基坑两侧场地高差对支护结构设计的影响分析

汤 恺

（广东省重工建筑设计院有限公司，广东广州 510034）

地下连续墙+内支撑支护结构因其连续墙刚度大，整体性好，基坑开挖过程中安全性高，支护结构变形较小等特点得到了广泛使用[1]。随着基坑朝着更深、更复杂方向发展，基坑支护结构的设计所需考虑因素也增多，如何更全面、更准确地反映基坑支护结构受力及变形特性成为基坑支护结构设计的关键。

通常，场地平整后基坑四周场地标高相差不大及相近的情况下，地下连续墙+内支撑支护结构设计计算可采取对称取半，选取断面进行设计计算。当基坑场地平整后，基坑四周场地存在高差情况下，基坑支护结构设计需考虑三维空间效应[2-3]。本文主要通过有限元计算软件建立在不同场地高差值情况下的三维计算模型，得出场地高差值对地下连续墙结构影响的大小，优化传统支护结构断面设计计算方法，以达到简化在基坑两侧存在场地高差情况下的支护结构设计。

1 有限元计算模型

本算例主要结合广州地区某基坑工程，场地呈南北向分布，形状规则，场地东高西低，中间有起伏，场地平整后基坑东西两侧高差约为5 m，基坑30 m×10 m，基坑深12 m，基坑支护结构形式采用800 mm地下连续墙+两道内支撑支护。基坑三维计算模型取8 0m×80 m×45 m（深）。

地下连续墙采用800 mm厚壳单元，内支撑、腰梁及冠梁采用一维梁单元，土体采用三维实体单元，共25 670个单元，26 910个节点。地下连续墙与混凝土撑采用C30，弹性模量E=30 MPa，μ=0.2，容重γ=25 kN/m3，根据场地地质勘查报告，取岩土参数取值。

为验证所建立三维模型及土体参数取值的合理性与可对比性，通过比较分析有限元计算与理正深基坑计算基坑四周场地标高一致情况下的支护结构水平位移可知，理正深基坑与有限元方法计算连续墙变形趋势相一致，理正计算结果较有限元计算结果偏小1～2 mm，主要原因是两种计算方法不同，理正通过采用弹性梁法简化计算桩土之间共同作用；有限元法是采用土体单元与桩单元之间接触进行计算分析。整体计算结果相近、水平位移趋势都是相同，可相互验证所建计算模型的合理性。

2 数值计算与分析

针对上述相关参数建立三维有限元计算模型，考虑不同基坑两侧场地的高差值，通过有限元和理正深基坑支护结构设计软件，计算分析不同高差值对地下连续墙支护结构的变形影响。

2.1 有限元计算分析

通过分别建立基坑场地两侧高差H=1 m、H=3 m、H=5m及普通场地高差为H=0三维计算模型，提取基坑相同位置处高低两侧的连续墙水平位移曲线如图1、图2所示。

图1 有限元计算场地高侧连续墙水平位移

图2 有限元计算场地低侧连续墙水平位移

由以上有限元计算分析结果显示，当H=0时，基坑两侧位移呈对称显示，都朝基坑内侧变形，基坑顶水平位移与最大水平位移分别为3.33、9.21 mm。当H值从1、3、5 m逐渐增加时，基坑高侧支护结构顶水平位移向基坑内侧逐渐增加，分别为4.49、16.83、36.16 mm，本侧支护结构最大水平位移也由墙身逐渐转向墙顶位置；而基坑内侧支护结构顶水平位移分别为-2.05、5.90、14.04 mm，本侧支护结构水平位移也由朝基坑侧逐渐转变为背向基坑一侧发展。

从结果分析可知，当基坑两侧高差逐渐增加时，基坑支护结构水平位移由朝向基坑一侧变形逐渐转变为场地高侧水平位移朝基坑侧逐渐增加，场地低侧则背向基坑一侧发生变形。主要是由于基坑变形呈三维空间效应，随着场地高差值逐渐增大，场地高侧土压通过支撑传递给场地低侧支护结构，基坑低侧支护结构产生背向基坑一侧的水平位移。

2.2 理正深基坑计算分析

基坑深度12 m，对基坑场地两侧高差H=0、1、3、5 m的四种情况八个断面（其中冠梁、腰梁混凝土等级取C30），采用设计常用深基坑软件（理正深基坑支护结构设计软件7.0版）进行算例分析。

低、高侧计算分析如图3、图4所示。

图3 理正计算场地低侧连续墙水平位移

图4 理正计算场地高侧连续墙水平位移

根据有限元计算结果可知，场地两侧存在高差时，基坑两侧支护结构水平位移不对称，而坑高侧土压力通过支撑传递给低侧支护结构的协同变形模式。在理正计算场地低侧断面分析时，可通过对断面施加合适的预加力进行计算分析。

对场地低侧连续墙设计施加预加轴力（约为场地高侧支撑轴力的40%～60%），计算基坑开挖至12 m支护结构水平位移，工况1～4对应最大水平位移分别为9.2、10.4、19.0、38.2 mm；工况5～8对应最大水平位移分别为-9.2、-8.1、5.7、13.8 mm；计算抗倾覆安全系数，整体安全系数的值都能够满足规范要求。理正与有限元分析结果对比如表1所示，“+”为高侧朝基坑向，“-”为低侧。

表1 理正与有限元分析计算结果对比

理正计算结果与有限元分析计算结果趋势相同、大小相近。通过对基坑场地低侧施加40%～60%场地高侧轴力的分析模型，其计算结果与对应的有限元计算结果基本吻合。

3 结语

本文通过有限元分析基坑两侧场地高差对地下连续墙的三维模拟分析，基坑两侧场地存在高差H时，优化了地下连续墙支护结构的场地低侧断面设计计算方法。

（1）运用理正和有限元分析方法对基坑两侧场地不同高差值、对高低两侧地下连续墙设计影响大小、对应的7种工况所得最大水平位移、抗倾覆安全系数以及整体安全系数进行计算分析合理与可行。

（2）在实际应用时，可根据本文设计计算方法，以及具体的地质条件、地面超载等实际情况验算调整，为相关的基坑两侧场地存在高差情况下的支护结构设计提供了一定的借鉴与参考。