不同内支撑支护形式对基坑开挖变形影响分析

摘要：以某邻近建筑物基坑开挖为研究对象，采用数值模拟的方法分析两种不同基坑支护形式下支护桩、基坑外地表沉降规律的影响，得到以下结论：建筑物的存在与否不影响支护桩水平位移及基坑外地表沉降变化规律，且有建筑一侧支护桩水平位移和基坑外地表沉降，明显大于无建筑物一侧；相比于钢管支撑，混凝土支撑对桩顶位置水平位移、支护桩最大水平位移及坑外地表沉降的控制作用更为明显；与钢管支撑相比，混凝土支撑对建筑物水平位移和沉降分别减小了5%和16%以上，说明采用混凝土支撑对于建筑物的稳定性更为有利。

关键词：基坑工程；内支撑支护；水平位移；沉降；混凝土支撑

0 引言

基坑开挖会导致周围土体卸荷发生变形，尤其当邻近基坑存在既有构筑物时，因其自身荷载以及下部土体松动变形，可能会导致基础发生变形，使得建筑物发生裂缝等现象，故合理实施支护显得尤为重要[1-2]。

近年来，国内很多学者采用现场监测、数值模拟和室内试验等方法研究了基坑开挖对邻近构筑物影响，同时提出了一些基坑加固方法，具有积极地作用。陈尚荣[3]等以上海中环线某矩形地下通道的深基坑开挖为例，基于有限元数值模拟方法，考虑土体、基坑围护结构与矩形地下通道之间的相互作用，建立深基坑开挖过程及矩形地下通道弹塑性数值仿真模型，分析不同支护形式下深基坑开挖对邻近矩形地下通道变形的影响。

为了有效解决软土地区地铁车站基坑施工引起周围建（构）筑物变形的问题，马耀仁等[4]以实际工程为例，采用理正及Plaxis等计算软件，分析软土地区地铁基坑开挖对邻近重要建（构）筑物影响规律，总结出软土地层地铁车站基坑设计及施工要点。李杰[5]采用ABAQUS有限2b39b0fb320c0b9abfba9025297c5a00e92687b55ae477659b456f12a7375a61元分析软件对某基坑开挖对临近基坑桥墩基础进行模拟，结合有限元和理论计算结果，分析了基坑开挖对临近基坑的桥墩变形的影响。

本文在以往的研究基础上，以某邻近建筑物基坑开挖为研究对象，采用数值模拟的方法分析了两种不同基坑支护形式下支护桩、基坑外地表沉降以及建筑物变形规律的影响，研究结果可为工程设计和施工提供参考和借鉴。

1 工程概况

某地下综合管廊工程采用明挖方式施工，基坑右侧存在一既有框架建筑物，建筑物长度方向与右侧基坑边缘平行，距离基坑水平距离为6m。采用钻孔灌注桩+内支撑支护体系，已知支护桩长度为24m，桩径为1.0m，桩间距为2.0m，桩顶冠梁取1.0m×0.8m。

基坑开挖分4步进行，首先开挖至4m，设置第一道支撑；第二步是开挖至8m，设置第二道支撑；第三步是开挖至12m，设置第三道支撑；最后是开挖至16m深结束。钢管支撑所采用的钢管截面直径和厚度分别为600mm和15mm，水平间距为4.0m；混凝土支撑截面为正方形，边长为0.8m，水平间距为8.0m.

2 数值模拟方案

2.1 模型建立

采用有限元软件Midas/GTS建立模型，如图1所示。模型长宽高依次为100m、50m和40m。模拟过程中，钻孔灌注桩、内支撑和冠梁均采用结构单元模拟，其他采用实体单元模拟，除上边界外，其他边界均进行位移约束。

原始地层从上往下分为6层，依次为杂填土层、黄土1～3层、黏土层和砂土层，厚度分别3.5m、3.0m、3.9m、4.2m、7.8m、17.6m。为简化计算，将建筑物建筑物重度取3.8kN/m3，泊松比取0.22，弹性模量取30GPa。在基坑边界施加均布荷载20kN/m2，用于模拟施工和活荷载。

2.2 确定支护体系

基坑开挖过程中，采用为支护桩+钢管支撑的支护体系，支护桩采用钻孔灌注桩，支护桩和冠梁均采用C30的混凝土，内支撑设为3道。本文共考虑两种不同的支护形式：第一种为3道支撑均为钢管支撑（下文简称为钢管支撑）；第二种为第1道支撑采用钢管支撑，其余2道支撑全为混凝土支撑（下文简称为混凝土支撑）。表1为支护桩、冠梁和内支撑的物理力学参数。

2.3 监测点设置

如图2所示，在建筑物左侧基础底部和屋顶分别设置监测点#1和监测点#2，用于监测建筑物水平位移，在在基础底部设置每间隔2m一个的监测点，用于监测建筑物沉降。

3 支护桩变形及地表沉降分析

3.1 支护桩水平位移分析

由于基坑右侧6m外有建筑物的存在，导致基坑开挖过后两侧的变形不同，通过数值模拟得到两种不同支护形式下的基坑左侧、右侧（即有建筑物一侧）支护桩水平位移曲线如图3所示。

由图3可知，在不同支护形式下支护桩均向基坑内侧方向发生位移，且支护桩顶部水平位移较小。随着支护桩深度的增大，支护桩水平位移先增大后减小。采用钢管支撑和混凝土支撑的最大水平位移（左、右两侧）位置均在桩深12m处，与钢管支撑形式相比，混凝土支撑左、右两侧的最大水平位移分别减小了8.7%、8.2%。建筑物的存在使得右侧支护桩水平位移大于左侧，采用钢管支撑和混凝土支撑时，右侧支护桩最大水平位移分别比左侧大10.7%和11.3%。

建筑物的存在不影响支护桩水平位移变化规律，由于建筑物的影响，导致有建筑一侧支护桩水平位移明显大于无建筑物一侧。相较于钢管支撑，混凝土支撑能减少对桩顶位置（即布设位置处）的水平位移，同时对支护桩最大水平位移也有明显的控制作用，这与混凝土支撑刚度更大有关。

3.2 临近基坑外地表竖向位移分析

两种不同支护形式下的基坑左侧、右侧（即有建筑物一侧）地表沉降如图4所示。由图4可知，在两种不同支护形式下，基坑左侧地表沉降规律相同，采用钢管支撑和混凝土支撑时基坑左侧最大地表沉降分别为15.84mm和13.18mm，最大沉降位置均距离基坑左侧12m附近处。

相较于钢管支撑，混凝土支撑情形下的基坑左侧地表最大沉降减小了16.8%。两种支护形式下基坑右侧的最大地表沉降分别为17.54mm和14.98mm，其最大沉降位置与左侧相同，混凝土支撑的基坑外侧地表最大沉降较于钢管支撑减小了14.6%。

综上可知，建筑物的存在使得右侧地表沉降大于左侧，两种不同支护形式的右侧地表最大沉降分别比左侧大10.7%和13.7%。建筑物的存在不影响基坑外地表沉降变化规律，由于建筑物的影响，导致有建筑一侧基坑外地表沉降明显大于无建筑物一侧。采用混凝土支撑对坑外地表沉降控制效果较于钢管支撑更为明显，尤其是当基坑外附近存在既有构筑物时，采用混凝土支撑可以起到更好地控制作用。

4 建筑物变形分析

4.1 水平位移分析

不同支护形式下建筑物的水平位移如图5所示。由图5可知，随着基坑开挖深度的增大，监测点#1和监测点#2的水平位移不断增大，且水平位移均朝着基坑一侧移动。由于监测点#2位于屋顶，承受着建筑物倾斜的影响，而监测点#1承受土体的约束等影响，导致监测点#2水平位移明显大于监测点#1。

当采用钢管支撑时，基坑开挖完成后监测点#1和监测点#2水平位移分别为10.74mm和14.87mm，当采用混凝土支撑时，基坑开挖完成后监测点#1和监测点#2水平位移分别为10.16mm和14.01mm，后者监测点#1和监测点#2水平位移较于前者分别减小了5.4%和5.8%。

4.2 竖向位移分析

不同支护形式下建筑物的沉降曲线如图6所示。由图6可知，当采用钢管支撑时，建筑物最大沉降为16.81mm，而当采用混凝土支撑时，建筑物最大沉降则为14.03mm，即后者的最大沉降较于前者减小了16.5%，说明采用混凝土支撑对于建筑物的稳定性更为有利。

5 结束语

本文在以往的研究基础上，以某邻近建筑物基坑开挖为研究对象，采用数值模拟的方法分析了两种不同基坑支护形式下支护桩、基坑外地表沉降以及建筑物变形规律的影响，得到如下研究结果：

建筑物的存在与否不影响支护桩水平位移及基坑外地表沉降变化规律，有建筑一侧支护桩水平位移和基坑外地表沉降明显大于无建筑物一侧。

与钢管支撑相比，采用混凝土支撑能够减少桩顶位置的水平位移，且对坑外地表沉降的控制作用更优于钢管支撑，尤其是当基坑外附近存在既有构筑物时，混凝土支撑的控制效果更明显。

较于钢管支撑，混凝土支撑对建筑物水平位移和沉降分别减小了5%和16%以上，说明采用混凝土支撑对于建筑物的稳定性更为有利。

参考文献

[1] 郑刚，李志伟.不同围护结构变形形式的基坑开挖对邻近建筑物的影响对比分析[J].岩土工程学报，2012，34（6）：969-977.

[2] 李阳.紧邻国铁站房进行深基坑开挖的围护结构有限元分析[J].福建建材，2019（6）：1-3+13.

[3] 陈尚荣，曹传祥，廖志坚.不同支护深基坑开挖对地下通道变形的影响[J].交通科学与工程，2018，34（4）：43-52.DOI：10.16544/j.cnki.cn43-1494/u.2018.04.008.

[4] 马耀仁，于加云，惠弘煜，等.软土地层地铁车站基坑开挖对邻近建构筑物的影响分析[J].天津建设科技，2024，34（1）：12-15.

[5] 李杰. 基坑开挖对临近桥墩基础变形的影响分析[J].广东建材， 2019， 35（1）：25-26.