深基坑支護方案的對比及優化研究

郭喜梅

（云南工商學院， 昆明650000）

由于城市土地資源的匾乏， 我國城市建筑也正在逐漸向高層發展，基坑的開挖越來越深、面積越來越大，基坑圍護結構設計和施工越來越復雜，因此，只有在保證基坑工程的前提下對高層建筑的地下建筑物車庫、人防等及地鐵交通工程進行施工［1-3］。 基坑支護結構發展至今，主要問題包含兩個［4-6］：一是基坑支護結構的暫時性和重要性，安全、經濟、環保的基坑支護結構優化的設計方法非常重要； 二是基坑支護工程設計和施工過程不穩定因素眾多， 事故率相對較高。因此對具體工程可利用建立優選模型、進行多目標決策的方法進行優化選擇［7-9］。

1 工程概況

某建筑物為地下-3F，地上4～23F，地下室底板標高238.9m，坡頂消防環道標高254.0m，擬建基坑占地面積11244.0m2。場地現已完成拆遷工作，平場至基坑底將于四周形成長304.8m、垂直高10.6～20m的基坑。表層為人工堆積素填土層：灰褐色、紅褐色、黃褐色等，主要成份為回填黏性土，混砂礫，局部夾碎石，結構松散，厚2.10～3.30m；沖洪積粉質黏土：可塑，土質不均勻，含少量砂粒；殘積砂質黏性土，硬塑；下伏侏羅系角巖，青灰色，變晶結構，塊狀構造；震旦系混合巖，灰褐色，粗粒結構，塊狀構造，基巖面起伏較大。全風化帶揭露層厚4.00～11.50m， 強風化帶揭露層厚18.10～29.20m，中等風化帶揭露層厚5.40～8.00m，未揭穿。 沿線地表水不發育，地下水類型主要為第四系松散巖類孔隙水和基巖裂隙水，地下水較豐富，塊狀強風化為主要含水層。 地下水位高程為12.73～23.64m。

2 深基坑的三維數值模型

2.1 有限元模型的建立

根據場地地形、土體類型、基坑形式、支護結構形式建立三維數值計算模型。圖1為地下連續墻支護方式模型，圖2雙排樁支護方式模型。 據場地實際地形（長、寬、高）建立場地模型，由四面體、五面體和六面體混合網格單元相互匹配、連接組成。 模型長（y方向）為200m，寬（x方向）為150m，高為40m。 計算中模型邊界條件的如下： 底部邊界設定水平和豎直方向位移約束；側向邊界設定水平向位移約束；頂部邊界為自由邊界。

圖1 地下連續墻支護方式模型

圖2 雙排樁支護方式模型

2.2 計算參數

土體參數根據當地土質監測報告， 土層參數具體取值如表1。 支護結構參數具體取值如表2。

表1 土層參數

表2 支護結構參數

3 數值結果分析

3.1 兩種支護形式的對比

圖3和圖4分別為地下連續墻支護結構和雙排樁支護結構剖面云圖。從圖中可以看出，兩種支護結構下，土體的變形規律一致。 對比圖3和圖4可以看出，雙排樁支護下，土體變形的范圍更廣。

圖3 地下連續墻支護剖面位移云圖

圖4 雙排樁支護剖面位移云圖

圖5給出了兩種形式支護結構下支護結構的水平位移曲線圖。 從圖5中看出，兩種支護結構的水平位移都隨著深度先迅速增大，隨后減小，地下連續墻的最大位移出現在地下連續墻的中部， 而雙排樁的最大位移出現在雙排樁的上部。。其中雙排樁的前樁的最大水平位移為9.5mm，地下連續墻的最大水平位移為8.5mm，相比于雙排樁支護，位移減小了約10%?？梢姷叵逻B續墻的支護效果略優于雙排樁支護。

圖5 不同支護結構下支護結構水平位移

圖6給出了兩種支護結構下的地表沉降曲線。從圖中可以看出， 兩種支護結構下地表沉降隨著距基坑距離首先迅速增大，隨后迅速減小直至趨于0?？梢姡罨娱_挖對周邊的影響范圍主要集中在0～20m。如圖所示， 雙排樁支護下最大地表沉降為15.5m，地下連續墻支護下的最大地表沉降為13.5m，位移減小了約13%。 總所周知，同等條件下地下連續墻的造價遠高于雙排樁支護。從以上對比可以看出，此工程中地下連續墻的支護效果僅僅略優于雙排樁， 因此本工程最經濟合理的支護結構為雙排樁結構。

圖6 不同支護結構下地表沉降

3.2 雙排樁不同排距的影響

本節研究了雙排樁不同排距對支護效果的影響。假定其他條件都是一定的，只改變排距L，分別模擬排距為2，4，6，8，10和12d這6種工況（d為樁徑大小，d=0.7m）。圖7給出了不同排距下前排樁的水位位移隨深度的變化曲線，圖中可以看出，不同排距左右下前排樁的水平位移隨著深度首先迅速增大， 在深度約4m處達到最值，隨后迅速減小直至趨于穩定。當排距L=2，4，6，8，10，12d時， 前排樁最大水平位移分別為15.5，12，10.5，9.8，9.2，8.9mm。 可見排距為2d變為4d時，前排樁的水平位移減幅高達約25%，說明此事前后樁協同工作，空間效應最為顯著。當排距由8d變為10d時， 位移減幅只有6%。 因此隨著排距的增大，位移減小的幅度越來越小。后排樁只起到了拉錨作用。

圖7 不同排距下前排樁水平位移

圖8給出了不同排距下后排樁的水位位移隨深度的變化曲線。從圖中可以看出，后排樁最大位移在樁頂附近，隨著深度逐漸減小直至趨于穩定。當排距L=2，4，6，8，10，12d時， 前排樁最大水平位移分別為16.5，8.5，5.0，3.7，2.5， 2.0mm。 同樣可以看出，隨著排距的增大，后排樁水平位移迅速減小。

圖8 不同排距下后排樁水平位移

圖9給出了前后排樁水平位移隨排距變化曲線。圖中可以看出，前排樁的水平位移大于后排樁，更好的證明了雙排樁支護中后排樁所起到的拉錨作用。前后排樁的最大水平位移都隨著排距的增大， 迅速減小，但當排距大于6d時，這種排距增大導致的影響越來越不明顯。綜上所述，本工程最合適的排距為4～6d。

圖9 前后排樁水平位移隨排距變化曲線

3.3 雙排樁不同樁距的影響

本節研究了雙排樁樁距對支護效果的影響。 假定其他條件都是一定的，只改變樁距L，分別模擬樁距為1，2，3，4，5，6d的6種工況 （d為樁徑大小，d=0.7m）。 圖10給出了不同樁距下前排樁的水平位移。從圖中可以看出，當樁距L=1，2，3，4，5，6d時，前排 樁 最 大 水 平 位 移 分 別 為37.5，27.1，22.8，18.5，16.0，13.3mm，可見減小排距可以有效控制前排樁的水平位移。

圖10 不同樁距下前排樁水平位移

圖11給出了不同樁距下后排樁的水平位移。從圖中可以看出，當樁距L=1，2，3，4，5，6d時，前排樁最大水平位移分別為37.1，26.0，21.4，16.6，14.2，11.5mm，同樣減小排距可以有效控制后排樁的水平位移。

圖11 不同樁距下后排樁水平位移

圖12給出了前后排樁水平位移隨樁距變化曲線。從圖中可以看出，隨著樁距的增大前后排樁的水平位移增大，且增大趨勢愈來愈明顯。這種由于樁距的增大， 雙排樁樁數量減小， 支護結構的整體性變差，支護結構剛度愈來愈小。 綜上所述，本工程最經濟合理的樁距為2～3d。

圖12 前后排樁水平位移隨樁距變化曲線

4 結語

本文結合某基坑施工的工程背景， 采用有限元軟件Plaxis 3D對深基坑支護結構進行了數值模擬。通過兩種支護結構下的位移對比， 確定了本工程經濟合理的支護結構。 進一步研究了雙排樁的參數對支護效果的影響。 取得的主要研究成果如下：

（1）本工程中地下連續墻的支護效果略優于雙排樁支護結構。 但地下連續墻支護下的支護結構水平位移和地表沉降相較于雙排樁只減小了約10%。 綜合考慮經濟性和優化效果， 本工程最經濟合理的支護結構為雙排樁。

（2） 雙排樁排距對雙排樁的支護效果有顯著的影響。雙排樁前后排樁的水平位移隨著排距的增大逐漸減小，并且后排樁的減小幅度更大。為了更好發揮雙排的空間結構優點，本工程最經濟合理的排距為4～6d。

（3）雙排樁樁距對雙排樁的支護效果有顯著的影響。 雙排樁前后排樁的水平位移隨著樁距的增大而增大，且這種增幅愈來愈大。這是由于支護結構的整體性下降且形成不了土工效應。