基坑开挖深度对支护结构变形影响研究

王智虎

（新疆水利水电项目管理有限公司,新疆 乌鲁木齐 830000）

1 引言

随着我国地下空间工程利用率的迅速发展,基坑工程规模、形状以及尺寸越来越复杂,这些因素导致基坑力学特性也极为复杂,因此系统地分析基坑开挖深度对基坑支护结构以及地表变形的影响具有重要的意义。

高立刚和宁贵霞[1]采用FLAC 3D 数值模拟研究了基坑开挖深度对既有铁路线变形的影响。结果表明,双侧开挖基坑可以显著减小路基的变形,且可以有效降低钢轨沉降差。秦爱芳和蒋晨旭[2]基于物理模型试验研究了基坑开挖卸荷影响深度分析,提出了基坑开挖深度的估算公式。梁艳等[3]基于极限平衡法研究了基坑开挖尺寸效应对基坑稳定性的影响。结果表明,在其他条件不变的情况下,基坑开挖尺寸越小,基坑的抗隆起安全系数越大,影响也更为显著。李宇熙[4]采用数值模拟系统的研究了基坑尺寸效应对基坑变形影响。结果表明,基坑分部开挖和开挖结束后支护结构墙顶变形的最小点和最大点分别位于坑角和基坑中部,基坑尺寸接近或大于临界长宽比时最大位移接近稳定。王梅[5]采用数值模拟研究了基坑尺寸对基坑支护结构变形影响。结果表明,开挖面以上,挡墙上主动土压力随长宽比增大而减小,而开挖面以下,主动土压力随基坑开挖长宽比增大而增大。韦鸿飞[6]基于数值分析了基坑开挖深度与坡顶建筑物安全距离关系。结果表明,当基坑开挖深度达到20 m 时,基坑外地层土体达到极限平衡状态。郑加柱和光辉[7]综合采用现场监测数据和卡尔曼滤波模型研究了基坑开挖深度的动态变形规律。结果表明,提出的基坑变形预测模型能够与实测变形规律吻合,证明模型预测效果比较理想。张鑫海等[8]基于理论解析手段研究了基坑开挖尺寸对下方隧道横向受力的影响。结果表明,基坑开挖引起的围压卸载效应主要作用于隧道拱顶和拱底。本文基于有限元数值模型,研究基坑开挖深度对支护结构及地表变形的影响规律。

2 工程概况

研究区基坑位于软土地区,根据钻孔资料,区内地层由上至下岩性见图1。根据工程需要,基坑开挖的最小深度为4 m,宽度也为4 m,采用钢板桩进行基坑支护,桩的截面尺寸为φ508×9 mm,间距为4 m。布置横向支撑两道,其中第一道横向支撑在地面0.5 m 深度以下,第二道横向支撑位于地面2.5 m 以下,每道横向支撑间距不小于2.5 m。

本文采用MIDAS/GTS 数值软件进行建模分析,岩土体物理力学参数汇总于表1。岩土体采用摩尔-库伦本构模型进行计算,钢板桩弹摸为200000 MPa,重度为80 kN/m3。模拟工况为：第一步进行位移场清零,第二步为钢板桩施工,第三步为0.5 m 深度基坑开挖,横向支撑布置,第四步为后续步开挖,支撑依次交替布置。

表1 岩土体物理力学参数

3 计算结果与分析

3.1 桩水平位移分析

图2 汇总得到桩水平位移随基坑开挖深度的变化规律。结果表明,当基坑开挖深度小于10 m 时,桩的位移随基坑开挖深度增大而增大,当基坑开挖深度大于10 m 时,桩的位移随基坑开挖深度保持不变。当基坑开挖深度位于填土层内,桩的位移变化不明显,当基坑开挖深度位于淤泥土层内,由于土层的工程性质较差,导致桩的位移迅速增大,进一步增大基坑深度时,桩的水平位移基本保持不变,其值为93 mm。

图2 桩水平位移与基坑深度关系

图3汇总得到桩顶水平位移最大值随基坑深度变化规律。结果表明,桩顶水平位移随基坑深度增大而先增大后减小随后保持不变。桩顶水平位移达到最大值为16 mm,出现在基坑深度为2.5 m 位置处。当基坑深度进一步增大至5 m 时,桩顶水平位移保持2.6 mm 不变。综合以上结果可以看出,基坑底部及桩下半段位于淤泥层内时,由于无支撑的约束作用,导致桩顶位移迅速增大。

图3 桩顶水平位移与基坑深度关系

3.2 桩轴力分析

图4 汇总得到桩的负轴力随基坑深度变化规律。结果表明,桩的负轴力随基坑深度的增大先增大然后缓慢增大最后趋于稳定。总体来看,桩的负轴力最小值不到1 kN,最大值为255 kN。这是因为在基坑底部土质工程性质较好,因此桩的最大负轴力比较稳定。在基坑开挖深度达到17 m 时,桩的最大负轴力在15 m 位置处保持稳定。总体来看,桩最大负轴力所对应的位置均略高于坑底。

图4 桩负轴力移随基坑深度变化

3.3 桩弯矩分析

图5 汇总得到桩的最大负弯矩随基坑深度变化规律。结果表明,随着基坑深度增大,负弯矩先增大随后在基坑深度为12 m 的时候保持不变。也即当桩端位于土质较差的土层内,桩端负弯矩变化速率较大,当位于土质较好的土层内,桩的负弯矩变化率稍缓。

图6 汇总的到桩的最大正弯矩随基坑深度变化规律。结果表明,随着基坑深度增大,最大正弯矩随基坑深度变化并不明显。当基坑深度小于10 m 时,最大正弯矩呈增大规律,最大值为280 kN・m。当基坑深度较小时,桩的最大正弯矩趋于0 值。基坑深度大于10 m 时,桩端进入花岗岩岩层内,弯矩值降低。因此,桩的最大正弯矩对应的位置在砾砂土层内。

图6 桩最大正弯矩与基坑深度关系

3.4 横向支撑轴力分析

图7 汇总得到支撑轴力随基坑深度变化情况。本文考虑基坑20 m 深度范围内共设置7 道支撑。其中第一道支撑总体处于受拉状态,其余6 道支撑均处于受压状态,每道支撑在基坑深度方向的轴力变化趋势并不明显,但第6 道支撑的轴力最大,最大值为1500 kN。

3.5 地表最大位移分析

图8 汇总得到地表最大正位移随基坑深度变化。结果表明,随基坑深度增大,地表最大正位移呈上升趋势,但增大速率随基坑深度增大而减小。导致这一现象的主要原因是由于支撑的约束作用。在最大正位移稳定时,最大值为26 mm,而对应的距基坑边缘最大距离变化范围为0~16 m 之内。总体表明,地表最大正位移影响范围较大,实际工程中应进行跟踪监测,减小或者避免由于基坑隆起造成的工程问题。

图9 汇总得到地表最大负位移（沉降位移）随基坑深度变化。结果表明,随基坑深度增大,地表最大沉降呈上升趋势,但增大速率随基坑深度增大而减小,最终当基坑深度大于10 m时,趋于稳定数值。此外,在基坑深度为20 m 时,地表最大沉降位移接近87 mm,稳定时,最大沉降接近4.3 mm。由此可见,地表沉降影响范围约为6.0 m,实际工程中应关注该范围内的建筑物,避免发生较大的变形。

4 结论与建议

本文依托某软土地区基坑开挖深度对支护结构变形影响,采用MIDAS 进行了数值模拟研究,得到如下几点结论：

（1）桩的水平位移随基坑开挖深度的增大而先增大随后保持平稳；桩的负轴力随基坑深度增大而先快速增大,随后缓慢增大,最后保持稳定；基坑横向支撑多数均处于受压状态。

（2）地表最大正位移（隆起）和最大负位移（沉降）随基坑深度的增大而缓慢增大,地表隆起的影响范围介于0~16 m内,对应的地表沉降影响范围约6.0 m,实际工程施工中,应注意关注影响区范围内的建筑物变形问题。

（3）根据桩的位移分布规律,在基坑较深的位置处,桩承受的压力迅速增大,因此实际工程中应增大支护结构刚度,以减小桩的变形。此外,当桩位于软弱地层中,桩的位移过大对支护结构稳定性不利,因此在该深度范围内也需增强支护结构刚度或增大结构截面尺寸。