基坑设计中将既有边坡作为等效荷载处理的合理性研究

许美

摘 要：以武汉某既有边坡条件下的深基坑为例，运用PLAXIS数值模拟软件建立两种不同模型，并结合工程软件计算及现场监测等方法，对基坑支护结构受力变形特征进行对比分析，以论证基坑设计中将既有边坡作为等效荷载处理的合理性，并针对本基坑初步提出工程设计中等效荷载的折减系数取值。研究表明，在工程设计中，将既有边坡作为等效荷载处理会人为地增大支护结构所受的土压力，导致基坑设计偏向于保守。在实际工作中，可以考虑将等效荷载加以折减，然后再运用到基坑设计中。对于本基坑而言，其等效荷载的折减系数取0.8最为科学。

关键词：既有边坡；支护结构；受力变形；等效荷载；数值模拟

中图分类号：U655.5 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2017）09-0040-03

随着我国高层建筑的发展，各种复杂地质条件下的深基坑工程也逐渐出现。其中，既有边坡条件下的基坑工程就显得较为特殊。在此类基坑工程设计中，既有边坡一般被直接等效为荷载进行基坑支护结构的设计计算。

本文基于武汉某既有边坡条件下的深基坑工程，采用数值模拟、工程软件计算和现场监测等方法，在总结基坑围护结构的受力变形规律的基础上，探讨基坑设计工作中将既有边坡作为等效荷载处理的合理性，并提出本基坑等效荷载的折减系数，为此类深基坑工程的设计和施工提供参考。

1 工程概况

1.1 工程地質条件

本基坑位于山坡地段，其自然地面从南至北顺山势由低到高，基坑北侧（AB段）地势相对较高，距离基坑外缘7m处有一高约5m的陡坎，基坑南侧（EF段）地势较低。基坑平面位置如图1所示。

本场地在勘察深度范围内，地层主要分为四类：表层为①层杂填土，上部为②层第四系粘土和③层残积土，下部为④层志留系泥岩。主要地层的具体分布情况及其物理力学参数见下文，在此不再赘述。

场地地下水的类型主要是上层滞水，上层滞水赋存于①杂填土中，该场地的水文地质条件较为简单，主要接受大气降水补给，雨水量较少，且集中于雨季，没有统一的自由水面，地下水水量受周边排泄条件影响很大。

1.2 基坑设计方案

本基坑支护设计采用以下方案：周边围护结构采用钻孔灌注桩排桩，竖向设置一道环撑支撑体系。由于地形原因，基坑开挖深度也存在较大差异，最大开挖深度为12.7m（AB段），最小开挖深度为7.5m（EF段），按照“安全、经济”的设计原则，其围护结构的设计亦分段进行。

2 有限元模型建立

2.1 计算断面选取

根据基坑的开挖深度及周边环境，选择基坑北侧AB段（最不利地段）作为计算断面。AB段的地层分布情况及其物理力学参数如表1所示。

2.2 计算模型建立

本文建立两种计算模型：一种计算模型是既有边坡不作任何处理；第二种计算模型是将既有边坡等效为均布荷载，等效荷载大小为80KN/m。根据分析结果和模拟经验，本文将第一种计算模型的尺寸定为100m×60m，将第二种计算模型的尺寸定为100m×54m。在计算模型中，将支护排桩看作是厚度一定的板，运用板单元进行模拟，用锚定杆对内支撑和换撑板进行模拟，将周边建筑物等效为18KN/m的附加荷载。两种计算模型及其有限单元网格划分情况如表2所示。

2.3 计算参数选取及施工工况划分

本文采用摩尔-库伦本构模型进行分析，综合有关计算理论和模拟经验，给出模型的计算参数。岩土体物理力学参数如表1所示，支护结构参数如表3所示。

本文将基坑施工划分成5个工况，模拟基坑开挖至基底的全过程。具体的施工工况划分如表4所示。

3 数据分析

本节主要从围护结构内力和变形两个方面对以上两个计算模型进行对比分析。

3.1 支护桩水平位移

由图2及图3可知：①支护桩桩顶的水平位移最大，桩底的水平位移最小，支护桩水平位移呈现“上大下小”的“大肚型”分布。②计算模型二条件下的支护桩水平位移比计算模型一条件下的支护桩水平位移大，例如在工况二中，计算模型二的支护桩桩顶水平位移比计算模型一的支护桩桩顶水平位移大2.6mm。这说明将既有边坡等效成均布荷载会导致支护结构变形位移增大。

3.2 支护桩和内支撑内力

由图4和图5可知：①在工况二中，支护桩的弯矩呈现“两头小，中间大”的变化形态，曲线形态符合悬臂桩体的弯矩分布规律。②在工况二和工况四中，桩身最大弯矩出现在桩顶下8～10m范围内，故在设计时应加大该段桩身的配筋。③计算模型二条件下的支护桩桩身弯矩比计算模型一条件下的支护桩桩身弯矩大，例如在工况二中，两种模型的桩身最大弯矩相差约20KN.m。这说明将既有边坡等效成均布荷载会导致支护结构弯矩增大。

开挖至桩顶以下8m、10m、12.7m（即基底）三种工况下的内支撑内力如图6所示。

由图6可知：①在基坑开挖过程中，内支撑内力在变化趋势上是逐渐增大的。这说明基坑的开挖对内支撑内力影响很大。②计算模型二条件下的内支撑内力比计算模型一条件下的内支撑内力大，相差约250～300KN。

综上分析可知，将既有边坡等效成荷载的做法会增大支护结构的内力及变形。

4 模拟结果、设计成果与实测数据对比

本节将对比分析数值模拟结果、设计成果及实测数据，对上节已得到的结论进行进一步论证。

由图7及图8可知：支护桩水平位移模拟值与监测值较为接近，而由工程软件计算得到的支护桩水平位移要比模拟结果和实测结果大许多。

由图8可知：①实际监测得到的支护桩桩顶水平位移要比模拟得到的水平位移小一些。这主要是在模拟计算时没有考虑冠梁对支护桩桩顶水平位移的限制作用及基坑旁大树根系对土体强度的贡献。②在换撑阶段（即工况五），监测值比模拟值稍大，可能是由于拆除临时内支撑时施工振动所引起的。

由图9可知：内支撑内力模拟值虽不能与实测值完全吻合，但是两者之间悬殊不大，最大误差不超过8%，可以认为它们是基本吻合的。设计上的计算值比模拟值和实测值大。

综上分析可知：设计时将既有边坡等效成均布荷载，从而人为地增大了支护结构所受的土压力，进而导致支护结构内力及变形偏大。这说明了工程设计上将既有边坡等效成荷载的做法是不够准确的，等效处理后的情况与实际存在一定偏差。在工程设计时，可以考虑将等效荷载进行一定折减，再运用到工程设计中。对于本基坑等效荷载的折减系数取值，通过对支护结构内力及变形的对比分析，折减系数取0.8最为科学。

5 结论

（1）在工程设计中，将既有边坡作为等效荷载处理会人为地增大支护结构所受的土压力，导致基坑设计偏向于保守，该做法有待改进。

（2）在实际工作中，可以考虑对等效荷载予以折减，然后再运用到基坑设计中。对于本基坑而言，通过对支护结构内力及变形的对比分析，其等效荷载的折减系数取0.8最为科学。

参考文献：

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