深基坑施工中的支护与地表变形分析

刘爱平 艾丽华 丁 辉

(江西新余国科科技股份有限公司,江西 新余 338034)



深基坑施工中的支护与地表变形分析

刘爱平 艾丽华 丁 辉

(江西新余国科科技股份有限公司,江西 新余 338034)

采用FLAC3D数值模拟软件，建立了1/4的数值模型，对不同情况下的基坑进行了仿真模拟，得到基坑不同位置处的支护变形规律和距离基坑不同距离的地表变形趋势，所得结论可为深基坑施工的安全设计提供参考。

深基坑，支护，地表变形，FLAC3D

深基坑是指为建筑物或构筑物地基与地下施工而开挖的地下空间，一般将深度不低于7 m的深坑称为深基坑[1]。随着我国城市化进程的加快，城市建设正逐渐向高空和地下发展。由于城市用地紧张，高层建筑之间的距离也越来越近。改革开放之后，我国的高层建筑物越来越多，迄今国内的高层建筑已超过1.3亿 m2[2,3]，超高建筑也越来越多。由于高层建筑必须有足够的埋深以保证稳定性，同时为了开发地下空间(停车场、地下商场、地下仓库等)，建筑物的基础埋置深度也逐渐变大，客观上使得深基坑越来越多。基坑开挖时会引起建筑周围的土体扰动，使已有建筑物的地基随土体发生位移和沉降，同时使开挖的土体卸力，引起支护结构的变形，为建筑安全带来隐患[4]。本文对距离基坑不同距离处，基坑开挖对地表和建筑物的影响进行了分析，所得结论可为建筑行业的安全设计提供参考。

1 仿真方法与模型

1.1 方法概述

在进行深基坑相关研究的过程中，一般采用模型试验和原位试验的方法，通过收集数据结合理论分析得出相关结论，但是模型试验和原位试验的成本高、周期长，且数据精度差。相比之下，利用数值仿真的方法可以弥补上述缺点，同时可以方便的调整参数，便于寻找规律性的结论。在岩土工程中，常用FLAC3D软件进行数值模拟。FLAC3D是一个采用有限差分法的仿真软件，可以高度精确的模拟土方、岩石在达到塑性形变后发生屈服流动的过程[5]。该软件材料库包含了多种常见的建筑材料，同时拥有强大的前后处理功能，可模拟包括力学、热传导、流体运动在内的多种物理过程。FLAC3D特有的运动方程显示时间逼近解法能较好的用于分析岩体破坏和工程材料的大变形，可用于模拟实际工程中岩体的力学性能和变形特性。

1.2 仿真模型

本文中，基坑开挖面积为1 200 m2，基坑长40 m，宽30 m，深度为10 m。为消除边界影响，模型尺寸不能过小，最后拟定模型大小如图1所示，建立的数值仿真模型如图2所示，由于基坑效应是轴对称的，为节省机时，建立1/4模型进行分析。基坑的支护模型为排桩加土钉支护方式。

1.3 材料参数

本文采用Drucker-Prager(D-P)假设作为土体的材料模型，从地面往深大致可分为黄土层，古土壤层和粉质粘土层。各层的物理性质如表1所示[6]。

表1 各种土层的物理性质

2 仿真结果与分析

2.1 支护结构的变形

在基坑开挖之后，土体的基坑一侧失去支撑，支护结构在合力作用下，发生变形。为研究支护结构变形的规律，设置建筑与基坑距离为5 m，10 m和15 m，考察不同情况下，不同桩长顶部结构的水平位移，结果如图3～图5所示。

基坑开挖时，远端(15 m)的位移要大于近端(0 m)，且随着工程的推进，远端的增幅较为明显。在基坑刚开挖时，对排桩的压力作用较小，而桩底端的土体位移较大，因此下部的位移大于上部。而深度的增加会使这个趋势更加明显。在桩长6 m时，达到极限，超过这个拐点，排桩的水平位移不再增大，支护结构不再向基坑内部偏移。在拐点处，土体位移的变化标志着应力场的变化与重分布，这对于周围的建筑会产生不利影响。通过上述分析可知，排桩的变形受到了基坑深度，支护位置和支护方式的影响。在城市建筑中，基坑临近的建筑物通过地表应力传播，向支护施加侧向压力，尤其对浅层桩的影响较大，在施工时应加以注意。

2.2 地表沉降

对建筑物距离基坑15 m时，与基坑不同距离处的地表沉降进行分析。得出与基坑不同距离处的沉降值变化情况见图6。从图6中可以看出，在靠近基坑处，地表呈现隆起变化，随着距离的增加，隆起的幅度逐渐减小，从距离35 m更远处，地表开始沉降。由于计算规模所限，未能得出更远处的数据，但依据其变化趋势，可推断经过一段距离的变化后，沉降将终止，土体与地表持平。在与基坑中间位置(y=0)同一方位的土体中，土体的隆起要明显大于基坑边缘处(y=15)，且随距离的变化，隆起的情况将以更快的速度消失。

3 结语

建立了与建筑物不同距离处的基坑模型，对不同距离处，基坑不同位置的排桩位移以及不同距离处的地表变化进行了分析，得出了以下结论：1)距离基坑近处地表发生隆起，随后逐渐减小直至向下沉陷。2)桩顶的横向位移随着基坑开挖不断增大，但存在一拐点，超过此点后位移不再增加，反而开始减小，位移曲线出现拐点。此拐点处土体的竖向位移最大，支护变化也最大，需要在施工时特别注意。

[1] 廖 瑛.深基坑及基坑支护结构发展综述[J].科技进步与对策,2003(S1):252-253.

[2] 林希强.基坑复合土钉支护全过程内力及变形研究[D].武汉：中国地质大学,2004.

[3] 李爱民.深基坑土钉墙支护结构设计的优化研究[D].武汉：武汉科技大学,2006.

[4] 舒伟富.深基坑支护结构与土的相互作用机理研究[D].长沙：长沙理工大学,2009.

[5] 孟 厦.FLAC3D前处理程序开发及其工程应用研究[D].淮南：安徽理工大学,2009.

[6] 张爱英.基坑开挖对邻近建筑物影响的数值模拟分析[D].西安：西安科技大学,2008.

Analysis of shoring and surface deformation during the deep excavation construction

Liu Aiping Ai Lihua Ding Hui

(Jiangxi Xinyu Guoke Technology Co., Ltd, Xinyu 338034, China)

A quarter numerical models were built and the foundation pit under various situations was simulated by FLAC3D. The deformation regularity of support systems and ground surface settling was obtained and this research will provide further guide for the safety design of deep foundation excavation.

deep foundation excavation, shoring, surface deformation, FLAC3D

1009-6825(2017)08-0064-02

1009-6825(2017)08-0062-02

2017-01-07

刘爱平(1971- ),男,工程师

TU463

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