建筑基坑施工過程支護結構受力特性分析

張建華 （山東德正檢測有限公司，山東 滕州 277599）

隨著城市的持續(xù)開發(fā)，地下空間的利用程度不斷增大，出現(xiàn)了越來越多的基坑工程，且基坑工程施工的規(guī)模和復雜程度也隨之提升[1-2]。基坑工程作為建筑基礎施工的重要部分，對于保證建筑物的穩(wěn)定性和安全性具有至關重要的作用[3]。而支護結構是保證深基坑穩(wěn)定性的重要措施，對于防止基坑的變形和塌陷具有不可替代的作用[4]。由于基坑深度的增加，基坑工程面臨更加復雜的土質條件、地下水等因素的挑戰(zhàn)，因此，掌握支護結構的受力特性對基坑工程的安全性和穩(wěn)定性至關重要[5]。羅杰等[6]以某地鐵車站深基坑為例，對基坑變形進行了監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測結果通過正交法優(yōu)化了基坑支護結構的設計方案，提高了基坑的安全性，降低了支護成本；程周炳等[7]對水泥攪拌樁支護結構在基坑中的受力特點進行了總結，并分析了其支護效果。

基于此，為了進一步掌握建筑基坑施工過程中基坑支護結構在不同因素影響下的受力變形情況，通過建立數(shù)值模型，從支護樁樁長、樁徑、樁間距三個方面計算了支護樁的樁身彎矩和水平位移的變化趨勢，得出影響基坑支護結構受力變形的關鍵控制因素，為類似工程提供指導和借鑒。

1 工程概況

某超高層建筑基礎基坑類型為深基坑，基坑寬度和深度分別為26m 和14m，基坑四周地勢平坦，選擇明挖法施工。基坑地下土質情況復雜，經(jīng)檢驗地下水能夠腐蝕混凝土和鋼筋，通過在基坑外側設置旋噴樁，配合灌注樁的圍護樁來阻止側壁土中水的侵蝕。基坑支護體系共有三道支撐，其中有一道鋼支撐和兩道混凝土支撐。

基坑附近地質從下至上分別為含礫中砂、粉土、粉質黏土、淤泥以及雜填土。其中，含礫中砂顏色為棕褐色-黃褐色，中等密度，約含有20%的圓形礫石，且礫石分布不均勻，局部集中，中等壓縮性，土層厚度0.11m～4.6m，土體性質較好；粉土顏色為灰色-灰黃色，塑性土，中高等壓縮性，土層厚度0.21m～1.23m，土體性質較差；粉質黏土顏色為灰色-灰黃色，塑性土，中高等壓縮性，土層厚度1.59m～5.39m，土體性質一般；淤泥顏色為灰色，土體有臭味，呈流塑性，有較高的壓縮性，土體性質很差，厚度0.21m～1.51m；雜填土顏色為灰黃色，部分呈現(xiàn)灰色，土體較為松散，大部分為黏性土中夾雜碎石，整體壓縮性不均勻，土體性質較差，厚度1.1m～1.72m。各土層具體物理性質見表1。

表1 各土層物理參數(shù)

2 建立數(shù)值模型

根據(jù)地質勘查報告與實際工程情況建立數(shù)值計算模型。因為基坑結構相對稱，故只建立一半基坑的數(shù)值模型。在設置基坑邊界條件時，約束水平位移，固定基坑底部，上部設置成自由端。所用混凝土抗壓強度和等級分別為25.4MPa 和C30。基坑開挖時要做好降水工作，保證地下水水位一直處在基坑底部1m以下部位。選擇彈性支點法進行模擬，計算時把支護結構等效于彈性地基梁，以此得出不同條件下支護結構的受力變形情況，在計算結果中，“-”與“+”號分別表示支護結構朝向基坑內側和外側的變形，如圖1所示為模型示意圖，鋼筋和混凝土相關參數(shù)見表2。

圖1 基坑數(shù)值模型示意圖

表2 鋼筋和混凝土相關參數(shù)

3 基坑施工過程中支護結構的受力變形

在建筑基坑施工過程中，支護樁的受力變形會受到眾多因素的影響，如地質條件會對基坑支護樁的受力變形造成較大的影響，包括土層的性質、穩(wěn)定性、厚度、土層的含水情況以及巖層的性質等；基坑深度會影響基坑周邊土體的應力分布和支護樁的受力情況；支護樁的類型、尺寸、材料、布設方式、周圍建筑物、交通載荷以及施工荷載都會對其受力變形產生影響。

在此次研究中，主要研究施工過程中支護樁樁長、樁徑以及樁間距對支護結構受力變形的影響。

3.1 樁長對支護結構受力變形的影響

表3 為通過計算得出的不同圍護樁樁長時支護結構的受力變形結果。從表3中能夠得出，隨著基坑深度和支護長度的增大，不同長度基坑圍護樁樁身彎矩的變化趨勢大致相同，呈現(xiàn)出波動變化的規(guī)律。當支護樁靠近地表、支護深度較淺時，不同樁長下樁身所受彎矩相差較小，受樁長影響較小；當支護深度大于10m時，隨著支護深度的增加，樁身彎矩開始震蕩式快速增大，且各樁長彎矩間的差距也逐漸變大；在支護深度持續(xù)增大至20m以上時，各樁長彎矩間的差距較為顯著。根據(jù)上述結果能夠得出，當支護樁支護深度達到某一值后，提高樁長能夠增加樁身彎矩。對于樁身位移，隨著支護深度的增大，不同樁長的支護樁水平位移基本保持一致，均表現(xiàn)為樁身先向基坑內側移動，位移達到峰值逐漸轉向基坑外側，同時，樁長對樁體水平位移影響較小，無法通過增加樁長的方式來控制支護樁的水平位移。

3.2 樁徑對支護結構受力變形的影響

表4 為通過計算得出的不同圍護樁樁徑時支護結構的受力變形結果。從表4中能夠得出，隨著基坑深度和支護長度的增大，不同樁徑基坑圍護樁樁身彎矩的變化趨勢大致相同，呈現(xiàn)出波動變化的規(guī)律。當支護樁靠近地表、支護深度較淺時，不同樁徑下樁身所受彎矩相差較小，受樁長影響較小；當支護深度大于15m時，隨著支護深度的增加，各樁徑下樁身彎矩間的差距逐漸變大；在支護深度持續(xù)增大至20m以上時，各樁徑彎矩間的差距較為顯著。根據(jù)上述結果能夠得出，當支護樁支護深度達到某一值后，提高樁徑能夠增加樁身彎矩，這一規(guī)律與樁長對支護結構受力變形的影響相同。樁體水平位移受樁徑影響較大，且隨著樁徑的提高，樁體水平位移不斷降低，但從整體來看，樁體位移在不同樁徑下的變化規(guī)律基本一致，均表現(xiàn)為隨著深度的增加先增大后降低的規(guī)律。由此得出，通過增大支護樁的直徑能夠有效控制樁體的水平位移。

表4 不同圍護樁樁徑時支護結構的受力變形結果

除此之外，樁間距對支護樁樁身彎矩的影響與樁長、樁徑的影響規(guī)律一致，但不同的是各樁間距下樁身所受的彎矩基本一致，這表明樁間距并不會影響樁身的受力情況。另外，樁間距對支護樁樁身水平位移的影響與樁長的影響一致，各樁間距下樁身位移基本一致，這表明樁間距同樣不會影響樁身的變形情況。由此得出，無法通過改變支護樁樁間距的方式來控制支護結構的受力與變形。

4 結語

為了確定建筑基坑施工過程中基坑支護結構在不同因素影響下的受力變形情況，通過建立數(shù)值模型，從支護樁樁長、樁徑、樁間距三個方面計算了支護樁的樁身彎矩和水平位移的變化趨勢，主要得出以下結論：

（1）當支護深度較淺時，不同樁長（樁徑）下樁身所受彎矩相差較小，當支護深度大于10m（15m）時，樁身彎矩隨著樁長（樁徑）的增大而增大；隨著支護深度的增大，不同樁長的支護樁水平位移基本保持一致。

（2）樁體水平位移受樁徑影響較大，且隨著樁徑的提高，樁體水平位移不斷降低，但樁體位移在不同樁徑下的變化規(guī)律基本一致，均表現(xiàn)為隨著深度的增加先增大后降低的規(guī)律；各樁間距下樁身所受的彎矩和位移基本一致，這表明樁間距并不會影響樁身的受力和變形。

（3）可通過增大樁長和樁徑的方式提高基坑支護樁最大彎矩值，通過增大樁徑的方式來控制樁身位移。