基坑工程中支护结构受力特性及最优桩间距的研究

杨林华，彭世江

(中铁二院公路市政院，四川成都610031)

基坑工程是一个古老而又有时代特点的岩土工程课题。纵观国内外基坑工程的实际情况可以发现，目前基坑支护设计主要存在两种倾向:(1)设计安全度不足而造成基坑失稳事故;(2)设计过于保守而造成很大的工程浪费［1～6］。因此，如何选择较好的方案，使得支护结构既能保证基坑开挖期间的稳定性和周边建筑物及环境设施的安全，又能避免支护结构过于保守而造成不必要的浪费，采用优化设计是十分重要的。

为此，本文将以成都周边的某一隧道基坑工程为依托，结合地质情况，分别对不同桩间距情况下的支护体系进行数值模拟，并结合现场实测结果，研究深基坑支护体系的受力变形特性，深入探究深基坑开挖过程中影响支护体系稳定性的主控因素，最后确定深基坑开挖与支护桩设计的主要参数，为成都地区及其他相类似区域的深基坑工程支护体系设计提供参考依据。

1 实例工程背景

该基坑工程位于成都平原区，地形平坦开阔，地面高程482～483 m，相对高差2～11 m，沿线地表房屋密集，道路纵横交错，交通极为方便。根据地勘部门提供的地勘资料可知，该地区自上而下共分布着8个地层:上覆第四系全新统人工填筑土、卵石土、粉质黏土、第四系上更新统冰水－流水堆积层、粉质黏土、中砂、卵石土，下覆基岩为白垩系上统灌口组泥岩。其中，人工填土厚1～3 m，粉质黏土厚2～6 m，中砂厚0～2 m，卵石土厚2～14 m，底部为泥岩。同时，地震动峰值加速度为0.10 g，地震动反映谱特征周期为0.350 s。

2 深基坑支护结构的数值模拟

众所周知，基坑开挖本身是一个空间问题，且对于一些特定情况，其空间效应十分明显，单纯地将其简化为平面问题或者将空间问题分割为几个独立的平面问题并不足以反映实际的受力状态，而且会相应地造成资源的浪费。因此对于多道横撑的深基坑支护体系进行定量三维分析，充分考虑施工阶段的空间效应，具有重要的现实意义和工程意义，将支护体系的合理利用，能够一定程度上降低工程造价。本文以成都地区某一个基坑工程为实例，采用有限元空间数值分析方法，探讨了基坑开挖过程中，不同尺寸的支护结构对基坑稳定性的影响。

2.1 模型的建立

实质上，基坑问题是一个三维的无限远问题，其边界具有无限性。本文结合他人的研究成果计算模型的边界范围在水平、竖直方向上均取大于1倍的开挖范围即计算范围在水平方向取40 m，竖直方向取36 m，纵向取22 m。MADAS/GTS中存在实体单元和构件单元两种建模方式，为了能够更加合理的模拟各个部分，将采用以下建模方式:支撑结构采用梁单元进行建模，桩采用桩单元进行建模，冠梁采用梁单元进行建模，土体采用实体单元进行模拟。同时，为了更加真实的模拟土与结构的相互作用，本文将采用Goodman接触单元来模拟桩－土、冠梁－土等等的相互作用，具体数值分析模型详见图1。

图1 基坑工程的数值模型

2.2 边界条件

基坑围岩范围周边取为各边的法向位移约束，地表为自由面;围护桩桩底为竖向约束;钢支撑与围檩或冠梁应为弹性约束，由于钢支撑的恒受压性和建模的方便，释放了数学模型中的梁端转动约束，在模拟时仅以铰接代替，对称面处的冠梁及工字钢围檩截面采用滑动支座来约束。

2.3 本构模型及土体参数

本文在进行数值分析中将采用摩尔库伦本构模型来模拟土体，同时也采用线弹性本构模型来模拟基岩、支撑体系等，具体的物理力学参数和本构模型的选取详见表1。

表1 土体的物理力学参数

3 数值模拟结果分析

为了研究不同桩间距情况下，桩身的变形、桩身的剪力以及桩身弯矩的分布情况，本文将分别计算了在桩径1.5 m的情况下，桩间距为2.5 m、3 m、3.5 m、4 m及5 m五种工况，具体结果如下。

3.1 桩身变形

为了研究桩身自上而下的变形情况，本文将在桩身内侧自上而下设置一系列的监测点，间距为0.5 m。同时，由于基坑围护桩主要为抗弯结构，其水平向变形为其控制性参数，而且围护桩已底部伸入基岩4 m，其竖向变形对结构强度的影响可忽略，因此仅考虑其水平变形，具体结果见图2和图3。

图2 桩身变形

由图2可知，桩身水平位移呈中间和顶部较大，底部较小，桩身位移主要发生在开挖面以上范围内，最大值为发生在约开挖深度1/3处。具体如下:在桩高分别为8 m和13 m处，位移出现“突减”变化，其主要原因是在开挖下部土体前，施作钢支撑，增大了支护结构的横向刚度，约束了桩身上部的位移。在桩高为0至4 m处，由于桩己嵌入强度很大的基岩当中，围岩对桩体变形起到了较大的约束作用。基于以上两方面，便形成了下部和上部约束强，中间约束弱的力学结构，在桩后土压力的作用下，产生鼓胀，中间部位产生较大的位移。同时，随着基坑内维护桩桩间距的增大，桩体水平位移不断增大，根据王翠英等［7］人关于合理桩间距的计算理论进行计算，得出本断面允许最大桩间距为3.4 m。由图2可知，在3 m至4 m桩间距范围内，维护桩水平位移变化不大，当桩间距为5 m时，维护桩桩间距继续增大，这是由于随着桩间距的增大，维护桩之间的“土拱效应”减弱，土体以及维护桩的水平位移不断增大，由图3可知，随着桩间距增大，土体和桩体的最大桩间距都在增大，在3 m至4 m处，土体位移最大值继续增大，维护桩水平位移最大值变化减缓，桩间距为5 m时土体与桩体之间位移值错动增大，土体发生破坏，因此，3～4 m为合理桩间距。

图3 土体、桩身的最大位移

3.2 桩身的剪力和弯矩

综合分析图4和图5可知，无论是桩身剪力，还是桩身弯矩，其最大值均随基坑桩间距的增大在增大，主要原因是随着桩间距的增大，桩内外压力差增大，桩体维护作用减弱，进而造成了桩身剪力、弯矩的增大。

图4 桩身剪力

图5 桩身的弯矩

4 结论

本文依据某基坑工程为背景，结合现场实测资料，利用大型数值分析软件MADAS/GTS开展最优桩间距的研究，得出以下结论:

(1)桩身水平位移呈中间和顶部较大，底部较小，桩身位移主要发生在开挖面以上范围内，最大值为发生在约开挖深度1/3处。

(2)桩身剪力、弯矩的最大值均随基坑桩间距的增大在增大。

(3)建议该基坑工程采用的合理桩间距为3～4 m。

［1］ 赵利侠.RAGA在深基坑工程优化设计与稳定性评价中的应用［D］.合肥:合肥工业大学，2005

［2］ 邹洪海.关于深基坑支护结构设计方案的优选与优化设计探讨［D］.济南:中国海洋大学，2005

［3］ 熊志彪.建筑基坑支护［M］．中国建筑工业出版社，2008

［4］ Terzhagi K.Theoretical Mechanics，John Wiley Sons，Inc.，NewYork:1943