软土地区基坑工程参数影响的敏感性分析

吴承坤，阮永芬*，吴承东，方 超，赵礼萍，吴青伶， 张 博，李建柱，南 敢



软土地区基坑工程参数影响的敏感性分析

吴承坤1，阮永芬1*，吴承东2，方 超1，赵礼萍3，吴青伶4， 张 博1，李建柱5，南 敢1

（1. 昆明理工大学 建筑工程学院，云南 昆明 650504；2. 昆明学院 社会管理学院，云南 昆明 650214； 3. 云南大学 艾思奇哲学学院，云南 昆明 650504；4. 云南远信科技有限公司，云南 昆明 650200； 5. 中国有色金属工业昆明勘察设计研究院，云南 昆明 650001）

内支撑支护结构体系，在深厚软土场地及周边环境复杂的深基坑支护设计中被广泛应用，参数选取对基坑支护方案选取具有重要的理论意义和实用价值。根据工程实例，采用理正深基坑7.0PB1软件，对k法、m法，软土层分布位置、厚度、厚深比、土层的c、ϕ值等变化对支护结构的土压力、位移、弯矩、剪力、轴力的影响进行分析。经过对计算数据的对比分析发现：用k法或m法计算，软土层分布位置及厚度、厚深比、土层的c、ϕ值等变化对支护结构的土压力、位移、弯矩、剪力、轴力均有影响。通过对参数变化的计算分析，了解支护结构上的土压力及内力对参数变化的敏感性，从而为采用内支撑进行支护设计时参数的选择以及方案进行优化设计时提供参考。

软土；基坑支护；设计参数；深基坑

0 引言

环滇池的大部分地区，广泛分布着面积巨大且深厚的湖相沉积泥炭土及高压缩性的粘土，而这些地区现已成为城市发展的核心。在此场地的基坑支护设计中影响因素非常多，如场地地质环境和基坑外临近建（构）筑物复杂，使得基坑支护设计过程中方案比选困难。近年来针对基坑开挖对邻近建构筑物的影响研究十分广泛[1-4]，郑刚等人[5]指出基坑外邻近建筑物不能仅靠现行规范简单确定，还应进行专门的变形分析。王春艳等人[6]提出的圆环支撑体系水平刚度计算解析式。TW Lambe等人[7]提出卸荷状态与加荷状态下土体的工程性质差异很大。但对一些重要的影响因素，如计算时采用k法还是m法，泥炭土及高压缩性的粘土层分布的位置、分布的厚度、厚深比、土层的c值和ϕ值等参数的变化对作用在支护结构上的土压力以及支护结构内力如何影响，很少有学者对其进行研究分析。工程中广泛应用[8,9]总应力法来对基坑开挖稳定性及基坑支护荷载值进行评估，土的c值和ϕ值等参数对其有直接联系。工程支护结构设计时，考虑到勘察报告提供的设计参数有问题或试验室提供的物理力学指标不准确等，会给支护结构的安全及经济带来影响。所以对基坑支护设计的影响因素进行研究分析是非常有意义的。

据统计[10,11]，在全世界有总面积大于415.3万km2的泥炭土（软土）分布在59个国家和地区，其中我国有约4.2万km2的分布面积。在固结过程中深厚软土层变形甚至达到了80%[12,13]，往往有很大的压缩性。昆明地区泥炭质土有机质含量高，压缩性高，孔隙比大，含水量大，抗剪强度低等特点[14]。本工程实例中存在一定厚度的泥炭质土（软土），早先已有专家研究过其对建筑地基的影响[15]、渗透系数[16]、力学特性[14]，以及软土地基施工扰动[17]等的研究，也有学者把轨道交通[18]、勘测技术[19]、压力测量[20]、建筑工程项目管理[21]、水利和矿山检测[22,23]等与物联网等相结合起来分析研究其间的影响，但是很少有学者把软土与理正深基坑设计计算软件结合起来研究软土对深基坑内支撑影响。现基于理正深基坑7.0PB1设计软件针对泥炭土土层分布的位置、分布的厚度、厚深比以及土层的c值和ϕ值对深基坑中内支撑支护形式的土压力、位移、弯矩、剪力和轴力的影响进行研究。

1 工程概况

拟建场地位于昆明市区的带一层地下室4层商业建筑。基础筏板顶标高为1 888.90 m，筏板厚度为0.6 m，基坑底标高为1 888.20 m。电梯井加深1.6 m，距地下室外墙的距离为10.3 m。现场场地高程约 1 896.20~1894.20 m之间，基坑开挖深度为7.14~7.72 m，基坑开挖周长为203.67 m，基坑开挖面积为2511.27 m²。场区土层划分及土层的物理力学指标取值如表1 所示。

表1 土层的物理力学指标

Tab.1 Physical and mechanical indexes of soil layer

2 计算分析

由于周边环境复杂，建构（筑）物离基坑较近，所采用内支撑型式进行支护设计。现以基坑支护2-2剖面为例进行计算分析，为便于比较分析，把土层厚度经整理后每层土厚为3 m，文中的数据1为实际工程中坑深最小的2-2剖面经整理后得到的数据，数据2为实际工程中坑深最大的5-5剖面经整理后得到的数据。进行软土分布厚度、分布位置、计算软件的不同等对基坑支护结构设计的影响分析。

图1 基坑平面布置图

支护桩长L=14.5 m，嵌固深度8.7 m，桩直径ɸ=1 000 mm，桩间距1 200 mm，泥炭土层参数：重度γ=14 kN/m³，粘聚力c=13.7 kPa，内摩擦角ϕ=6°。计算剖面如图2所示。用增量法计算内力；一级支护结构安全等级；C30钢筋混凝土桩强度，圆形桩截面，冠梁宽1.2 m高0.8 m，0.5 MN/m的水平侧向刚度；放坡级数是1；坡比1:0.5，坡高1.37 m；坑边附加荷载5 kPa。

2.1 k法、m法的影响

取两组实验数据：数据1简写为“1”；数据2简写为“2”。（数据1数据2），分别用m法和k法进行计算，计算工况工况如表2所示，计算得到的土压力分布图见图3、图4，支护结构内力分布图见图5至图12所示。

图2 计算剖面图

表2 工况信息

Tab.2 Working condition information

图3 土压力的分布图（1）

根据土压力计算结果如图3和图4所示，基坑支护在m法及k法下,作用在支护结构上的土压力的分布没有区别，也不受开挖工况的影响；但对基坑支护结构内侧土压力的分布有影响，k法计算的基坑支护结构内侧土压力偏小。从图5和图6可以看出m法和k法下得出的坑外水平位移相同；坑内水平位移在工况2时变化规律一致，但在工况1时m法中所得水平位移大于k法所得水平位移。从图7和图8可知，支护结构内弯矩大小相差不大；支护外侧m法得到的弯矩大于k法得到的弯矩，但趋势相同。从图9和图10可知，基坑开挖支撑开始之前m法得到的剪力小于k法得到的剪力，之后m法得到的剪力大于k法得到的剪力且变化趋势一致。从图11和图12可知，m法得到的轴力大于k法得到的轴力。从以上的分析知，m法得到的弯矩及轴力大于k法的。

图4 土压力的分布图（2）

图5 位移的分布图（1）

图6 位移的分布图（2）

图7 弯矩的分布图（1）

图8 弯矩的分布图（2）

2.2 软土层分布位置的影响

基于数据1分别把第1、2、3、4、5、6、7层土置换成软土（约3倍坑深范围内）。基于m法用弹性法计算得到数据，取每组数据中的最大值为代表值制成如下图。

图9 剪力的分布图（1）

图10 剪力的分布图（2）

图11 轴力的分布图（1）

图12 轴力的分布图（2）

图13 土压力的分布图

图14 位移的分布图

图15 弯矩的分布图

图16 剪力和轴力的分布图

由图13知调动软土层的位置对基坑的支护结构外侧土压力分布影响不大；但对坑内侧土压力分布影响较大。由图14知软土层位置变化对坑外侧水平位移影响不大，但对坑内侧水平位移影响较为明显，换第2、3层土（坑底以上）坑内水平位移变化也大，换第3层以下的土层时，即坑底以下，对坑内水平位移的影响就很小。由图15知置换土层对支护结构内弯矩影响不大，外弯矩影响较明显。由图16知置换土层对剪力和轴力影响大。

2.3 软土层分布厚度的影响

为了考虑软土层分布厚度对土压力及作用在支护结构上内力的影响，从地表开始3 m增加软土厚度进行分析，软土厚分别为0 m、3 m、6 m、9 m、12 m、15 m、18 m、21 m，基于m法用弹性法计算得到数据，取每组数据中的最大值为代表值制成如下图。

图17 土压力的分布图

由图17知随着软土厚度的增加作用在基坑支护结构上的土压力逐渐减小，但对支护结构外侧土压力分布影响不大，对内侧土压力分布影响比较明显。由图18知随着软土厚度的增加基坑支护结构的水平位移逐渐增大，对支护结构外侧水平位移影响小，对内侧水平位移影响比较明显，软土厚度为3 m时，内侧水平位移最小，软土厚度≥12 m时，内侧水平位移趋于稳定。由图19知，软土层厚度对基坑支护结构外弯矩影响大，内弯矩影响小。由图20知软土层厚度变化对支护结构剪力影响大，它们在软土层厚度为3 m时都有最小剪力和最小轴力，基坑支护结构的轴力随软土厚度增加。

图18 位移的分布图

图19 弯矩的分布图

图20 剪力和轴力的分布图

2.4 软土厚深比的影响

为分析软土厚度对土压力及支护结构内力的影响，采用软土的厚度d与基坑深度h之比，即厚深比作为参数进行分析研究。深厚比从0开始每次增加0.1，直到0.6为止。基于数据1，从地表开始逐渐增加软土层厚度与基坑深度的比值，即逐渐增加软土层的厚度，每一次计算增加0.717 m。基于m法用弹性法计算得到数据，取每组数据中的最大值为代表值制成如下图。

图21 土压力的分布图

图22 位移的分布图

图23 弯矩的分布图

图24 剪力和轴力的分布图

由图21、22知，d/h=0～0.6时对土压力分布及坑外水平位移没有影响，坑内侧土压力与坑外侧土压力相差不大。对支护结构坑外侧水平位移无影响，对支护结构坑内侧水平位移有影响。由图23知，软土厚深比对支护结构的弯矩有影响，当d/h=0.1～0.4时内弯矩稳定。由图24知，软土厚深比对支护结构的剪力和轴力影响不大，剪力变化趋势和轴力一致。

2.5 c值变化的影响

为分析土层c值变化对土压力及支护结构内力的影响，采用c值作为参数进行分析研究。c值分别为10 kPa、15 kPa、20 kPa、25 kPa、30 kPa、35 kPa、40 kPa、45 kPa、50 kPa。基于数据1，数据1中所有土层信息改为同一种土，且该土ϕ=15°，重度γ= 19 kN/m³，c值每5kPa为一个梯度增加一次，每增加一次c值记录一组数据，基于m法用弹性法计算得到数据，取每组数据中的最大值为代表值制成如下图。

由图25可以看出，c值对支护结构土压力分布的影响大。由图26可以看出，c值对基坑支护结构外侧水平位移影响小，对内侧水平位移影响大。由图27可以看出，基坑支护结构外弯矩随c值的增加变化的很活跃，在c=15 kPa时，外弯矩有最小值。c值对内弯矩影响小，c=35 kPa时，内弯矩为0。从图28中可以看出，基坑支护结构的剪力和轴力随着c值的变化力的大小变化趋势基本相同，c值越大对剪力和轴力的影响越小。

图25 土压力的分布图

图26 位移的分布图

图27 弯矩的分布图

图28 剪力和轴力的分布图

2.6 ϕ值变化的影响

为了考虑软土层ϕ值对土压力及作用在支护结构上内力的影响，采用ϕ值5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°。基于数据1，数据1中土层信息改为全部为一种土，且该土c=20 kPa，重度γ=19 kN/m³，ϕ值从5°开始每5°为一个梯度增加一次，直到增加到35°。所带入计算的每增加一次ϕ值记录一组数据，基于m法用弹性法计算得到数据，取每组数据中的最大值为代表值制成如下图。

图29 土压力的分布图

图30 位移的分布图

图31 弯矩的分布图

图32 剪力和轴力的分布图

由图29可以看出，随着ϕ值增加土压力减小，且对基坑支护结构外侧的影响大于内侧。由图30可以看出，随着ϕ值增加，支护结构水平位移减小，对外侧水平位移的影响小，对内侧水平位移的影响大。由图31可以看出，随着ϕ值增加，支护结构弯矩减小，对外弯矩的影响比内弯矩的影响大。由图32可以看出，随着ϕ值增加，支护结构剪力和內撑轴力都减小，ϕ值越大剪力和轴力越小。

3 结论

k法、m法，软土层位置及厚度、土的c值和ɸ值等对理正深基坑7.0PB1计算所得结果的土压力、位移、弯矩、剪力、轴力都有一定的影响，采用内支撑进行支护设计选择参数时应谨慎考虑。由以上的分析知结论如下：

（1）基坑支护在m法及k法下,用弹性法得出的基坑支护结构外侧的土压力、外侧水平位移和内弯矩所受影响小；对内侧土压力、内侧水平位移、外弯矩、剪力和轴力的影响大，且m法计算所得结果大于k法计算所得结果。

（2）变化软土层位置对基坑支护结构外侧的土压力、外侧水平位移和内弯矩影响小，对内侧土压力、内侧水平位移、外弯矩、剪力和內撑轴力影 响大。

（3）软土层的厚度对基坑支护结构外侧土压力、外侧水平位移和内弯矩的影响小，对内侧土压力、内侧水平位移、外弯矩、剪力和内撑轴力影响大。

（4）软土厚深比d/h=0～0.6时对基坑支护结构土压力和外侧水平水平位移没影响，对内侧水平位移影响比较明显；对基坑支护结构的弯矩影响大，对轴力和剪力影响小。

（5）c值对基坑支护结构土压力、内侧水平位移、外弯矩、剪力和轴力影响大；对外侧水平位移和内弯矩影响小，内弯矩、剪力和轴力随c值增加而减小。

（6）随着ϕ值增加，基坑支护结构的土压力、水平位移、弯矩、剪力以及轴力都减小。

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Sensitivity Analysis about Influence of Foundation Pit Engineering Parameters in Soft Soil Area

WU Cheng-kun1, RUAN Yong-fen1*, WU Cheng-dong2, FANG Chao1, ZHAO Li-ping3, WU Qing-ling4, ZHANG Bo1, LI Jian-zhu5, NAN Gan1

(1. Faculty of Civil Engineering and Mechanics, Kunming University of Science and Technology, Kunming, 650504, Yunnan, China;2. Institute of Social Management, Kunming University, Kunming, 650214, Yunnan, China;3. Aisiqi School of Philosophy, Yunnan University, Kunming, 650504, Yunnan , China;4. Yunnan Yuanxin Technology Co., Ltd. Kunming, 650200, Yunnan, China;5. Kunming Engineering & Research Institute of Nonferrous Metallurgy Co. Ltd., Kunming, 650051, China)

The structure system of internal supporting is widely used in the design of deep foundation pit with deep soft soil site and complex surrounding environment. The selection of parameters has important theoretical significance and practical value for the selection of the foundation pit supporting scheme. According to the engineering example and using 7.0PB1 software of LiZheng deep foundation pit, the paper analyzes the influences about K method, m method, distribution position, thickness, ratio of depth to thickness, c and φ of soft soil layer on the soil pressure , displacement, bending moment, shear force and axial force. Through comparison and analysis of the calculated data, it is found that soil pressure, displacement, bending moment, shear force and axial force of supporting structure are affected by the K method, m method, distribution position, thickness, ratio of depth to depth, c and φ of soft soil layer. By the analysis and calculation of the change of parameters, the sensitivity of soil pressure and internal force to the change of parameters on the support structure are understood, which can provide references for the selection of parameters and optimization design of the scheme of the support while using the internal support.

Soft soil; Foundation pit support; Design parameters; Deep foundation pit.

TU447

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.09.032

吴承坤(1994–)，男，研究生，主要研究方向：岩土工程；吴承东(1995–)，男，本科生，主要研究方向：城市管理；方超(1993–)，男，研究生，主要研究方向：岩土工程；赵礼萍(1994–)，女，研究生，主要研究方向：马克思主义哲学；吴青伶(1992–)，女，测试工程师，主要研究方向：计算机科学与技术；张博(1993–)，男，研究生，主要研究方向：岩土工程；李建柱(1990–)，男，助理工程师，主要研究方向：岩土工程；南敢(1993–)，男，研究生，主要研究方向：岩土工程。

阮永芬(1964–)，女，教授，主要从事岩土工程方面的教学和科研。

本文著录格式：吴承坤，阮永芬，吴承东，等. 软土地区基坑工程参数影响的敏感性分析[J]. 软件，2018，39（9）：158-165