深厚泥炭质土圆形基坑中h型双环板撑支护应用及数值模拟分析

李肖君，李建乔，罗 毅

（云南建投第十二建设有限公司，云南 昆明 650500）

随着城市建设规模的日益增大，城市建筑除向空中发展以外，地下空间开发利用也越来越受到人们的重视。不过，地下建筑的设计因基坑深度、面积、形状、地质的不同，对基坑的支护形式、施工工艺提出了新的要求。以昆明地区为例，随着基坑开挖深度越来越大，基坑规模也越来越大，施工周边环境复杂；同时，文明城市的建设对城市基础设施提出了更高的要求，随着环境改善工作的落实以及污水处数量和处理技术的提高，大型地埋式池体也随之增多。

在基坑支护工程中，由于外界原因或不利地质条件的影响，锚杆、锚索、土钉墙等常规支护方法无法实施，而采用单排悬臂桩又无法满足工程对基坑稳定、周边建筑变形和沉降的要求时，h型双环板撑支护结构不失为一种可供选择的方案[1]。

随着围护技术的多样化发展，双排桩在深基坑和边坡工程得到越来越多的使用。双排桩类似平面刚架体系，具有刚度大、侧向位移小等优势。文献[2-7]分别探讨了利用近似理论和数值模拟解析基坑支护中的双排桩结构的相关内容。但是由于h型双环板撑支护结构在力学作用机制上不同于其他双排桩支护结构，因此二者在计算分析理论上必然存在较大的差异。肖世国[8]分析了h型支护结构的作用机理，认为由于前后排桩间有横梁将其连为一体，整体刚度极大，可提供较大抗力，因而可以用于大型边（滑）坡的治理工程中。刘波[9]结合上海中心塔楼超深大圆形基坑在周边敏感环境和复杂水文地质条件下的监测实例，深入分析了海量实测数据，重点研究了基坑施工过程中6道环撑的内力、位移等数据，分析了软土地区超深大圆形基坑的空间特性，为软土地区同类基坑的实施提供参考。李韬等[10]结合上海国际金融中心项目中顺作区临时水平环撑和对撑体系、逆作区梁板支撑体系的受力特性进行了信息化监测和归纳分析，探讨软土地区超深大基坑在顺逆作同步交叉实施条件下多种水平支撑体系的受力特性，提出了超深大基坑水平支撑体系信息化施工的控制建议，以保证基坑水平支撑体系始终安全稳定，并为软土地区同类基坑工程的设计和施工提供参考。但国内外对h型双环板撑的理论研究较少。

文章以昆明市某半地下整体式污水处理厂的基坑支护为例，利用岩土工程有限元软件midas GTS NX对基坑支护剖面的h型双环板撑支护结构进行数值模拟，同时针对模拟计算的结果，分析了支护结构的受力位移等问题，进而为h型双环板撑支护结构在深厚泥炭质土超大圆形深基坑中的应用提供依据。

1 工程概况

1.1 依托项目周边环境

该基坑支护工程位于昆明市西山区碧鸡镇王家堆村，直径为250m，开挖深度为12.35m，局部开挖深度为17.75m。基坑西、北侧临近G56S绕城高速高架桥，最短距离约55m；基坑东侧距滇池水域约120m，基坑东侧有王家堆渠通过，距离基坑边缘最近约17m。王家堆渠河宽10～15m，水深1～2m，与该场地地表水、地下水有水力联系。

场地浅、上部地层为第四纪人工填土层，以下地层以第四系湖沼积的泥炭质土、黏土及粉土为主，软塑～流塑状态，场区内基岩埋深较大，场地100m深度范围未见基岩。场区地下水主要为赋存于填土层的表层滞水以及赋存于粉土夹层的孔隙潜水。

1.2 h型双环板撑

根据该工程的特点，采用围护桩+下环形板撑支承桩+两道环形板撑作为基坑支护结构。外排支护桩采用旋挖钻孔灌注桩φ1000mm@1200mm，内排支承桩采用旋挖钻孔灌注桩φ800mm@7500mm。钢筋混凝土环形板撑采用矩形截面，第一道环形板撑设置于-3.0m处，截面尺寸为3500mm×1050mm，第二道环形板撑置于-7.5m处，截面尺寸为5500mm×1200mm。第二道环形板撑取结构外轮廓线的最小外接圆，并考虑基坑支护结构与结构外缘间必要的施工间，故设置其直径为238m。基坑支护剖面图如图1所示。在此基坑支护方案中，支护桩、支承桩、环形板撑三者组成h型双环板撑支护结构。

2 有限元模拟

利用midas GTS NX软件对该工程进行数值模拟，分析h型双环板撑结构在基坑支护剖面中的受力和变形特性。

2.1 基本假定

（1）忽略支护结构施工对土体扰动的影响。

（2）平面应变假定。

图1 基坑支护剖面图

（3）将支护桩、支承桩、环形板撑三者组成的h型双环板撑支护结构视为一个整体。

2.2 本构模型

在midas GTS NX软件内置模型中，采用修正摩尔-库伦模型模拟土层，弹性模型模拟支护桩、支承桩和环形板撑；两侧边界采用限制水平方向位移约束，底部采用固定约束，顶面为自由面。因为模拟时采用平面应变模型，所以在该模型中需要将支护桩、支承桩的支护宽度进行等效处理，则支护桩等效支护宽度为π(1000/2)2/1200=654.49mm；支承桩等效支护宽度为π(800/2)2/7500=67.02mm。

该模拟模型的尺寸为120.98m×74.2m，开挖深度为12.35m，支护桩长为35.2m，支承桩长为27.2m，支护桩与支承桩的间距为5m。有限元划分如图2所示。土体、支护结构的参数如表1、表2所示。

图2 模型网格

表1 土层分布及土体力学参数

表2 支护结构参数

2.3 模拟结果

通过数值模拟，利用软件分析模型施工阶段中的受力变形，得出模型水平位移图，支护桩与支承桩桩身的轴力、剪力、弯矩曲线图，两道环形板撑的剪力、弯矩。

结合该工程的实际施工过程，将模型的施工阶段分为4个工况进行模拟。第一工况：在原地面基础上施工支护桩与支承桩。第二工况：放坡开挖至第一道环撑底标高处。第三工况：施工完第一道环形板撑且养护达到设计要求强度，并开挖至第二道环撑底标高处。第四工况：施工完第二道环形板撑且养护达到设计要求强度，形成h型双环板撑支护结构，并开挖至坑底。

将第一工况设置为初始阶段，则施工阶段一的位移为0。其余工况下模型水平位移图如图3～图5所示。由图3可知，基坑放坡开挖至-4.05m处，基坑最大水平位移出现在放坡中部至底部区域，最大水平位移约15cm。由图4可知，基坑最大水平位移出现在放坡底部至第一道环形板撑底部之间的位置，最大水平位移约20.3cm，相对于第二工况而言，第三工况中基坑最大水平位移增大了5.3cm。由图5可知，基坑在放坡底部至第一道环形板撑底部之间的位置出现最大水平位移，最大水平位移约24.6cm，相对于第三工况而言，第四工况中基坑最大水平位移也增大了4.3cm。

图3 第二工况模型水平位移图

图4 第三工况模型水平位移图

图5 第四工况模型水平位移图

通过分析施工阶段中模型水平位移的变化趋势可以看出，随着基坑的施工，基坑的最大水平逐渐增大，但增大的速率减慢。由此得出，h型双环板撑支护体系的整体刚度较大，可以很好地控制基坑水平位移。

2.4 h型双环板撑各部分间的相互作用

h型双环板撑由外侧支护桩、内侧支承桩、环形板撑三部分组成。三者相互作用，形成完整的支护结构。在第一道环形板撑中，将靠近放坡处的位置设为起始点，以0.5m为单位，将其分成7部分，模拟所得第三、四工况第一道环形板撑的剪力、弯矩值如表3所示。

在第二道环形板撑中，将靠近支护桩的位置设为起始点，以0.5m为单位，将其分成11部分，模拟所得第四工况第二道环形板撑的剪力、弯矩值如表4所示。

由图1基坑支护剖面图可知，支护桩的轴线将第一道环形板撑分为2.5m与1m两部分；支承桩的轴线将第二道环形板撑分为4.5m与1m两部分。

通过表3得出，第一道环形板撑的剪力、弯矩在支护桩与环撑连接的位置发生突变。在突变之前的位置，第一道环形板撑的剪力保持不变，但弯矩逐渐增大。通过对比两工况中第一道环形板撑剪力、弯矩的变化得出：随着基坑开挖深度的增加，第一道环形板撑的弯矩逐渐增加，即第一道环形板撑在第四工况中的弯矩值要大于第三工况中的弯矩值；当支护结构中第二道环形板撑发挥支护作用时，第一道环形板撑的剪力下降，即第一道环形板撑在第四工况中的剪力值要小于第三工况中的剪力值。由此分析出，第一道环形板撑可以承担由支护桩传递的基坑外侧水土压力。通过表4得出，第二道环形板撑的剪力、弯矩在支承桩与环撑连接的位置发生突变，但剪力变化较小。在突变之前的位置，第二道环形板撑的剪力保持不变。在该模型中将第二道环形板撑与支护桩采用刚性连接，所以第二道环形板撑在靠近支护桩位置处弯矩最大，但桩间土和支承桩提供了竖向承载力，导致了第二道环形板撑的弯矩值逐渐减小。结合表3、4得出，第二道环形板撑的剪力、弯矩值均大于第一道环形的剪力值、弯矩值，当第二道环形板撑施工完成且基坑已开挖至坑底时，第一道环形环撑的剪力有所下降。由此可以说明，第二道环形板撑不仅承担了较大的由支护桩传递的基坑外侧水土压力，还将支护桩、支承桩、环形板撑有机地连成一个整体。由于该模型为平面应变模型，所以得出的模拟结果相当于实际环形板撑中的一个剖面的受力情况，而在该平面应变模型模拟结果中环形板撑的剪力可以视为实际环形环撑中的径向压力，环形板撑可以凭借自身受力属性将径向压力转换为轴向压力。

表3 第一道环撑剪力、弯矩

表4 第二道环撑剪力、弯矩

支护桩桩顶标高为-3.85m，支承桩桩顶标高为-8.5m。为方便分析，选取支护桩与支承桩上部分，即深度为-22m以上的部分做研究。支护桩与支承桩桩身水平剪力曲线图如图6所示，支护桩与支承桩桩身弯矩曲线图如图7所示，支护桩与支承桩桩身轴力曲线图如图8所示。

图6 支护桩与支承桩桩身水平剪力曲线图

图7 支护桩与支承桩桩身弯矩曲线图

图8 支护桩与支承桩桩身轴力曲线图

图6中，剪力的正向表示剪力指向基坑内侧，剪力的负向表示剪力指向基坑外侧。通过分析图6中支护桩在三个工况的桩身水平剪力变化得出：在第二工况中，基坑放坡开挖至-4.05m，支护桩桩顶的水平剪力为0kN。在第三工况中，基坑开挖至-8.7m，导致支护桩承受的基坑外侧水土压力增大，所以支护桩桩顶的水平剪力突增，增大至33.25kN，但支护桩将自身承受的基坑外侧水土压力传递给第一道环形板撑，因此第一道环形板撑承担了基坑外侧水土压力，支护桩在第一道环形板撑下侧的桩身水平剪力大于桩顶的水平剪力。在第四工况中，基坑开挖至坑底，支护桩承受的基坑外侧水土压力继续增大，但支护桩将基坑外侧水土压力传递给两道环形板撑，因此两道环形板撑承受了基坑外侧水土压力并发挥其支护作用，导致支护桩桩顶剪力稍有减小，减小至27.55kN，所以支护桩在桩顶至第二道环形板撑间，桩身水平剪力先增大后减小，而在第二道环形板撑的位置，桩身水平剪力发生突变，且桩身水平剪力的绝对值逐渐增大，并在-8.5m附近出现最大负剪力，最大负剪力为-46.08kN。通过分析图6中支承桩在三个工况的桩身水平剪力变化得出：支承桩在第二、三工况中桩身剪力变化不大，而在第四工况中由于第二道环形板撑承受了支护桩传递的基坑外侧水土压力并发挥其支护作用，导致支承桩桩身剪力变化较特殊，支承桩在桩顶处出现最大正剪力，最大正剪力为4.5kN，在桩顶至坑底间，桩身水平剪力逐渐减小，在坑底处桩身水平正剪力有小幅度增大，从坑底至-22m间，桩身水平剪力变化不大。

通过分析图7中支护桩在三个工况的桩身弯矩变化得出：支护桩桩顶弯矩在3个工况中逐渐增大，在第二工况中支护桩桩顶的弯矩为0kN·m。由于在该模型中第一道环形板撑与支护桩采用刚性连接，在第三工况中，随着基坑继续开挖，致使支护桩桩顶弯矩突增，增大至102.23kN·m。在第四工况中，基坑开挖至坑底，但环形板撑发挥其支护作用，导致支护桩桩顶弯矩稍有增大，增大至121.32kN·m。在该模型中支护桩与第二道环形板撑也采用刚性连接，所以支护桩在第四工况中桩身弯矩变化较特殊，支护桩桩身弯矩在第二道环形板撑的位置发生突变，且桩身弯矩逐渐增大，并在-8.5m附近出现最大弯矩，最大弯矩为656.78kN·m。通过分析图7中支承桩在三个工况中的桩身弯矩变化得出：支承桩在第二、三工况中桩身弯矩变化不大。由于该模型中第二道环形板撑与支承桩采用刚性连接，因此支撑桩桩身弯矩在第四工况中的变化较特殊。随着基坑开挖至坑底，第二道环形板撑发挥支护作用，导致支承桩在桩顶处出现最大弯矩，最大弯矩为2.77kN·m，然后桩身弯矩呈现出减小的趋势，从坑底至-22m间，支承桩桩身弯矩变化不大。

图8为支护桩与支承桩桩身轴力曲线图，其中轴力负值表示压力，轴力正值表示拉力。分析支护桩桩身轴力可知：在第二工况中，基坑开挖至-4.05m，支护桩顶部没有土层，所以支护桩桩顶轴力为0kN；在第三工况中，第一道环形板撑施工完成并养护达到设计要求强度，且基坑开挖至-8.7m，由于第一道环形板撑与支护桩采用刚性连接，支护桩桩顶轴压力突增，轴力为-93.34kN；在第四工况中，基坑开外至坑底，支护桩桩顶轴压力稍有增大，增大至-100.93kN。分析支承桩桩身轴力可知：在第二工况中，基坑放坡开挖至-4.05m，支承桩顶部存在土层，所以支承桩桩顶轴力为-1.42kN；在第三工况中，基坑开挖至-8.7m，支承桩顶部轴没有土层，所以支承桩桩顶轴力减小至0kN，由于基坑开挖，基坑外侧土体发生滑移、沉降等变形引起支护桩与支承桩桩间土体、基坑内部土体隆起，导致部分支承桩桩身轴力在第三工况中呈现出拉力；在第四工况中，第二道环形板撑施工完成并养护达到设计要求强度，且基坑开外至坑底，由于第二道环形板撑与支承桩采用刚性连接，致使支承桩桩顶轴压力增大，增大至-13.99kN。

综合图6～图8中支护桩剪力、弯矩、轴力在3个工况中的变化情况，再结合两道环形板撑的剪力和弯矩得出，支护桩在水平方向提供较大的抗力、在竖直方向为第一道环形板撑提供承载力的同时，还将基坑外侧水土压力传递给两道环形板撑。综合图6、7、8中支承桩剪力、弯矩、轴力在3个工况中的变化情况，再结合第二道环形板撑的剪力和弯矩得出，虽然支承桩提供的水平抗力较小，但为第二道环形板撑提供较大的竖向支撑力。

3 结论

通过理论分析与软件模拟相结合，对h型双环板撑支护结构在基坑支护剖面中的受力变形进行研究分析，得出支护结构各构件的受力作用机理：第一道环形板撑可以承担由支护桩传递的基坑外侧水土压力；支护桩提供较大水平抗力和竖向承载力，并将基坑外侧的水土压力传递给两道环形板撑；第二道环形板撑不仅承担了由支护桩传递的基坑外侧水土压力，还将支护桩、支承桩、环形板撑有机连成一个整体；支承桩提供的水平抗力较小，但为第二道环形板撑提供竖向支撑力，保障了第二道环形板撑充分发挥其支护能力。

支护桩、支承桩、环形板撑三者间相互配合，从而形成一个受力更加科学、刚度更大的支护结构，有效地控制了基坑侧向位移，保证了基坑的稳定性。该支护结构可以抵抗较大的坑外水土压力，在大型深基坑支护工程中，有较好的应用前景。文章的研究成果为h型双环板撑支护结构在深厚泥炭质土圆形深基坑中的应用提供了参考依据。