深基坑多材料复合加固稳定性模拟分析

段其品

摘要： 深基坑开挖过程中坑壁大变形或坍塌是基坑事故的主要形式，深基坑加固的稳定性是基坑质量的重要标准，本文将讨论优化深基坑加固的设计方法，采用拉格朗日差分原理对深基坑失稳的原因进行剖析。通过本文的研究给深基坑加固的设计及研究提供参考。

Abstract： In the deep excavation， the pit wall deformation or collapse is the main form of pit accident， so the stability of deep foundation pit reinforcement is an important criterion for the quality of foundation pit. This paper will discuss the optimization design method of deep foundation pit reinforcement， and use Lagrange differential principle to analyze the reasons causing stability loss of deep foundation pit， so as to provide reference to the research and design for deep foundation pit reinforcement.

关键词： 深基坑；稳定性；失稳

Key words： deep foundation pit；stability；instability

中图分类号：TV551.4 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）16-0133-04

0 引言

在现代建筑发展过程中，城市建设基坑开挖对周围建筑物和环境造成相应影响，基坑加固技术越来越体现出其重要价值，国外基坑发展始源于20世纪30年代初期，由太沙基和皮克两位杰出科学家进行研究，到20世纪60年代时期，在国外的基坑开挖中才有了基坑监测。至20世纪70年代起，国外开始大规模使用现代先进机器对基坑加固结构进行检测，基坑工程加固技术逐渐走向完善。90年代到21世纪是国外基坑蓬勃发展的时期，基坑加固技术已经走向复杂化多元化，在实际工程运用之中新的加固方法不断得到实践运用。国内外常用的基坑加固结构形式：放坡式；深层水泥搅拌桩；土钉支护；钢筋混凝土灌注桩；岩土锚杆；本文通过理论分析提出左岸放坡式开挖采用土钉加固，右岸竖直开挖采用排桩锚索加固，整个基坑运用复合开挖和加固设计理念，采用FLAC3D软件数值模拟对复合开挖和加固设计理念进行论证分析。

1 基坑设计方案

本文根据实际工程项目进行基坑的加固优化设计，通过多方面的比较决定采用多材料复合加固的方式进行加固，如图1所示。

1.1 IJ段

深度6.5m，此段为基坑右岸竖直基坑壁，因为基坑右岸为原有建筑区，为了保护现有建筑物不受到破坏，右岸采取竖直开挖和排桩锚索加固的设计方法。排桩锚索加固的排桩长12m，排桩直径600mm，排桩间距1.2m，排桩底部打到岩层固结，排桩之间采用钢网高压旋喷固结加固。锚索设计为与排桩顶端固结，入射角度150，锚索总长为20m，其中锚固段长度高达14m。将采用FLAC3D软件进行数值模拟分析，验证此设计方法是否符合设计规范要求。

1.2 AH段

深度6.5m，此段为基坑左岸，因为基坑左岸无大规模建筑物，设计采用放坡台阶式开挖，每阶长度0.5m，竖直开挖1m，形成均匀放坡台阶式基坑壁，因此基坑壁采用土钉加固方法。土钉设计尺寸为直径150mm，长度6m，设计为左岸基坑壁用三道土钉进行加固，第一道土钉距离坡顶2m，其余两道土钉依次间隔2m进行加固，入射角度150，土钉之间距离平均为1.5m，土钉之间基坑壁依然采用钢丝网旋喷加固，加固处理后理论计算得出边坡最小安全系数1.42，满足设计规范要求。

1.3 设计中为方便基坑加固施工，基坑分为3步开挖

①开挖深度1m，第一次开挖后左右岸不进行任何加固措施；

②开挖4.5m深，第二次开挖后左岸进行土钉钢网旋喷加固，右岸进行排桩钢网旋喷加固；

③开挖6.5m深，第三次开挖后左岸进行土钉钢网密集加固，右岸进行排桩锚索整体固结和钢网旋喷加固。

2 数值模拟分析

本实例采用FLAC3D软件选取长100m，宽1m，高20m的断面进行数值模拟分析，用多材料復合加固的方法检测基坑的抗滑稳定性，根据地质勘探报告将地基划分为4层（见表1），设计了锚索和土钉的各种参数（见表2，表3）。

深基坑加固稳定性分析主要考虑两个方面：第一，深基坑坑壁的位移沉降分析；第二，深基坑加固结构的变形稳定性问题。经加固之后基坑沉降如图所示：

据模拟图片，基坑右侧排桩锚索加固后位移非常小，仅仅是10.5mm的变形，左侧基坑壁因为是放坡开挖，最高处位移最大为34.5mm，平均基坑位移只有27.9mm，满足设计规范要求，也以实际开挖的平均位移32mm，基本吻合。

加固结构的受力情况如图所示：

①排桩结构承受主要荷载为主动土压力、被动土压力和预应力锚索施加的力，这三个力的作用使排桩产生轴向压力。最大轴压力值为6.073e5MPa，完全处于排桩最大受力范围。

②预应力锚索主要承受排桩顶部和内部土体造成的最大拉应力，最大拉应力值为5.922MPa，满足规范设计要求。

③模型中嵌入三排土钉，放坡开挖中第二次开挖开始加固，主要受到土体滑移产生的拉应力，土钉承受最大拉应力为64.85MPa，完全满足设计规范的要求。

3 结论及修改意见

①本基坑加固后产生的位移主要位于左侧基坑顶部与实际情况相符；

②本基坑左侧加固结果显示只有第一排土钉受力情况明显，第二和第三排土钉基本不受力，根据实际情况提出撤销第三排土钉的意见，保留第一和第二排土钉即可满足设计要求；

③本基坑右侧支护排桩底部受力较大，修改意见为在底部排桩间距2m改为1.5m，提高排桩的密集程度；经修改后完全满足设计规范的要求；

④本次采用FLAC3D软件对基坑加固结构稳定性进行数值模拟，计算结果和修改后意见在实际工程运用中取得较大成功，说明本次多材料复合加固设计方法是合理的。

参考文献：

[1]王广国，杜明芳，侯学渊.深基坑的大变形分析[J].岩石力学与工程学报，2000，19（4）：509-512.

[2]蒋洪胜，侯学渊.基坑开挖对临近软土地铁隧道的影响[J]. 工业建筑，2002，32（5）：53-56.

[3]刘二栓.深基坑工程特点及存在的问题[J].有色金属设计，2004，1：45-47.

[4]杨光华.深基坑支护结构的实用计算方法及其应用[M].地质出版社，2004.

[5]Dunnicliff J. Geotechnical instrumentation for monitoring field performance[M]. John Wiley & Sons， 1993.

[6]Ou C Y， Chiou D C， Wu T S. Three-dimensional finite element analysis of deep excavations[J]. Journal of Geotechnical Engineering， 1996， 122（5）： 337-345.

[7]Liu G B， Ng C W， Wang Z W. Observed performance of a deep multistrutted excavation in Shanghai soft clays[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering， 2005， 131（8）： 1004-1013.

[8]Terzaghi K， Peck R B， Mesri G. Soil mechanics in engineering practice[M]. John Wiley & Sons， 1996.

[9]李慧娜.深基坑排樁内支撑支护体系优化设计方法及对周围环境影响研究[D].青岛理工大学，2009.

[10]严薇，曾友谊，王维说.深基坑桩锚支护结构变形和内力分析方法探讨[J].重庆大学学报：自然科学版，2008，31（3）：344-348.

[11]周爱其，龚晓南，刘恒新，等.内撑式排桩支护结构的设计优化研究[J].Rock and Soil Mechanics， 2010.

[12]徐杨青.深基坑工程设计的优化原理与途径[J].岩石力学与工程学报，2001，20（2）：248-251.