坑内预留土反压对抗滑桩的影响分析

陈修和 ，董阁 ，汪东林

（1.安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230088；2.公路交通节能与环保技术及装备交通运输行业研发中心，安徽 合肥 230088 ；3.安徽建筑大学，安徽 合肥 230601）

基坑土体开挖过程中，可分层、分段、分区域分步开挖，通常先挖除基坑中部的土方，后逐步开挖至坑壁。在对坑壁土体开挖过程中，在不影响后续施工空间的前提下，也尽可能地少开挖、晚开挖，预留一部分土体对围护结构形成反压，可达到节省内支撑、降低围护结构的变形、提高施工过程围护结构安全性的目的。

目前对基坑预留土反压的计算方法尚不成熟，各类计算方法尚不统一，颜敬等对常用的四类计算方法进行了对比分析；郑刚等结合天津市一些工程经验，建立了考虑反压土影响时，支护结构内力和变形的计算方法，并结合工程实例进行比较分析；刘畅等基于有限元计算分析了反压土宽度、高度、坡度、放坡级数、面积等截面特征，对支护结构位移和内力的影响规律，结果表明当反压土高度为0.5～0.6倍基坑开挖高度时效果最佳。这些研究增强了人们对预留土反压的认识。

基于岩土工程的复杂性，已有的研究结果可能具有一定的适用范围。如双排桩与单排悬臂桩存在较大区别，应分开讨论。为此，本文基于有限元法，对单排悬臂桩围护结构的基坑开挖进行了分析，考察了预留土不同参数对排桩变形的影响，以便深入了解基坑工程中预留土反压的效果，促进其在工程实践中的应用。

1 有限元计算模型

现针对某一典型基坑工程中的单排悬臂桩进行分析。桩径为600mm，桩中心距2000mm，桩顶设置冠梁。桩长15.0m，基坑开挖深度6.8m。通过施工方案优化设计，尽量使围护结构预留一定的反压土，以提高基坑的稳定性，计算模型如图1所示。

图1 基坑预留反压土示意图

根据地勘报告，从上至下各土层可分为①黏土、②粉质黏土、③粉土、④粉土、⑤粉质黏土、⑥粉质黏土，采用Mohr-Coulomb模型对土体进行模拟，土层的计算参数见表1。图2给出了一种工况的网格划分情况。

数值计算按平面应变问题考虑，桩等效为板单元，等效后排桩的轴向刚度EA=1.01E7 kN/m，抗弯刚度EI=9.57E4 kN·m/m。挖方工程的计算步骤：原土体自重应力平衡、激活桩单元、分层开挖(杀死开挖面处的土体单元、保留预留土部分)、开挖至底(杀死预留土单元)。

图2 有限元网格划分

2 计算结果分析

通过对比计算，得到了预留土高度z、顶宽 b、坡率 z：c 不同取值情况下，土体变形与桩体内力情况。

土层计算参数 表1

2.1 预留土高度z的影响

预留土顶宽b=2.0m、坡率1：1情况下，不同高度z取值情况下土体的水平位移最大值如图3所示。

z=2.0m时土体水平位移最大值为35.3mm，z=3.6m时土体水平位移最大值为9.2mm。可见，预留土高度越大，土体的水平位移越小，预留土高度的增加对减小土体水平位移效果明显。但预留土高度越大，其宽度也越大，占地越多，基坑开挖可能无足够的空间提供给预留土。故预留土的高度应根据实际空间关系选择合理的高度。

图3 预留土高度对土体水平位移最大值的影响

计算还表明，不设置预留土(z=0.0m)即基坑开挖至底时，土体水平位移最大值为89.6 mm。可见，设置一定高度的预留土，能大大减小土体的水平位移，提高了施工过程中基坑的安全性，故施工过程中尽可能地预留一定的土体对围护结构进行反压。

桩身范围内的水平位移分布如图4所示，可见，预留土顶宽b=1.5m、坡率1：1、高度z=3.6m时抗滑桩水平位移最大值为11.75mm，开挖至底(即无预留土)时桩体水平位移最大值为85.5mm。悬臂抗滑桩的最大水平位移发生在桩顶处，设置预留土对减小桩体水平位移具有较大作用。

图4 排桩沿深度范围的水平位移分布

预留土顶宽b=2.0m、坡率1：1情况下，不同高度z取值情况下围护桩的弯矩最大值如图5所示。z=2.0m时抗滑桩弯矩最大值为92.2 kN·m/m，z=3.6m 时抗滑桩弯矩最大值为29.8 kN·m/m。可见，预留土高度越大，抗滑桩的弯矩越小，预留土高度的增加对减小抗滑桩的弯矩效果明显。抗滑桩的弯矩越小，其水平位移必然越小，这与土体的变形规律是一致的。

图5 预留土高度对排桩最大弯矩的影响

桩身范围内的弯矩分布如图6所示，可见，预留土顶宽b=1.5m、坡率1：1、高度z=3.6m时抗滑桩弯矩最大值为34.8kN·m/m，开挖至底(即无预留土)时桩体弯矩最大值为193.4 kN·m/m，设置预留土对减小桩体弯矩具有较大作用。

2.2 预留土顶宽b的影响

预留土高度z=3.6m、坡率1：1情况下，不同顶宽b取值情况下，土体的水平位移最大值如图7所示。b=0.0m时土体水平位移最大值为28.6mm，b=4.0m时土体水平位移最大值为5.7mm。可见，预留土顶宽越大，土体的水平位移越小。但预留土顶宽b＞1.5m后，其对减小土体水平位移的作用逐渐降低。且预留土顶宽越大，占地越多，影响坑内的施工作业。故预留土的顶宽应根据实际空间关系选择合理值。

预留土高度z=3.6m、坡率1：1情况下，不同顶宽b取值情况下围护桩的弯矩最大值如图8所示。b=0.0m时抗滑桩弯矩最大值为75.7 kN·m/m，b=4.0m时抗滑桩弯矩最大值为34.6kN·m/m。可见，预留土顶宽越大，抗滑桩的弯矩越小。同样，预留土顶宽b＞1.5m后，其对减小桩体弯矩的作用逐渐降低。

2.3 预留土坡率的影响

图6 排桩沿深度范围的弯矩分布

图7 预留土顶宽对土体水平位移最大值的影响

图8 预留土顶宽对排桩最大弯矩的影响

预留土顶宽b=2.0m、高度z=3.0m情况下，不同坡率取值情况下土体水平位移最大值及桩体弯矩最大值见表2所示。可见，预留土坡度越缓，土体水平位移最大值及桩体弯矩最大值均越小。但预留土坡度越缓占地越大，影响坑内的施工作业。故预留土坡率应根据实际空间关系选择合理值。

预留土坡率的影响分析(b=2.0m,z=3.0m） 表2

特别是预留土边坡属于临时性边坡，破坏后果不严重，根据相关规范，安全等级应属于三级 (高度一般不超过10.0m)，安全系数应大于1.15。若预留土高度小于5m，硬塑黏性土坡率不小于1：1；若预留土高度大于5m，硬塑黏性土坡率不小于1：1.25。即预留土边坡设计过程中，应满足相关规范要求，避免预留土边坡在极端条件下，发生破坏而造成不必要的损失。

3 结语

基于有限元法，考察了预留土不同参数对基坑抗滑桩的影响，计算结果表明：设置预留土反压对减小土体水平位移与桩体弯矩效果明显，实际工程中应尽可能地设置预留土。预留土顶宽越大，其对减小土体水平位移具有一定作用，但当顶宽超过一定范围后，该作用越来越不明显。预留土坡率的设计，应满足相关规范的要求。预留土的设置应根据基坑实际空间关系选择合理参数。