黄土地区基坑支护方案优化设计

董贵平

黄土地区基坑支护方案优化设计

董贵平

杭州科技职业技术学院, 浙江 杭州 311402

本文以某地铁明挖车站的基坑工程为研究背景，利用FLAC3D数值模拟软件建立深基坑支护变形沉降的数值计算模型，对比实际工程检测结果发现数值计算结果吻合度高，在此基础上，改变桩径与桩间距、桩长、支撑水平间距、支撑竖向间距等关键支护参数，分析支护参数对围护结构变形与地表沉降的影响规律，提出优化支护方案。研究表明：依托工程理想围护结构桩为直径0.8 m间距1.1 m的钻孔灌注桩，桩长为23 m~25 m，支撑水平间距为4 m，并且应合理布置支撑竖向间距。

基坑支护; 优化设计

开发地下空间建设是缓解交通、空间危机的有效手段[1]。我国地下工程目前主要的发展趋势是大面积[2]、深基坑[3]和大空间[4]，如一线城市地下空间面积已达到10~30万m2，上海仲盛广场基坑开挖面积达到5万m2，上海世博工程基坑深度已超过20 m[5]。基于此，诸多学者在深基坑支护方面开展了大量研究，黄雪峰等[6]通过近年西宁地区基坑支护工程实践，对比分析了常用支护结构的作用机理、适用范围，提出了有效的基坑支护优化方案；邓友生等[7]系统分析了深基坑支护结构的一些理论计算方法与深基坑开挖施工现场监测技术措施，讨论了深基坑支护结构中存在的研究问题与其发展方向；李瑛等[8]对比分析了钢筋混凝土支撑和钢管支撑在深基坑中的应用，讨论了型钢组合支撑粉砂土基坑和软土基坑支护体系中的可行性与便利性。本文以某地明挖车站的基坑工程为研究背景，针对黄土地区深基坑支护的变形沉降特征建立的FLAC3D数值计算模型，与实际工程监测结果进行对比，在此基础上分析桩径与桩间距、桩长、支撑水平间距、支撑竖向间距等关键因素对基坑变形沉降的影响规律，进而提出基坑支护优化设计方案。

1 黄土地区深基坑工程概况

某地铁明挖车站为地下2层岛式车站，其基坑标准段宽20.7 m，深16.2 m。基坑围护结构设计为钻孔灌注桩+内支撑方案，其中，钻孔灌注桩径=1000 mm，间距=1300 mm，长度=23000 mm；内支撑为600 mm×14 mm钢支撑，水平间距为3000 mm，竖向间距为5000 mm，即由上至下3道支撑分别位于地下-0.5 m、-5.5 m和-10.5 m位置。场地范围内地层包括人工素填土、冲积黄土、卵石以及中更新世冲积粉质黏土等，各地层参数如表1所示。

表 1 基坑场地范围内各土层力学参数表

2 基坑支护方案设计

2.1 数值模拟模型

根据上述工程情况，采用FLAC3D软件建立黄土地区深基坑数值模拟分析模型如图1所示。该模型长182.7 m、高60 m、宽3.0 m，边界条件采用底面固定、四周法向约束，顶面自由。钻孔灌注桩和冠梁采用实体单元模拟，其弹性模量和泊松比分别设置为2.1 GPa和0.2，钢支撑采用结构单元模拟，其弹性模量和泊松比分别设置为210 GPa和0.25。基坑由上至下分4步开挖，每步开挖至支撑底下0.5 m处。

图 1 黄土地区深基坑数值模拟模型

2.2 支护方案设计

为研究合理的基坑支护方案，本文在已有设计方案基础上，针对4种不同的基坑支护参数（桩径与桩间距、桩长、支撑水平间距以及支撑竖向间距）进行了数值模拟分析，比较了不同支护参数条件下基坑周边地表沉降和桩体位移，具体如表2所示。

表 2 黄土地区深基坑支护方案设计

3 数值计算结果分析

3.1 与实际监测结果对比

基坑开挖后，本文在原有设计支护方案下得出的桩体水平位移如图2所示。可以看出，基坑开挖后钻孔灌注桩水平最大位移约为12.5 mm，出现在靠近基底的位置，由最大位置往桩两端，桩体水平位移逐渐减小，即桩体在基坑开挖后呈现“弓形”变形。对比实际监测数据可知，本文数值模拟得出的桩体最大变形和出现位置，以及桩体沿桩深方向的变形分布规律均与实际工程保持一致，说明本文模拟采用的相关数据是较为准确的。

图 2 基坑开挖后桩体的水平位移分布曲线

3.2 基坑支护方案优化分析

3.2.1 桩径与桩间距优化设计分析不同桩径与桩间距下基坑周边围护结构与土体的变形分布曲线如图3所示。随着桩径和桩间距的变化，基坑单位面积上的围护结构刚度也在不断发生变化，当桩径越大或桩间距越小，围护结构的整体刚度就越大，相应地基坑围护结构变形与地表沉降也就很小。由图3可知，随着围护结构刚度的增大，桩体水平位移在桩深-10 m以上变化很小，而在桩深-10 m以下则逐渐减小，这主要是因为随着基坑的向下开挖，桩后主动土压力逐渐增大并主要集中在-10 m以下位置，而-10 m以下却只布置一道钢支撑，难以有效约束该范围内桩体产生的水平位移。因此，选择黄土地区深基坑两侧桩径和桩间距时，因考虑钢支撑的布置位置，并使支护桩的刚度与支撑的刚度保持在一定的比例量级，才能很好的协调支护结构的变形。由桩体和地表沉降随桩径和桩间距的变化幅度大小上看，本文依托工程围护结构桩选择直径0.8 m间距1.1 m的钻孔灌注桩就能够有效限制基坑周边土体的变形。

图 3 不同桩径与桩间距下基坑周边围护结构与土体的变形分布曲线

3.2.2 桩长优化设计分析不同桩长下基坑周边围护结构与土体的变形分布曲线如图4所示。可以看出，当桩长为18 m时，桩入土深度约为2 m，此时坑底下的土体难以约束住桩体向坑内产生的变形，导致桩底发生踢脚破坏，引起基坑失稳。当桩长为23 m时，桩入土深度约为7 m，此时桩体在坑底下的变形虽然相对较大，但能够保持稳定，不会发生失稳。当桩长大于23 m时，随着桩长的增加，围护桩体的水平位移逐渐减小（尤其是开挖面附近的位置），但是当桩入土深度满足结构稳定性要求后，此时再增大桩长，对桩体位移和地表沉降影响很小。从计算结果上看，本文依托工程桩长取23 m~25 m比较合适。

图 4 不同桩长下基坑周边围护结构与土体的变形分布曲线

3.2.3 支撑水平间距优化设计分析图5所示为不同支撑水平间距下基坑周边围护结构与土体的变形分布曲线。随着支撑水平间距的增大，整个桩体水平位移和地表沉降都逐渐增大，支撑水平间距每增大约1 m，围护桩体位移就增长约2 mm，而地表沉降增大约0.5 mm。这主要是因为支撑水平间距越大，每道支撑支承的土体范围就越大，相应地基坑周边土体变形也越大，但因围护桩本身存在刚度，支撑水平间距的增大并不能使围护结构刚度线性下降，因此当支撑间距达到一定程度时，支撑间距的改变对基坑周边土体变形影响也很小。结合图中桩体位移和地表沉降大小，为保证基坑安全和减小工程造价，可以选择支撑水平间距为4 m。

图 5 不同支撑水平间距下基坑周边围护结构与土体的变形分布曲线

3.2.4 支撑竖向间距优化设计分析图6所示为不同支撑竖向间距下基坑周边围护结构与土体的变形分布曲线。当支撑竖向间距分别为3 m、4 m、5 m和6 m时，基坑由上至下则分别需布置5道、4道、3道和3道支撑。由图可知，支撑竖向布置道数越多，围护桩在坑底以上的水平位移越小，同时地表沉降也越小。当支撑道数相同时（支撑竖向间距为5 m和6 m），由于围护桩变形在靠近坑底位置最大，因此，最底下一道支撑越靠近基底，就越有利于基坑周边土体的稳定。从图中可以看出，当支撑竖向间距为6 m时，基坑竖向设置道数较少，有利于施工并节省工程造价，同时，其围护桩变形和地表沉降要比竖向间距为5 m时分别小50%和25%。所以，实际基坑支护方案设计时，如支撑道数设计不变，则一定要合理控制各道支撑的竖向间距。

图 6 不同支撑竖向间距下基坑周边围护结构与土体的变形分布曲线

4 结论

本文针对黄土地区深基坑支护的变形沉降特征建立FLAC3D数值计算模型，与实际工程监测结果吻合度较高，在此基础上分析了桩径与桩间距、桩长、支撑水平间距、支撑竖向间距对基坑变形沉降的影响规律，提出了优化设计方案，主要结论如下：

（1）桩径的增大和桩间距的减小可以提高围护结构的整体刚度，减小基坑围护结构变形与地表沉降。桩体水平位移在桩深-10 m以上变化很小，而在桩深-10 m以下则逐渐减小，依托工程围护结构桩选择直径0.8 m间距1.1 m的钻孔灌注桩；

（2）本工程中桩长为18 m时，出现基坑失稳；桩长大于23 m时，随着桩长的增加，围护桩体的水平位移逐渐减小。建议选用23 m~25 m桩长；

（3）整个桩体水平位移和地表沉降随支撑水平间距的增大而增大，支撑水平间距每增大约1 m，围护桩体位移就增长约2 mm，而地表沉降增大约0.5 mm。为保证基坑安全和减小工程造价，可以选择支撑水平间距为4 m；

（4）支撑竖向布置道数越多，围护桩在坑底以上的水平位移越小；当支撑道数相同时最底下一道支撑越靠近基底，就越有利于基坑周边土体的稳定。

[1] 吴意谦,朱彦鹏.兰州市湿陷性黄土地区地铁车站深基坑变形规律监测与数值模拟研究[J].岩土工程学报,2014,36(S2):404-411

[2] 任望东,李春光,田建平,等.软弱土中大面积深基坑工程快速支护施工技术[J].施工技术,2013,42(1):35-39

[3] 刘方梅.深基坑开挖对临近地铁隧道的影响[D].杭州:浙江大学,2015

[4] 徐向辉.虹桥综合交通枢纽深大基坑关键技术研究[J].铁道工程学报,2009,26(6):44-49

[5] 刘志忠.西安地区深基坑边坡支护及其变形研究[D].西安:西安建筑科技大学,2014

[6] 黄雪峰,杨校辉,朱彦鹏,等.西宁地区常用基坑支护结构对比分析[J].岩土工程学报,2012,34(s1):432-439

[7] 邓友生,龙新乐,闫卫玲,等.深基坑支护结构体系的分析[J].湖北工业大学学报,2013,28(2):15-18

[8] 李瑛,唐登,朱浩源.H型钢构建的绿色深基坑支护体系初探[J].科技通报,2017,33(2):177-180

Optimization Design for Foundation Pit Support Scheme in Loess Area

DONG Gui-ping

311402,

Based on the foundation pit project of a subway open-cut station as the research background, a numerical model of settlement deformation of deep foundation pit supporting was established wtih FLAC3Dnumerical simulation software. Contrast test results found that the results of numerical calculation of actual engineering degree was high. Therefore, support key parameters such as pile spacing, pile length and pile diameter, support level spacing, the vertical spacing were changed to analyze the influence law of ground surface subsidence, optimization of supporting schemes. Based on the engineering retaining structure pile, the research showed that the best bored pile diameter is 0.8 m and spacing was 1.1 m, the pile length was 23 m-25 m, the horizontal spacing of supports was 4 m, and the vertical spacing of supports was reasonably arranged.

Foundation pit support; optimization design

TU528.01

A

1000-2324(2019)01-0062-04

10.3969/j.issn.1000-2324.2019.01.013

2018-03-05

2018-04-21

国家开放大学2018年度科研课题(G18F1654Y);杭州科技职业技术学院教育教学改革与研究课题(HKYJG-2018-06 2280)

董贵平(1982-),男,硕士,讲师,主要研究方向为建筑施工与材料改性. E-mail:dgp@hzpt.edu.cn