湿陷性黄土中基坑支护的数值模拟分析

王玲玲， 王江锋， 杜春雪

(1.中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京100024； 2.华北水利水电大学，河南 郑州 450045)

湿陷性黄土中基坑支护的数值模拟分析

王玲玲1， 王江锋2， 杜春雪2

(1.中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京100024； 2.华北水利水电大学，河南 郑州 450045)

以河南省洛阳市某湿陷性黄土基坑工程为例，结合其所在区域的地质条件、周边环境等,采用了桩锚支护的基坑支护方案。针对该支护方案，应用有限差分程序FLAC3D建模分析了不同工况下支护结构和坑周土体的变形规律，得出了坑周土体的位移随着距坑距离的增大逐渐减小；支护桩的水平位移随着开挖深度的增加，桩顶处位移不断增大，而桩底部的位移越来越小；坑周地表沉降和水平位移及支护结构变形均满足设计要求。同时，研究了湿陷性黄土对桩土位移的影响，结果表明，该支护方案较为合理，桩锚支护结构对深基坑的变形起到了很好的控制作用。研究结果可为黄土地区湿陷性条件下的基坑支护技术及理论研究提供参考。

湿陷性黄土；基坑；桩锚支护；位移；变形；数值模拟

随着城市化水平的提高，为了节约土地资源，高层建筑和地下空间不断发展起来。如地下铁道、地下商场、高层建筑的多层地下室、地下人防工程等越来越多[1-2]，基于安全考虑，深基坑的开挖与支护问题显得尤为重要。目前，基坑工程的设计原则不再是单一考虑强度破坏，而是由强度破坏向变形极限状态发展[3]。为了确保基坑支护设计、施工的可靠性，通常采用数值模拟方法模拟基坑开挖过程和土体内部支护结构的应力和变形[4]。近年来，许多学者在深基坑支护变形规律方面开展了诸多研究，他们通过数值模拟得到了基坑开挖时坑周土体变形、支护结构变形等方面的变化规律，为后继研究提供了借鉴[5-8]。然而，在湿陷性黄土地区，黄土湿陷变形一直困扰着深基坑的施工。黄土湿陷类型分为自重性湿陷与非自重性湿陷。自重性湿陷黄土的湿陷量大于7 cm，湿陷起始压力值较小，发生湿陷事故的概率较大；非自重湿陷性黄土的湿陷量不大于7 cm，起始压力值较大，湿陷事故较少[9-10]。在深基坑开挖过程中，湿陷土层对支护结构的影响很大，如在基坑开挖深度大于15 m的情况下，由于黄土的主动土压力、滑移面均比较大，随着开挖的进行，一旦深基坑黄土含水量过高时，湿陷性黄土的结构就会发生改变，出现强度降低、增湿剪切破坏的情况，使支护结构产生较大的变形。以往，众学者的研究主要集中在黄土湿陷变形的工程特性、深基坑开挖引起的支护桩变形、黄土地区支护选型[11-16]等方面。对于湿陷性黄土深基坑开挖与支护过程中，支护结构和坑周土体的变形规律、黄土湿陷性对桩土位移的影响等方面的研究较少。因此，研究黄土湿陷性对基坑支护结构的影响是很有必要的。

以洛阳某湿陷性黄土基坑工程为背景，笔者采用有限差分程序FLAC3D模拟基坑开挖、桩锚支护等施工过程，研究不同工况下支护结构及周边土体的变形规律，分析湿陷土层对桩锚支护的影响。研究结果可为湿陷性黄土地区基坑土体变形及支护方案选取提供理论依据。

1 工程概况

该基坑工程位于洛阳市中州中路和解放路交叉口西南角，场地西侧及南侧距离居民区较近，东侧和北侧邻近城市主干道，因此施工时应注意采取有效措施，避免对周围居民及环境造成较大的影响。该场地土层的基本物理参数见表1。地下水稳定水位埋深在21.3～23.8 m，基础埋深19.5 m，主体建筑为地上12层，地下4层，基础形式为桩筏基础。选取研究剖面，依据场地情况，基坑上部采用放坡开挖，下部采用排桩预应力锚杆联合支护形式，如图1所示。

支护桩直径为1.0 m，嵌固深度为14.5 m，桩间距为1.5 m，桩身混凝土强度为C35，桩间采用土钉墙护壁。采用5道锚索，其直径为0.4 m，水平间距为1.5 m；基坑上部采用1∶0.2两级放坡的复合土钉墙支护结构。

表1 土层基本物理参数

图1 基坑剖面图(尺寸标注的单位：mm)

2 数值模拟计算

2.1 计算模型

运用有限差分程序FLAC3D对基坑开挖支护过程进行模拟。依据圣维南原理，计算边界一般选开挖尺寸的3～5倍比较合理。由于基坑周围有随机发生的车辆行驶动载及施工堆载等，因此在基坑周围布置26 kPa的荷载。假定基坑四周侧边界法向方向固定，切线方向自由，底边边界固定。土体的开挖过程用空模型Null来实现，对基坑土体的模拟用Mohr-Coulomb本构模型。基坑开挖深度为19.5 m，坑底x方向取30.0 m，坑外x方向取54.0 m，排桩直径1.0 m；y方向取3.0 m；z方向取44.5 m。坐标轴位于基础左下角，模型总尺寸为85.0 m(x)×3.0 m(y)×44.5 m(z)，模型网格划分为16 180个节点，12 140个单元，建立的数值模型如图2所示。

图2 数值模拟计算模型

基于模拟过程的简化，假定排桩和冠梁采用各向同性的弹性模型的实体梁单元模拟地下连续墙，支撑锚杆采用FLAC3D自带的cable单元；根据等效刚度原理，采用一维轴力杆弹性单元模拟土钉、锚杆，以此确保模拟精度。开挖后基坑支护的模拟模型如图3所示。

图3 开挖完成后基坑支护图

2.2 模拟工况

按照基坑开挖顺序对各工况展开模拟。其主要施工工况见表2。

表2 主要施工工况

3 模拟结果分析

3.1 基坑周围土体的位移

基坑内土体开挖后，原状土体的密实度变小、孔隙率增大，抗剪强度有所衰减，使得原状土体的初始应力平衡场被破坏，内力得到重新分配，基坑周围地层产生沉降。开挖完成后坑周土体的位移云图如图4与图5所示。

由图4可知：沉降随着基坑开挖深度的增大而增大，但沉降值在距坑边缘较远处为零，其值呈现出随着距坑边缘距离的增大而逐渐减小的趋势；由于坑内土体的开挖卸载，基坑底部有明显的隆起，最大隆起量约为19.5 mm；前期开挖中竖向位移随着土层、深度、支护方式等变化很大，开挖全部完成后(即工况8)，土体应力基本上达到平衡，此时沉降达到最大值；周围地层沉降主要发生在桩周及基坑边缘区域，最大值约18.2 mm，满足《建筑基坑工程监测技术规范》的要求。

由图5可知：基坑开挖完成后，深层土体的位移随着距基坑边缘距离的增大而减小。这说明基坑开挖对其边缘的土体影响较大，特别是放坡开挖处；而在距离基坑右侧边缘约35 m处水平位移为零，同时基坑边缘的水平位移呈现出中间大、两头小的空间特性，即抛物线状。最大水平位移发生在桩顶附近放坡开挖处，桩周土体最大水平位移值约18.8 mm，方向向坑内。

图4 开挖完成后坑周土体的竖向位移云图(单位：m)

图5 开挖完成后坑周土体的侧向位移云图(单位：m)

3.2 桩体的水平位移

由于基坑的围护体系排桩是在工况4开挖后施工的，因此从工况4分析桩体的水平位移。图6为各工况下排桩随开挖深度的水平位移曲线。由图6可知：工况4开挖架设第二道锚索后，支护结构的最大水平位移约2.3 mm，位于桩顶处；随着开挖深度的增加，排桩的水平位移不断增大，最大值出现在工况8开挖完成后的排桩顶部附近，其最大值为10.0 mm，而从桩顶到排桩底部水平位移不断减小。这是由于桩顶放坡处基坑开挖对土体破坏较大，土钉支护对土体的加固作用较小；同时也说明了在预应力锚杆的作用下，桩周土体由于锚固段间的摩擦力，对桩体的变形发展起到了控制的作用。

图6 支护结构的水平位移

3.3 基坑周围的地表沉降

在FLAC3D中用Hist监控记录命令得出坑边各点的竖向位移历史曲线，来模拟分析地表沉降，用所得数据绘出各工况下坑边土体的竖向沉降曲线，如图7所示。

图7 坑周土体的竖向沉降

由图7可知：竖向位移随着开挖深度的增大而增加，其沉降最大值为18.2 mm，发生在距离基坑边缘一定距离处(大约50 m处)；同时随着开挖的进行，基坑最大竖向位移有向坑外(距坑距离30 m外)移动的趋势，这主要是由于计算模型在初始平衡时有外荷载的存在，基坑边缘处的位移沉降被土体和支护结构的相互作用约束所造成的；在基坑底部(距坑距离30 m 以内)出现明显的隆起，随着开挖的进行，隆起量不断增大，隆起的最大值为19 mm，发生在工况8开挖完成后的基坑边缘处。

3.4 黄土湿陷性对桩基的影响

对于超载引起的非自重湿陷性黄土地区的桩锚支护基坑，黄土的湿陷带来的危害需深入研究。考虑到黏聚力、土层厚度对黄土湿陷性的间接影响，选取具有代表性的湿陷土层，应用FLAC3D编程，模拟不同湿陷土层的桩土相对位移随湿陷深度的变化规律，结果如图8所示。

图8 桩土相对位移变化曲线

从图8中可以看出：桩土相对位移随湿陷深度的增大，湿陷层范围越大，桩土的相对位移差值越大；在中性点(即深度12.4 m)上方，桩的沉降小于桩周土体的沉降，地表处桩土相对位移最大，由2.3 mm变为6.7 mm。这是由于预应力锚杆对桩体的锚固作用，使得桩的沉降较小，而桩周土体的沉降较大；也说明了可通过采取加固措施减小黄土湿陷性对桩基变形的影响。

4 结语

以某湿陷性黄土基坑工程为例，采用桩锚支护的基坑支护方案，利用数值模拟方法，分析了不同工况下基坑的稳定变形特性，得出如下结论：

1)该工程采用上部放坡开挖加土钉护壁与下部排桩预应力锚杆联合支护的方案是较为合理的，其变形值符合设计规范要求。

2)采用有限差分程序FLAC3D模拟开挖过程并对其进行数值分析，得出了围护桩及基坑周围地表的变形满足《建筑基坑工程监测技术规范》的要求。

3)基坑开挖完成后，坑周土体竖向位移随着与坑距离的增大逐渐减小，在距坑右侧边缘约20 m处达到最大值(约18.2 mm)；最大水平位移出现在排桩顶部附近,其值为18.8 mm，随着与基坑边缘距离的增大而呈现出明显减小的趋势；支护桩的水平位移随着开挖深度的增加，桩顶处位移不断增大，而排桩底部位移越来越小；基坑周围地表沉降位移最大值有明显向坑外移动的趋势。说明排桩预应力锚杆能有效地控制深基坑的变形，使基坑变形稳定，确保安全施工。

4)湿陷性黄土对桩基的变形影响较小，通过数值模拟，从中性点的位置分析了桩土相对位移随湿陷深度的增大，湿陷层范围越大，桩土的相对位移差值越大。

5)目前的数值模拟手段无法全面考虑到周边环境、地质条件、施工机械、时空效应等对实际工程的影响，因此，如何提高计算精度、模拟施工的真实情况需今后进一步研究。

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(责任编辑：乔翠平)

Numerical Simulation of Foundation Pit Support in Collapsible Loess

WANG Lingling1, WANG Jiangfeng2, DU Chunxue2

(1.Beijing Survey & Design Research Institute Co., Ltd., China Power Construction Group, Beijing 100024, China; 2.North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China)

Taking a collapsible loess foundation pit project in Luoyang City in Henan Province as an example, combined with the geological conditions and surrounding environment of the area, the support scheme of slope excavation and pile-anchor support was adopted. Aiming at the support scheme, the deformation laws of the supporting structure and the soil around the pit under different conditions were analyzed using finite difference software FLAC3D modeling. It concludes: the displacement of the soil around the pit decreases with the increase of the distance between the pits; for the horizontal displacement of the supporting piles, with the increase of the excavation depth, the displacement at the top of piles is increasing, while the displacement at the bottom of the piles is getting smaller and smaller; the surface settlement and horizontal displacement around the foundation pits and the deformation of the supporting structure all satisfy the design requirements. Meanwhile, the influence of the layer of collapsible loess on the pile-soil settlement was investigated, and the results show that the supporting scheme is reasonable, and the pile-anchor supporting structure plays a very good role in controlling the deformation of the deep excavation. All the results will provide a theoretical reference for the foundation pit support in the loess area under collapsible conditions.

collapsible loess; foundation pit; pile-anchor support; displacement; deformation; numerical simulation

2016-11-02

国家自然科学基金重点项目(51009067)；河南省重点科技攻关项目(132102210113，142102210111)。

王玲玲(1976—),女,河南信阳人,高级工程师,硕士,从事工程地质勘察方面的研究。E-mail:wangll@bhidi.com。王江锋(1976—)，男，河南禹州人，副教授，博士，从事岩土加固与测试技术方面的研究。E-mail:luckjiang168@126.com。

杜春雪(1991—)，女，河南南阳人，硕士研究生，从事地质工程方面的研究。E-mail:optimistic_xue168@126.com。

10.3969/j.issn.1002-5634.2017.04.013

TU473

A

1002-5634(2017)04-0088-05