的水土壓力傳遞給兩道環形板撐；第二道環形板撐不僅承擔了由支護樁傳遞的基坑外側水土壓力，還將支護樁、支承樁、環形板撐有機連成一個整體；支承樁提供的水平抗力較小，但為第二道環形板撐提供豎向支撐力，保障了第二道環形板撐充分發揮其支護能力。

支護樁、支承樁、環形板撐三者間相互配合，從而形成一個受力更加科學、剛度更大的支護結構，有效地控制了基坑側向位移，保證了基坑的穩定性。該支護結構可以抵抗較大的坑外水土壓力，在大型深基坑支護工程中，有較好的應用前景。文章的研究成果為h型雙環板撐支護結構在深厚泥炭質土圓形深基坑中的應用提供了參考依據。