基于數值模擬對深基坑排樁支護結構的研究

曾翀

（江西有色建設集團有限公司，南昌 330000）

1 引言

近年來，隨著國家經濟的不斷發展，城市化建設的速度不斷加快，城市地上空間的利用越來越緊張，人們不得不對地下空間進行開發利用，使得基坑工程朝著更深的方向發展，并且對基坑的支護結構體系提出了更高的要求[1]，其中放坡加排樁支護的結構屬于常用的支護方式。

本文在現有的研究基礎上，通過對深基坑的特點及常見的基坑支護結構進行介紹，并借助有限元軟件，根據實際工程對放坡加排樁支護結構建立三維模型進行數值模擬。

2 深基坑特點及常見支護結構分析

深基坑是指開挖深度大于或等于5 m 的基坑（槽）的土方開挖、支護、降水類工程。基坑工程具有明顯的地域性，不同環境下的基坑受到水文條件及地質條件的影響，對基坑支護結構的要求也不相同；基坑工程具有較強的時空效應[2]，即在進行基坑開挖時隨著時間的推移，土體具有蠕變性，土體變形增大、抗剪強度降低；基坑工程具有系統性，基坑工程不僅包括支護體系設計，還包括土方開挖方案，開挖的合理與否對基坑的安全至關重要，在施工的工程中，應加強監測，做到信息化施工。

常見的基坑支護結構包括：放坡開挖及簡易支護結構、懸臂式支護結構、水泥土重力式擋墻支護結構、土釘墻復合土釘墻支護結構、拉錨式支護結構及組合式支護結構。

2.1 放坡開挖及簡易支護結構

該結構是通過選擇合理的開挖坡率，在開挖后土體能依靠自身的強度來保持邊坡的穩定，必要時配合短樁或者隔板等簡易的支護結構。這種支護結構施工方便、造價低但需要有足夠的場地進行放坡開挖。

2.2 懸臂式支護結構

懸臂式支護結構是通過向土體打入具有足夠剛度的支護結構來保證基坑工程的整體穩定，常見的懸臂式支護結構有板樁式結構、排樁式支護結構和地下連續墻。該結構對基坑開挖深度較為敏感，容易產生基坑變形，適用于土質條件較好、基坑開挖深度較淺且對基坑變形要求不高的基坑工程[3]。

2.3 水泥土重力式擋墻支護結構

該結構利用水泥攪拌設備，在基坑的周邊以水泥類材料為固化劑將原狀土進行強制攪拌，以此形成柱狀的加固擋墻，適用于淤泥質黏土地區。

2.4 土釘墻復合土釘墻支護結構

該支護結構是由土釘群、噴射混凝土及加固土體一起組成的支護結構體系。該結構能做到隨處開挖隨處支護，能夠有效地保持土體的強度，適用于開挖深度在5～10 m 的基坑工程。

2.5 拉錨式支護結構

該結構是由擋土系統與外拉系統組成，通過不同的系統進行組合，可適用于大多的基坑工程。

2.6 組合式支護結構

當單一的支護結構不能滿足基坑支護的安全性和經濟性時，可以將不同的支護結構進行組合，如放坡+單排樁、土釘墻+錨索、地下連續墻+錨索等，充分地發揮不同支護結構的優勢[4]。

3 工程概況

本工程建筑面積為50 000 m2，占地面積為13 836 m2，為2層地下室，基坑的開挖深度為6.4～10.5 m，分為東西南北4側，在東側（CDE 段），地下室與用地紅線的距離為5 m，紅線外為城市的次干道距地下室邊線10 m，道路中心沿線有雨水下水管管線，埋深約1.5 m，距基坑邊壁最小距離為12.5 m，臨近基坑有2 座污水接入井，距離基坑邊緣約5 m，埋置深度3.5 m；在南側（EFG 段）地下室與用地紅線的距離為5.7 m；紅線外為現狀臨時便道；西側（GHA 段）地下室與用地紅線的距離為5.5 m；紅線外空地，預計后期建設規劃道路；北側（ABC 段）地下室與用地紅線的距離為6.3 m；紅線外為城市次干道，距地下室邊線12 m，道路沿線有雨水下水管管線，埋深約1.5 m，距基坑邊壁最小距離為12.5 m，臨近基坑有2 座污水接入井，距離基坑邊緣約5 m，埋置深度3.5 m。綜合判斷該基坑的ABC段、DEF 及FGHA 段支護結構的安全等級為二級，基坑CD 段支護結構安全等級為一級。土層基坑設計參數如表1 所示。

表1 土層基坑設計參數表

綜合分析，該基坑開挖深度范圍內揭露的地層主要為素填土、粉質黏土，下伏基巖埋深較淺。該基坑東側和西側有一定的放坡空間，且坡頂無建筑物，但坡頂距離道路較近，基坑開挖深度相對較大，上述區段可考慮采用放坡+排樁支護的形式進行基坑支護。在CD 段：開挖深度為10.7 m，上部設計采用坡比1∶1 自然放坡，放坡高度為2.0 m，坡面采用噴漿掛網進行防水處理,下部設計采用φ1 500 mm＠1 800 mm 鉆孔灌注樁。樁頂標高為27.4 m，樁長18.70 m，混凝土強度等級為C30，嵌固深度為10.0 m，樁頂冠梁寬度為1.7 m，高度為0.8 m，地面的超載為30 k Pa。對該支護形式進行有限元模擬分析。

4 有限元分析

4.1 有限元軟件介紹

本文所采用的有限元軟件為MIDAS-GTS 軟件[5，6]，該軟件是基于C++語言編程，以有限元理論為基礎，針對巖土和隧道工程的專業分析軟件；不僅可以進行靜力分析、動力分析，還能進行施工階段的模擬分析、邊坡的穩定性分析；具有較強的前處理和后處理功能，相比于其他的有限元軟件能較好地處理操作復雜、建模煩瑣等問題。

4.2 三維有限元模型的建立

在MIDAS-GTS 軟件中建立三維模型的具體的操作一般包括以下幾個部分。

4.2.1 定義材料的屬性

在MIDAS-GTS 軟件中材料屬性的定義包括一般的物理性質、力學性質及對應的本構模型的定義。本文中的巖土體等參數根據實際的工程案例進行輸入

4.2.2 三維幾何模型的建立

因為MIDAS-GTS 的集合建模窗口與CAD 軟件相似，因此用該軟件來建立三維的集合模型較為簡單。

4.2.3 網格的劃分

對于有限元軟件來說進行網格的劃分是關鍵的一步，合理的網格尺寸能直接影響到計算結果的準確性，在GTS 中提供了兩種網格劃分的類型，分別為六面體和四面體兩種，其中六面體的網格更為精確，但不適用于不規則的幾何模型。一般較多采用四面體類型。

4.2.4 設置分析條件

當網格劃分完成后，進行模型邊界的設置及荷載的添加等初始條件的附加。在本文中將模型的底部、側面及前部設置為固定邊界，支護樁底鉸接。

4.2.5 模型運算分析

在進行模型運算分析時可以利用GTS 進行施工階段管理的模擬，每個施工階段相關的網格、荷載以及邊界條件可以通過激活和鈍化命令來決定荷載是否發揮作用，以此得到整個施工過程中結構內力與位移的變化。

4.2.6 模擬結果查看分析

待軟件運行完成后就可以進行模擬內力、彎矩和位移等計算結果的查看分析，也可以提取有用的數據進行曲線圖的繪制。

4.3 有限元結果分析

通過模擬本文對開挖完成后的水平位移及豎向位移進行分析，并對其進行統計，結果如表2 所示。

表2 支護結構位移統計表

從表2 可知，支護結構側移最大值為11.96 mm，周邊地表沉降最大值為1.13 mm，均滿足規范及設計要求。基坑開挖對周邊環境的影響在可控范圍之內，在實際施工中還需加強施工監測，進行信息化施工。

5 結論

本文對深基坑排樁支護結構進行研究，結合實際工程案例，借助有限元軟件建立三維模型進行數值模擬。研究結果表明，放坡+排樁的支護結構可以保證基坑的安全及穩定，但在實際施工過程中還需加強施工監測，進行信息化施工。