建筑基坑施工过程支护结构受力特性分析

张建华 （山东德正检测有限公司，山东 滕州 277599）

随着城市的持续开发，地下空间的利用程度不断增大，出现了越来越多的基坑工程，且基坑工程施工的规模和复杂程度也随之提升[1-2]。基坑工程作为建筑基础施工的重要部分，对于保证建筑物的稳定性和安全性具有至关重要的作用[3]。而支护结构是保证深基坑稳定性的重要措施，对于防止基坑的变形和塌陷具有不可替代的作用[4]。由于基坑深度的增加，基坑工程面临更加复杂的土质条件、地下水等因素的挑战，因此，掌握支护结构的受力特性对基坑工程的安全性和稳定性至关重要[5]。罗杰等[6]以某地铁车站深基坑为例，对基坑变形进行了监测，并根据监测结果通过正交法优化了基坑支护结构的设计方案，提高了基坑的安全性，降低了支护成本；程周炳等[7]对水泥搅拌桩支护结构在基坑中的受力特点进行了总结，并分析了其支护效果。

基于此，为了进一步掌握建筑基坑施工过程中基坑支护结构在不同因素影响下的受力变形情况，通过建立数值模型，从支护桩桩长、桩径、桩间距三个方面计算了支护桩的桩身弯矩和水平位移的变化趋势，得出影响基坑支护结构受力变形的关键控制因素，为类似工程提供指导和借鉴。

1 工程概况

某超高层建筑基础基坑类型为深基坑，基坑宽度和深度分别为26m 和14m，基坑四周地势平坦，选择明挖法施工。基坑地下土质情况复杂，经检验地下水能够腐蚀混凝土和钢筋，通过在基坑外侧设置旋喷桩，配合灌注桩的围护桩来阻止侧壁土中水的侵蚀。基坑支护体系共有三道支撑，其中有一道钢支撑和两道混凝土支撑。

基坑附近地质从下至上分别为含砾中砂、粉土、粉质黏土、淤泥以及杂填土。其中，含砾中砂颜色为棕褐色-黄褐色，中等密度，约含有20%的圆形砾石，且砾石分布不均匀，局部集中，中等压缩性，土层厚度0.11m～4.6m，土体性质较好；粉土颜色为灰色-灰黄色，塑性土，中高等压缩性，土层厚度0.21m～1.23m，土体性质较差；粉质黏土颜色为灰色-灰黄色，塑性土，中高等压缩性，土层厚度1.59m～5.39m，土体性质一般；淤泥颜色为灰色，土体有臭味，呈流塑性，有较高的压缩性，土体性质很差，厚度0.21m～1.51m；杂填土颜色为灰黄色，部分呈现灰色，土体较为松散，大部分为黏性土中夹杂碎石，整体压缩性不均匀，土体性质较差，厚度1.1m～1.72m。各土层具体物理性质见表1。

表1 各土层物理参数

2 建立数值模型

根据地质勘查报告与实际工程情况建立数值计算模型。因为基坑结构相对称，故只建立一半基坑的数值模型。在设置基坑边界条件时，约束水平位移，固定基坑底部，上部设置成自由端。所用混凝土抗压强度和等级分别为25.4MPa 和C30。基坑开挖时要做好降水工作，保证地下水水位一直处在基坑底部1m以下部位。选择弹性支点法进行模拟，计算时把支护结构等效于弹性地基梁，以此得出不同条件下支护结构的受力变形情况，在计算结果中，“-”与“+”号分别表示支护结构朝向基坑内侧和外侧的变形，如图1所示为模型示意图，钢筋和混凝土相关参数见表2。

图1 基坑数值模型示意图

表2 钢筋和混凝土相关参数

3 基坑施工过程中支护结构的受力变形

在建筑基坑施工过程中，支护桩的受力变形会受到众多因素的影响，如地质条件会对基坑支护桩的受力变形造成较大的影响，包括土层的性质、稳定性、厚度、土层的含水情况以及岩层的性质等；基坑深度会影响基坑周边土体的应力分布和支护桩的受力情况；支护桩的类型、尺寸、材料、布设方式、周围建筑物、交通载荷以及施工荷载都会对其受力变形产生影响。

在此次研究中，主要研究施工过程中支护桩桩长、桩径以及桩间距对支护结构受力变形的影响。

3.1 桩长对支护结构受力变形的影响

表3 为通过计算得出的不同围护桩桩长时支护结构的受力变形结果。从表3中能够得出，随着基坑深度和支护长度的增大，不同长度基坑围护桩桩身弯矩的变化趋势大致相同，呈现出波动变化的规律。当支护桩靠近地表、支护深度较浅时，不同桩长下桩身所受弯矩相差较小，受桩长影响较小；当支护深度大于10m时，随着支护深度的增加，桩身弯矩开始震荡式快速增大，且各桩长弯矩间的差距也逐渐变大；在支护深度持续增大至20m以上时，各桩长弯矩间的差距较为显著。根据上述结果能够得出，当支护桩支护深度达到某一值后，提高桩长能够增加桩身弯矩。对于桩身位移，随着支护深度的增大，不同桩长的支护桩水平位移基本保持一致，均表现为桩身先向基坑内侧移动，位移达到峰值逐渐转向基坑外侧，同时，桩长对桩体水平位移影响较小，无法通过增加桩长的方式来控制支护桩的水平位移。

3.2 桩径对支护结构受力变形的影响

表4 为通过计算得出的不同围护桩桩径时支护结构的受力变形结果。从表4中能够得出，随着基坑深度和支护长度的增大，不同桩径基坑围护桩桩身弯矩的变化趋势大致相同，呈现出波动变化的规律。当支护桩靠近地表、支护深度较浅时，不同桩径下桩身所受弯矩相差较小，受桩长影响较小；当支护深度大于15m时，随着支护深度的增加，各桩径下桩身弯矩间的差距逐渐变大；在支护深度持续增大至20m以上时，各桩径弯矩间的差距较为显著。根据上述结果能够得出，当支护桩支护深度达到某一值后，提高桩径能够增加桩身弯矩，这一规律与桩长对支护结构受力变形的影响相同。桩体水平位移受桩径影响较大，且随着桩径的提高，桩体水平位移不断降低，但从整体来看，桩体位移在不同桩径下的变化规律基本一致，均表现为随着深度的增加先增大后降低的规律。由此得出，通过增大支护桩的直径能够有效控制桩体的水平位移。

表4 不同围护桩桩径时支护结构的受力变形结果

除此之外，桩间距对支护桩桩身弯矩的影响与桩长、桩径的影响规律一致，但不同的是各桩间距下桩身所受的弯矩基本一致，这表明桩间距并不会影响桩身的受力情况。另外，桩间距对支护桩桩身水平位移的影响与桩长的影响一致，各桩间距下桩身位移基本一致，这表明桩间距同样不会影响桩身的变形情况。由此得出，无法通过改变支护桩桩间距的方式来控制支护结构的受力与变形。

4 结语

为了确定建筑基坑施工过程中基坑支护结构在不同因素影响下的受力变形情况，通过建立数值模型，从支护桩桩长、桩径、桩间距三个方面计算了支护桩的桩身弯矩和水平位移的变化趋势，主要得出以下结论：

（1）当支护深度较浅时，不同桩长（桩径）下桩身所受弯矩相差较小，当支护深度大于10m（15m）时，桩身弯矩随着桩长（桩径）的增大而增大；随着支护深度的增大，不同桩长的支护桩水平位移基本保持一致。

（2）桩体水平位移受桩径影响较大，且随着桩径的提高，桩体水平位移不断降低，但桩体位移在不同桩径下的变化规律基本一致，均表现为随着深度的增加先增大后降低的规律；各桩间距下桩身所受的弯矩和位移基本一致，这表明桩间距并不会影响桩身的受力和变形。

（3）可通过增大桩长和桩径的方式提高基坑支护桩最大弯矩值，通过增大桩径的方式来控制桩身位移。