异形深基坑支护设计与变形特性分析

黄明辉，宋 聪

（周口职业技术学院建筑工程学院，河南 周口 466000）

0 引 言

在市区地下空间规划与建设过程中，基坑平面形式受周边既有构筑物、市政道路等诸多因素影响[1].因主体建筑功能与规划需要，基坑工程常常采纳边线不规则的异形深基坑布置形式[2].与形状规则的传统矩形基坑对比而言，异形基坑在支护结构的受力形式及支护机制方面呈现出繁杂态势，对异形基坑作业工艺及安全控制之间展现出较高需求[3-4].

鉴于异形基坑的工程难度及应用的普遍性，许多学者对此开展过研究.郭书兰等[5]以长江下游软弱地层为背景，对超大异形基坑的支护设计展开优化分析，探讨了复杂地质状况下的围护结构受力情况及稳定性影响.宫鹤等[6]围绕某紧临高边坡的异形深基坑项目，提出桩锚配合混凝土内支撑的联合支护形式，通过后期监测结果验证此种支护形式在复杂环境下的适应性较强，具备良好的支护作用.王巍浩[7]利用有限元软件建立软土地区异形基坑模型，对不同截面形式下的基坑变形进行探讨，总结了支护结构的侧移规律.

研究表明，异形基坑的支护变形并非简单的二维平面应变问题，其具有明显的空间效应，而国内学者在此方面的研究尚有不足，需要展开更进一步的探析.

1 工程概况

1.1 项目概述

为系统性地分析异形深基坑下的支护体系选型与围护结构受力变形规律，选取某典型异形基坑工程为例展开研究.该项目基坑工程的围护对象为负二层地下空间，依据主体建筑空间需求，基坑支护体量较大，地下空间占地面积约为3.7 万m2，地下室深度为14.5～17.7 m.经基坑场地周边的现场勘察，场地周围环境复杂且对基坑支护较为不利.其中基坑北侧紧邻南昌轨道交通1 号线某地铁车站，剩余西、南与东侧均与市政道路相距较近，基坑场地内以中心岛形式遗留有修缮古建筑.

1.2 地质条件

经建筑场地实地勘察，并依据土体成因与工程性质，基坑区域内土体自地表向下主要由杂填土、粉质黏土、圆砾、砾砂、强风化泥质粉砂岩、中风化泥质粉砂岩、中风化泥岩及微风化泥质粉砂岩等8 个地层单元构成，工程场地中各土层对应物理力学参数如表1 所示.

表1 土层物理力学参数

1.3 支护体系设计方案

本项目基坑工程为典型的异形深基坑，基坑边线呈复杂多边形，易出现较多支护薄弱区域.通过对场地内土层性质分析与工程特点研究，基坑整体采纳了桩锚、桩- 砼撑两种支护形式，利用分段设计与支护的形式以保障开挖面侧壁稳定性，各支护段平面分布如图1 所示.

图1 基坑平面布置图

2 有限元数值模型建立

2.1 尺寸边界与本构模型选择

为验证桩锚- 砼撑体系支护效果，采用有限元分析软件Midas/gts nx 建立三维仿真模型.根据以往数值分析经验，基坑开挖的主要影响宽度约为开挖深度的3～4 倍，主要影响深度约为开挖深度的2～3 倍[8-9]，确定模型尺寸362 m（长度）×356 m（宽度）×45 m（高度）范围大小.为优化有限元网格质量，根据桩墙抗弯刚度相等原则[10]，将基坑围护桩等效为一定厚度连续墙.根据土体力学性质和受力变形特点，土体采用非线性的弹塑性材料进行仿真模拟，并由土体力学特性选取Hardening-Soil[11-12]弹塑性土体本构模型进行分析；基于围护结构变形特性，连续墙选用板单元弹性模型模拟，内支撑选用梁单元线弹性模型模拟，预应力锚索选用植入式桁架单元模拟.基坑整体模型与支护结构体系如下图2-图3 所示.

图2 基坑开挖模型

图3 支护结构模型

2.2 有限元分析步骤

为直观地分析开挖支护过程下的基坑变形状态，依据基坑实际施工过程划分有限元施工步骤，并对各工序下的基坑施工进行分步模拟，分析混凝土内支撑、支护桩、预应力锚索等基坑支护结构的变形发展，以及基坑周边土层沉降发展趋势.通过对工程的划分，不同施工工序下的有限元分析步骤如表2 所示.

表2 有限元分析步骤

3 有限元结果分析

3.1 基坑水平向位移分析

钻孔灌注桩与预应力锚索形成的桩锚支护体系、钻孔灌注桩与混凝土内支撑形成的桩撑支护体系构成了本项目基坑支护的重要措施，在基坑施工过程中，钻孔灌注桩与锚撑水平支护构件承担了施工所产生的水土压力，并以内力增长和构件变形的形式抵抗外部压力，保证了基坑的围护安全.通过工程经验与有限元数值分析数据，基坑支护形式与支护位置的差异会在很大程度上影响基坑的稳定特性.当基坑开挖支护至坑底设计标高后，支护体系的变形状况如图4 所示.

图4 基坑支护结构受力变形云图

由支护体系的总位移云图并结合基坑具体支护措施可知，因为基坑北侧仅在角部有内支撑，而跨中位置水平支护力度不足，导致基坑在卸荷过程中该部分支护结构变形较大，桩体变形北侧跨中区域达到峰值，灌注桩最大总位移达到11.12 mm.

根据有限元计算结果，不同位置处的灌注桩水平位移如图5 所示.根据数值分析结果，在不同平面位置处的钻孔灌注桩变形差异明显.基坑北侧跨中区域桩体受力变形较大，在桩后水土压力作用下，基坑围护结构朝向基坑内侧产生一定位移，在桩顶位置处表现出最大位移.而桩锚与桩撑位置处支护桩变形受预应力锚索和混凝土内支撑约束作用明显，支护桩顶部变形受限，桩身腹部受坑外水土压力较大朝向坑内变形，表现为典型的弓形分布.

图5 各工况下支护结构水平位移

随着基坑内土体不断移除，土体水平应力逐步释放，支护桩内侧所受土体抗力逐渐减小，支护桩变形不断增大.由于最后一步工况土方开挖至基坑底部的工作量较大，且基坑随最后一步开挖缺少水平方向约束，导致最后一步工况状态下，支护体系变形速率显著增大.基坑施工完毕后，支护结构各处水平位移值均小于11 mm，表现良好的支护效果.

3.2 基坑沉降分析

为探析异形深基坑施工过程对地表沉降影响，运用有限元数值分析方法建立基坑土体开挖与支护的仿真模型，根据图6 所示基坑施工至坑底后的土体总位移云图可知.基坑周围土体在基坑开挖过程中呈不均匀沉降，基坑北侧尤其跨中区域处由于水平支护措施设置力度不强，其支护效果明显弱于其余桩锚、桩撑支护段，导致坑外地表土体的协同沉降变形较大.而基坑底部土体由于短期内不断移除，土体竖向应力释放明显，土体呈现隆起现象.

图6 土体总位移云图

为探明异形基坑沉降变形性质，选取图7 所示的不同位置进行土体沉降分析.工程施工前期，由于土体开挖量相对较少且基坑内水平构件支护及时到位，因此基坑侧壁变形程度较小，坑外地表沉降数值与沉降速率仅小幅度增长.对比云图与分析数据可知，基坑北侧地表沉降较大，最大沉降范围位于距离基坑壁4 m～6 m 处，并沿坑边距离的增大表现出先减小后归于平缓的趋势，其沉降峰值达4.06 mm.基坑东侧桩锚支护段主要表现为预应力锚索受力变形，导致锚杆尾部上方土体沉降，最大沉降位置发生位移距离基坑侧壁稍远，其最大值发生在距离基坑壁28 m～29 m 处.基坑开挖完成后，土体最大沉降值不足7 mm，满足基坑沉降控制要求.

图7 各工况下坑外地表沉降

3.3 锚索轴力变化分析

为探析基坑施工对锚索内力影响规律，选取预应力锚索和混凝土内支撑在不同工况下的最大内力作为重要参考依据对基坑支护结构变形性质展开分析.根据图8 所示预应力锚索与混凝土内支撑的最大轴力变化可知，随着钻孔灌注桩变形不断增加，预应力锚索和混凝土内支撑分别受桩体变形产生的侧向拉力、压力作用，导致这两种水平约束构件轴力整体不断增长.

图8 最大轴力与工况关系

根据计算结果分析可知，在工程施工前期受灌注桩变形影响，预应力锚索和内支撑内力随土方卸荷逐步增长.工程后期由于桩身变形主要发生在腹部，表现为弓形变形分布，因此下层预应力锚索与内支撑承担的外力大幅增加，变形增长较大，上层锚索与内支撑受力有所减小.导致上层锚索与第一层内支撑轴力在工程施工后期有所下滑，不同位置处的水平构件内力发展表现为明显的差异性变化.

4 结 语

选取某典型异形深基坑工程，对基坑支护体系设计形式进行论述，并采用三维有限元分析方法，分别探讨异形深基坑支护形式下的围护构件侧移、地表土体沉降以及水平约束构件的内力变化形式，通过数据分析，得到结论如下：

（1）因异形深基坑受力形式复杂、支护设计与施工难度较大等原因，基坑工程在围护体系设计中，单一围护结构难以适应安全需求，应综合考虑各分部区域受力特性与地层岩性，灵活合理地选择支护结构的布置形式.

（2）本项目基坑工程采用桩- 锚与桩- 砼撑两种布置形式.经有限元数据反馈，验证此种联合支护形式具有明显的支护效果，有力地保障了基坑工程性能需求.

（3）基坑开挖至设计深度后，因土体应力释放明显，导致基坑支护结构水平变形与基坑内外侧土体竖向变形明显.施工在开挖至基坑底面后，应适时减小坑底土体暴露时间，及时浇筑基础底板，有助于支护侧移与地层沉降的收敛.