L形基坑变形的空间效应研究



L形基坑变形的空间效应研究

阮波1，田晓涛1，杨关文1,2

(1. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075；

2. 贵州正业工程技术投资有限公司，贵州 贵阳550000)

摘要:依托长沙市潮宗御苑小区深基坑工程，利用有限差分软件FLAC3D建立了L形基坑的三维数值计算模型，对基坑的开挖过程进行模拟，研究土体以及支护结构位移的空间分布规律，讨论位移空间分布的影响因素，并将数值计算结果与实测值进行对比分析。研究结果表明：基坑各边中部位移最大，阳角处位移次之，阴角处位移最小；空间效应的影响范围随着基坑开挖深度增加而增大，但增幅逐渐减小, 一般为2～3倍基坑开挖深度；冠梁能够有效控制基坑的角部位移的发展，尤其是阳角处位移，并能够增加空间效应的影响范围。

关键词：倒L形基坑；变形；空间效应；数值模拟

基坑是一个三维空间结构，由于平面问题分析简单，积累的经验丰富，而且分析结果偏于保守、安全，设计计算时通常将基坑简化成二维平面问题来分析。但是，基坑开挖问题按照平面问题处理是不合适的，应用二维分析则存在许多缺陷，如无法研究开挖引起的空间位移分布、土压力分布，无法反映土方分块、分段开挖效应，无法考虑支撑结构的分段设置效应等[1-4]。对于异形结构的基坑，二维分析不能反映基坑某些特殊部位的位移变化情况，如基坑的阴角、阳角以及基坑中部的位移差异和位移变化特征，支护结构和土体位移的空间分布情况等[5-6]。传统设计方法往往造成计算结果与实测值在某些部位相差较大，设计不能反映实际情况，一方面可能导致设计过于保守而浪费工程造价以及人力资源，另一方由于没有掌握基坑支护结构的真实受力和变形情况，不利于基坑的安全施工。随着人们对基坑空间效应认识的不断深入以及计算机技术的不断发展，对基坑工程三维空间效应的研究越发显示出其重要性和必要性，但是，目前对于基坑空间效应的研究多是针对规则形状的基坑，对于特殊形状的基坑研究还比较少[7-9]。本文依托长沙市潮宗御苑小区深基坑工程，利用有限差分软件FLAC3D建立了L形基坑的三维数值计算模型，对基坑的开挖过程进行模拟，研究了土体以及支护结构位移的空间分布规律，讨论了位移空间分布的影响因素。

1工程概况

长沙潮宗御苑小区深基坑工程位于湘江大道与营盘路交汇处，北靠营盘路，西邻湘江大道，南抵潮中路，东有密集住宅楼，基坑平均开挖深度为13 m，围护桩嵌固深度为6 m，长度约152 m，宽度约88 m。基坑重要性等级为1级，基坑平面形状近似于L形，平面布置图如图1所示。基坑采用单排人工挖孔桩和锚索联合支护，桩径1.1 m，桩间距2 m，桩上设3排锚索，并在桩顶加冠梁。

图1　基坑平面布置图Fig.1 Floor plan of the foundation pit

2计算模型及参数取值

2.1计算模型

在深基坑模型建立之前，首先要确定基坑开挖的影响区域。为了满足计算精度同时兼顾计算速度，深基坑开挖时周围受影响区域一般可取基坑开挖深度的2～3倍范围，计算的深度一般取为支护桩桩底以下约1～2倍基坑开挖深度[10-11]。所建模型长度为236 m，宽度为192 m，深度为40 m，在兼顾计算精度以及计算速度的条件下，建模时可将基坑开挖处以及开挖面附近土体网格设置较密集，而将远端土体则可设置得较为稀疏，最终建立的模型如图2所示，模型包括107 916个网格，115 992个节点。

图2　基坑数值计算模型Fig.2 Numerical model of the foundation pit

2.2参数取值

本次模拟所用的参数包括土层参数、排桩和冠梁参数以及锚索参数，分别见表1～表3所示。

表1　土层参数

表2　排桩和冠梁参数

表3　锚索主要计算参数

3计算结果及分析

3.1土体水平位移

为了研究土体位移的空间分布情况，取最终工况下的地表位移值进行分析，图3为基坑地表面土体水平位移示意图。从图中可以看出，基坑坑角处土体位移较小，而沿着坑角向各边中部位移逐渐增大，各边的最大位移在中点附近，如图中箭头所示，另外，可以看出基坑AG段整段位移都比较小。

在基坑开挖过程中对基坑土体位移进行监测，表4为基坑各点的土体水平位移计算值与监测值，从表中可以看出，基坑各段中点处的位移均明显大于2个端点处的位移，计算值中最大位移为M点的28.6 mm，最小位移为B点的0.1 mm，而监测之中最大位移位M点的26.5 mm，最小位移为E点的6 mm。基坑的阳角D点处的计算值和监测值分别为9.8 mm和18 mm，而在基坑的几个阴角中，计算值的最大位移为C点处的2.4 mm，监测值

的最大位移为C点处的10 mm，阳角处的位移明显大于阴角位移。由此可以看出，虽然计算值与监测值在数值大小上存在一定的差异，但二者都反映出了相同的位移变化规律，即基坑中部位移最大，阳角位移次之，阴角处位移最小。

图3　地表土体水平位移示意图Fig.3 Sketch map of horizontal displacement of surface soils

测点位置AHBQCPDMEIFNG计算值/mm6.223.30.124.52.4249.828.60.921.71.427.45.8监测值/mm--81910221826.56-7.517.6-

3.2支护结构水平位移

基坑采取的支护方式为桩锚联合桩顶冠梁支护，现将基坑开挖前后的冠梁变形情况进行对比，以分析支护结构变形的空间效应。图4为基坑冠梁在基坑开挖前后的变形示意图，图中实线为基坑开挖前冠梁的形状，虚线为基坑开挖完成后冠梁的变形情况。

从图中可以看出，基坑开挖完成以后冠梁的位移特征为整体向基坑内方向凹陷，基坑各段位移变化规律与土体位移相同，在两端坑角处的变形较小，沿着坑角向基坑中部方向位移逐渐增大。从图

图4　冠梁变形示意图Fig.4 Sketch map of top beam deform

中可以清晰的看出，阳角D点附近的位移明显大于几个阴角处的变形，也证明了阳角是基坑工程中比较受关注的部位。另外，基坑GF段的冠梁位移也同样明显小于其他段的冠梁位移。表5为个点的支护桩桩顶位移统计值，从表中可以看出，支护桩和土体表现出了相同的位移规律，各边位移以中部最大，阳角处次之，阴角处最小，圆弧段位移较小。

表5　桩顶水平位移

3.3空间效应的影响因素

3.3.1开挖深度对空间效应的影响

为了研究基坑空间效应与基坑开挖深度之间的关系，取基坑的一条长边DE在不同开挖深度下的变形沿基坑坑壁的变化曲线进行分析。图5为DE段桩顶位移沿基坑从坑角向中部的变化曲线，图中4条曲线分别表示4个开挖深度的变化情况。从图中可以看出，桩顶水平位移沿坑角向中部逐渐增大，并在距坑角一定距离处趋于稳定。当开挖深度为3 m时，可以看出在0～10 m范围位移增加比较明显，超过10 m以后位移基本达到稳定，如果将这个位移逐渐增加的范围称作空间效应的影响范围，可以看出，当基坑开挖深度分别为6，9和13 m时，空间效应的影响范围分别为15，18和21 m，如图中虚线所示。

图5　DE段桩顶位移曲线Fig.5 Curves of pile top displacement of DE segment

从以上分析可知，基坑变形的空间效应与基坑开挖深度具有一定的关系，当支护结构相同时，空间效应影响范围会随着基坑开挖深度的增加而增大，但增加幅度会逐渐降低，当开挖深度分别为3 m和13 m时，对应的空间效应的影响范围为10 m和21 m，分别约为3倍和2倍基坑开挖深度。

3.3.2冠梁对空间效应的影响

为了分析冠梁对基坑变形空间效应的影响，将模型中的冠梁去掉，进行开挖模拟，分析基坑各部位的变形情况，再与有冠梁时的变形情况进行比较。图6为有冠梁和无冠梁的2种情况的支护桩桩顶位移，图中最外面的细线表示开挖前桩顶位置，虚线表示有冠梁情况下桩顶位移，最里面的粗实线表示无冠梁情况下的桩顶位移，比较虚线和粗实线，可以明显看出:二者在基坑中部一定范围发生重合，表示这些范围2种情况的位移一致，而在基坑各坑角附近，粗实线位移明显比虚线位移大，尤其是在阳角D点附近。

图6　桩顶位移示意图Fig.6 Sketch map of pile top displacement

图7　DE段桩顶水平位移曲线Fig.7 Curves of pile top displacement of DE segment

以基坑的DE段为例进行说明，图7为DE段有冠梁和无冠梁情况下的桩顶位移曲线，可以看出，在坑角D点有冠梁和无冠梁时的位移分别为9 mm和15 mm，二者相差较大；而2种情况下的最大位移分别为27 mm和28 mm，二者几乎相等，因此可以说，冠梁能够减小坑角附近的位移，而对基坑中部位移影响较小。另外，从图中也可以看出：2种情况下基坑变形空间效应的影响范围的差异，有冠梁时影响范围约为0～21 m，无冠梁时影响范围约为0～15 m，由此得出，冠梁能够增加基坑空间效应的作用范围。

4结论

1)L形基坑的土体位移和支护结构变形具有明显的空间效应，基坑各边的中部附近位移最大，阳角处次之，阴角处最小, 在沿坑角向基坑中部的一定范围内，位移逐渐增大；

2)当基坑支护条件相同时，空间效应的影响范围随着基坑开挖深度增加而增大，但增幅逐渐减小，一般为2～3倍基坑开挖深度；

3)桩顶冠梁能够增强基坑支护结构的整体性，其对基坑中部位移影响较小，但可以有效控制基坑的角部位移的发展，尤其是阳角处的位移，并增加空间效应的影响范围。

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Research on spatial effect of deformation in L-shaped foundation pit

RUAN Bo1，TIAN Xiaotao1，YANG Guanwen1,2

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China；

2. Zhengye Engineering & Investment Incorporation Limited, Guiyang 550000, China)

Abstract:Based on the deep foundation pit of Chao Zong Yu Yuan district in Changsha city, a three-dimensional numerical model was established for L-shaped foundation pit using finite difference software FLAC3D, and the construction process was simulated. The spatial distribution law of deformation for soils and retaining structures was analyzed, and the influencing factors were discussed as well. Meanwhile, the calculated results were then compared with field measured data. The results show that the maximum displacement occurs in the central of each side, followed by the displacement of positive corner, and the displacement of negative corner is minimum. The coverage range of spatial effects increases with the increasing value of excavation depth, while the growth rate decreases gradually. In general, the influencing scope is 2 to 3 times of the depth of excavation. The top beam can effectively limit the displacement around corner especially the positive corner of the pit, and increase the coverage range of spatial effects.

Key words:reverse L-shaped pit; displacement; spatial effect; numerical simulation

中图分类号：TU473.2

文献标志码：A

文章编号：1672-7029(2015)01-0086-05

通讯作者：阮波(1972- )，男，河南新县人，副教授，博士，从事岩土工程方面的研究；E-mail:421084359@qq.com

基金项目：国家自然科学基金资助项目(50678175)

*收稿日期：2014-06-17