基坑支护桩嵌固深度变化对基坑性状的影响

侯 向

(西南林业大学土木工程学院，云南昆明 650224)

对基坑的稳定性分析是基坑工程的重要环节，而在采用排桩结构进行基坑支护中，支护桩的嵌固深度对基坑变形性状有较大影响，嵌固深度过小会造成基坑失稳，嵌固深度过深又会造成成本提升，随着有限元法理论与计算机技术的发展，有限元法在深基坑支护结构变形性状模拟中得到了广泛的应用。本文将采用二维有限元法模拟桩嵌固深度的变化对基坑性状的影响，通过验算找出合理嵌固深度。

1 嵌固深度的计算方法

基坑支护规范针对不同支护形式给出了适宜的嵌固深度计算方法，常用圆弧滑动简单条分法确定嵌固深度hd，验算方法可采用抗隆起稳定性验算。

桩底低端平面下土稳定性验算计算方法见图1。

图1 桩底低端平面下土稳定性验算计算方法

计算方法可以采用上式进行抗隆起安全系数验算，以求得嵌固深度D，安全系数Khs对应安全等级一级、二级、三级为1.8，1.6，1.4。Nc为 Prandtl地基承载力系数，Nq为 Terzaghi承载力系数，并考虑c，φ值。排桩、地下连续墙等支护结构的嵌固深度hd除应满足以上计算，还应同时满足基底抗隆起的要求。

2 支护桩不同嵌固深度下对基坑变形影响的数值模拟

工程中影响支护桩嵌固深度的因素通常有:地质条件、开挖深度、冠梁、桩径等，为确定基坑开挖中几种常见土对支护桩嵌固深度的影响大小，为方便计算机建模分析，本文分析时将土层均质化。

2.1 工程概况

某基坑开挖深度10 m，支护桩一排φ1 000@1 200，桩径1 m，基坑周边施工超载10 kN/m2，取模型深度为基坑深度的3倍，宽度为基坑宽度的2倍，为研究桩嵌固深度的不同对基坑变形性状的影响，对支护桩的嵌固深度分别采用6 m，9 m，12 m，15 m，18 m，21 m，24 m，28 m运用Plaxis进行有限元模拟，并对不同嵌固深度下对基坑变形产生的影响进行分析。地基土主要物理力学性质参数见表1，支护结构计算参数见表2。

表1 地基土主要物理力学性质参数表

表2 支护结构计算参数表

2.2 计算模型

支护桩的嵌固深度在满足支护规范的情况下，不同的嵌固深度会对支护桩所受作用力的大小产生影响，本文通过改变支护桩的嵌固深度，对基坑周边位移与桩所受最大弯矩、最大剪力的变化进行分析，得出支护桩不同嵌固深度下对基坑稳定性影响的规律。支护桩的设置同上，分析时将土层均质化，土体本构模型采用Mohr-Coulomb模型，其他参数不变，图2为Plaxis软件模拟计算结果。

图2 基坑有限元计算模型

图3 基坑桩后土体最大位移量及地表沉降随桩嵌固深度变化曲线

由图3可以看出位移曲线出现折点，表明在某一阶段增加嵌固深度会显著增加基坑稳定性，但是嵌固深度超过某一值再不断增加并不会对基坑的稳定有很大帮助，这就说明存在一个最佳的嵌固值，使基坑支护体系既经济又可以保证其稳定性。

图4 支护桩最大弯矩随嵌固深度变化曲线

图5 支护桩最大剪力随嵌固深度变化曲线

由图4，图5可以看出，支护桩最大弯矩、剪力值出现折点，说明存在一个合理嵌固深度，在嵌固深度超过9 m后，增加的支护桩深度对基坑稳定性贡献不大，最大弯矩、剪力值变化不大。

3 结语

根据以上基坑周边位移、支护桩剪力、弯矩值随嵌固深度的变化可以看出，在满足规范设计要求前提下，在某一区间，支护桩嵌固深度越深，基坑越趋于稳定，但当嵌固深度超过某一深度(最佳嵌固深度)时，支护桩在基坑体系作用下，不会对基坑稳定有很大贡献，所以在实际基坑支护体系设计时，须对支护桩嵌固深度进行迭代验算，找出最佳嵌固深度。对于悬臂支护体系，设计时支护桩嵌固长度可以取基坑底面以上桩长进行试算，当然还要结合地层状况、有水无水、坑边超载等因素综合考虑嵌固深度的取值，对于实际工程，可以运用Plaxis，Midas GTS等有限元数值模拟软件对基坑稳定性进行复验，选择合理的嵌固深度。

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