基坑兩側場地高差對支護結構設計的影響分析

湯 愷

（廣東省重工建筑設計院有限公司，廣東廣州 510034）

地下連續墻+內支撐支護結構因其連續墻剛度大，整體性好，基坑開挖過程中安全性高，支護結構變形較小等特點得到了廣泛使用[1]。隨著基坑朝著更深、更復雜方向發展，基坑支護結構的設計所需考慮因素也增多，如何更全面、更準確地反映基坑支護結構受力及變形特性成為基坑支護結構設計的關鍵。

通常，場地平整后基坑四周場地標高相差不大及相近的情況下，地下連續墻+內支撐支護結構設計計算可采取對稱取半，選取斷面進行設計計算。當基坑場地平整后，基坑四周場地存在高差情況下，基坑支護結構設計需考慮三維空間效應[2-3]。本文主要通過有限元計算軟件建立在不同場地高差值情況下的三維計算模型，得出場地高差值對地下連續墻結構影響的大小，優化傳統支護結構斷面設計計算方法，以達到簡化在基坑兩側存在場地高差情況下的支護結構設計。

1 有限元計算模型

本算例主要結合廣州地區某基坑工程，場地呈南北向分布，形狀規則，場地東高西低，中間有起伏，場地平整后基坑東西兩側高差約為5 m，基坑30 m×10 m，基坑深12 m，基坑支護結構形式采用800 mm地下連續墻+兩道內支撐支護。基坑三維計算模型取8 0m×80 m×45 m（深）。

地下連續墻采用800 mm厚殼單元，內支撐、腰梁及冠梁采用一維梁單元，土體采用三維實體單元，共25 670個單元，26 910個節點。地下連續墻與混凝土撐采用C30，彈性模量E=30 MPa，μ=0.2，容重γ=25 kN/m3，根據場地地質勘查報告，取巖土參數取值。

為驗證所建立三維模型及土體參數取值的合理性與可對比性，通過比較分析有限元計算與理正深基坑計算基坑四周場地標高一致情況下的支護結構水平位移可知，理正深基坑與有限元方法計算連續墻變形趨勢相一致，理正計算結果較有限元計算結果偏小1～2 mm，主要原因是兩種計算方法不同，理正通過采用彈性梁法簡化計算樁土之間共同作用；有限元法是采用土體單元與樁單元之間接觸進行計算分析。整體計算結果相近、水平位移趨勢都是相同，可相互驗證所建計算模型的合理性。

2 數值計算與分析

針對上述相關參數建立三維有限元計算模型，考慮不同基坑兩側場地的高差值，通過有限元和理正深基坑支護結構設計軟件，計算分析不同高差值對地下連續墻支護結構的變形影響。

2.1 有限元計算分析

通過分別建立基坑場地兩側高差H=1 m、H=3 m、H=5m及普通場地高差為H=0三維計算模型，提取基坑相同位置處高低兩側的連續墻水平位移曲線如圖1、圖2所示。

圖1 有限元計算場地高側連續墻水平位移

圖2 有限元計算場地低側連續墻水平位移

由以上有限元計算分析結果顯示，當H=0時，基坑兩側位移呈對稱顯示，都朝基坑內側變形，基坑頂水平位移與最大水平位移分別為3.33、9.21 mm。當H值從1、3、5 m逐漸增加時，基坑高側支護結構頂水平位移向基坑內側逐漸增加，分別為4.49、16.83、36.16 mm，本側支護結構最大水平位移也由墻身逐漸轉向墻頂位置；而基坑內側支護結構頂水平位移分別為-2.05、5.90、14.04 mm，本側支護結構水平位移也由朝基坑側逐漸轉變為背向基坑一側發展。

從結果分析可知，當基坑兩側高差逐漸增加時，基坑支護結構水平位移由朝向基坑一側變形逐漸轉變為場地高側水平位移朝基坑側逐漸增加，場地低側則背向基坑一側發生變形。主要是由于基坑變形呈三維空間效應，隨著場地高差值逐漸增大，場地高側土壓通過支撐傳遞給場地低側支護結構，基坑低側支護結構產生背向基坑一側的水平位移。

2.2 理正深基坑計算分析

基坑深度12 m，對基坑場地兩側高差H=0、1、3、5 m的四種情況八個斷面（其中冠梁、腰梁混凝土等級取C30），采用設計常用深基坑軟件（理正深基坑支護結構設計軟件7.0版）進行算例分析。

低、高側計算分析如圖3、圖4所示。

圖3 理正計算場地低側連續墻水平位移

圖4 理正計算場地高側連續墻水平位移

根據有限元計算結果可知，場地兩側存在高差時，基坑兩側支護結構水平位移不對稱，而坑高側土壓力通過支撐傳遞給低側支護結構的協同變形模式。在理正計算場地低側斷面分析時，可通過對斷面施加合適的預加力進行計算分析。

對場地低側連續墻設計施加預加軸力（約為場地高側支撐軸力的40%～60%），計算基坑開挖至12 m支護結構水平位移，工況1～4對應最大水平位移分別為9.2、10.4、19.0、38.2 mm；工況5～8對應最大水平位移分別為-9.2、-8.1、5.7、13.8 mm；計算抗傾覆安全系數，整體安全系數的值都能夠滿足規范要求。理正與有限元分析結果對比如表1所示，“+”為高側朝基坑向，“-”為低側。

表1 理正與有限元分析計算結果對比

理正計算結果與有限元分析計算結果趨勢相同、大小相近。通過對基坑場地低側施加40%～60%場地高側軸力的分析模型，其計算結果與對應的有限元計算結果基本吻合。

3 結語

本文通過有限元分析基坑兩側場地高差對地下連續墻的三維模擬分析，基坑兩側場地存在高差H時，優化了地下連續墻支護結構的場地低側斷面設計計算方法。

（1）運用理正和有限元分析方法對基坑兩側場地不同高差值、對高低兩側地下連續墻設計影響大小、對應的7種工況所得最大水平位移、抗傾覆安全系數以及整體安全系數進行計算分析合理與可行。

（2）在實際應用時，可根據本文設計計算方法，以及具體的地質條件、地面超載等實際情況驗算調整，為相關的基坑兩側場地存在高差情況下的支護結構設計提供了一定的借鑒與參考。