坑中坑基坑支护变形的数值模拟研究

张　超

(安徽省水利水电勘测设计院，安徽 蚌埠　233000)

坑中坑基坑支护变形的数值模拟研究

张超

(安徽省水利水电勘测设计院，安徽 蚌埠233000)

摘要:坑中坑问题在基坑工程中很常见，内坑的开挖对外坑支护变形的影响是该问题研究的重点。采用有限差分软件FLAC3D，从土体弹性模量E，内、外坑的坑边距2个方面，模拟研究内坑开挖对外坑支护的影响，为坑中坑基坑工程的支护提供一定的参考。

关键词:坑中坑；土体模量；坑边距；数值模拟

0引言

随着我国的经济发展，多高层建筑兴起，地下工程的大规模建设也越来越多，基坑工程的深度也越来越深。由于地下工程的复杂程度逐渐变大，其中的坑中坑问题越来越显著，内坑的开挖对外坑的影响还未得到明确的解答，一些学者也做了研究。(2006年武明炳等)结合工程实例，计算了软土地区坑中坑基坑支护设计入土深度的取值问题；(2007年刘中宪等)结合天津某深基坑工程，采用三维非线性有限元软件分析了分步开挖和土体与支护结构接触面作用对基坑支护变形的影响；(2010年申明亮等)利用有限元软件ABAQUS建立坑中坑模型，详细分析了面积比、深度比和插入比等参数对大基坑应力场的影响。(2010年徐为民等)结合土钉墙基坑支护结构失稳的案例分析，提出了坑中坑基坑的设计意见。

以往的研究多是集中在内、外坑的几何尺寸上对整个基坑开挖影响范围内土体的应力和外坑支护结构的变形影响，本文加入对土体弹性模量的影响研究，同时也研究内、外坑的坑边距和支护结构的入土深度的影响。

1模拟分析

1.1模型参数介绍

图1　坑中坑基坑示意图

坑中坑基坑如图1所示，对基坑各参数作如下定义：外基坑宽D，深H，外基坑支护入土深度L，内坑宽d，深h，内、外坑的坑边距l。

1.2工程概况

本文实例工程为安徽北部某在建工程，施工场地位于黏土区，场地地质条件为2级，土层分布及相关物理参数如表1所列。原始地基土质较好，基坑围护采用双排灌注桩，基坑外坑开挖深8m，宽20m，支护桩入土深度为18m。

表1　土层参数

1.3数值模拟分析

(1)有限差分原理。基本思想是将求解区域划分为若干网格，以网格节点代替求解区域，将微分方程变量定义在网格节点上，利用差分法求解差分方程组。FLAC3D计算过程中，将计算模拟区域划分为若干6面体单元，每个单元在给定的边界条件下遵循设定的本构模型变形。

(2) 模型设定。数值模型假定土体为理想弹塑性体，采用Mohr-Coulomb模型，桩体为均质体，刚度较大，桩体适合采用线弹性模型。数值软件计算模型如图2所示。土体参数采用统一弹性模量E=5.5MPa。

图2　模型网格图

1.4影响因素分析

(1)土体模量。在确定内坑开挖深度h=2m，宽度5m，坑边距l=5m的前提下，分别模拟分析土体弹性模量E=2.0 MPa、E=5.5MPa、E=6.0MPa、E=7.5MPa 4种情况时支护桩的水平变形。模拟结果如图3所示。

由图3可知，不同的弹性模量下，支护桩的水平位移相差较大，经对比，分析如下：①当弹性模量E=2.0MPa时，桩顶位移达到45.0mm，沿桩身有明显的侧向变形，表明此时桩体已达到侧移极限值；②随着弹性模量增大到E=5.5MPa时，桩顶位移明显减小至32.0mm，桩身侧移相对量减小；③土体弹性模量进一步增大至E=6.0MPa，桩顶位移有少量减小；当土体弹性模量达到7.0MPa时，桩顶位移降至6mm，基本与无内坑开挖时桩顶的位移相同。因此在本研究前提下，当土体弹性模量达到一定值时，内坑的开挖不会对外坑的支护结构有明显的影响；若弹性模量较小时，影响较明显。

(2)坑边距。在确定内坑开挖深度h=2m，土体弹性模量E=7.5MPa的前提下，分别模拟分析坑边距l=0m、I=2.0MPa、l=5.0MPa、l=8MPa 4种情况时支护桩的水平变形。模拟结果如图4所示。

图3　弹性模量影响下支护桩的变形

图4　坑边距影响下支护桩的变形

由图4分析可知，坑边距的影响程度不如土体弹性模量影响的明显，经对比分析如下：①坑边距等于8m时，桩顶的位移基本不受内坑开挖的影响；②坑边距等于0m时，即内坑紧邻外坑时，桩身的侧移现象明显，桩顶的水平位移较大；③坑边距等量增大，桩顶位移呈非线性递减，在保证安全的情况下，应有一最优的坑边距。

2结论

在本文假设前提下，通过以上数值模拟分析主要结论如下：①基坑周边土的弹性模量对坑中坑支护桩的水平变形影响较大，模量线性增大时，桩顶位移呈非线性减小。②内、外坑的坑边距对坑中坑支护张的水平变形影响较小，坑边距线性增大时，桩顶位移亦呈非线性减小，据此，应能够分析出一最优的坑边距。

[参考文献]

[1]吴明炳，林大丰，戴一鸣,等.坑中坑基坑支护设计与监测[J].岩土工程学报(增刊)，2006,(11):1569-1592.

[2]刘中宪，雷礼钢，管志勇,等.某软土深基坑的非线性三维有限元分析[J].沈阳理工大学学报，2007,(8):88-90.

[3]申明亮，廖少华，周小华,等.坑中坑基坑应力场的参数化分析[J].岩土工程学报，2010,(32):187-191.

[4]徐为民，屠毓敏. 某工程坑中坑塌滑原因分析及加固设计[J].岩土力学，2010,(5):1556-1563.

[5]孙书伟，林航，任连伟. FLAC3D在岩土工程中的应用[M].北京：中国水利水电出版社，2011.

(责任编辑陈化钢)

On the numerical simulation research about retaining deformation of pits in foundation-pit

CHAO Zhang

(Anhui Survey and Design Institute of Water Conservancy and Hydropower, Bengbu 233000,China)

Abstract:Problem about pits in foundation-pit is very popular to see in foundation pit engineering, the impact of the inside-pit excavation on the out-side-pit supporting deformation is the research emphasis of this problem. Finite difference software FLAC3D is used to do simulate research about the impact of the inside-pit excavation on the out-side-pit supporting, provide some references for retaining of pits in foundation-pit, by soil elastic modulus E and the distance between the inside-pit and the out-side-pit.

Key words:pits in foundation-pit；soil modulus；distance between the inside-pit and the out-side-pit；numerical simulation

收稿日期：2016-03-01；修回日期：2016-03-10

作者简介：张超(1989-)，男，安徽庐江人，助理工程师，从事水利水电勘测设计工作。

DOI：10.3969/j.issn.1671-6221.2016.02.003

中图分类号：U641

文献标识码：A

文章编号：1671-6221(2016)02-0011-03