有限土压力下基坑变形特性数值分析研究

陈 展

(中国建筑西南勘察设计研究院有限公司, 四川成都 610052)

有限土压力下基坑变形特性数值分析研究

陈 展

(中国建筑西南勘察设计研究院有限公司, 四川成都 610052)

当新开挖基坑与既有基坑距离较近时，由于缺乏土压力折减依据等原因，现有设计软件难以完善地考虑基坑边坡土压力问题。而数值模拟方法不受上述环境限制，采用数值模拟方法对基坑支护结构安全性进行评价，其评价结果也相对更准确合理。文章以成都某工程基坑为例，对有限土压力下基坑变形受力特性进行了数值模拟分析，为基坑设计提供了理论支持，也为同类工程提供了可借鉴的经验。

有限土压力； 基坑； 支护设计； 数值分析

在城市建筑基坑工程建设中，常常会出现基坑并行施工的情况。当相邻的两基坑施工时，如何合理考虑基坑边坡有限土压力，一直是困扰岩土工程设计人员的问题之一。在实际工程应用中通常采用土压力折减的方法，但由于缺乏理论及相关规范依据，对土压力的折减往往与实际情况有较大差异，支护设计方案并不优化。成都市成华区某基坑工程临近已开挖完成的恒河广场基坑，两基坑间距仅4.5 m。新开挖基坑边坡为典型的有限土压力基坑边坡，本文采用有限差分数值分析方法，通过建立有限差分模型对基坑边坡受力变形特征进行分析，确认设计方案的安全性与合理性，为基坑支护设计提供理论支持。同时分析成果还可以积累经验，为同类工程提供参考依据。

1 工程概况介绍

成都某新建基坑工程临近已开挖完成的恒河广场基坑，两基坑间距仅4.5 m。恒河广场与新建基坑相邻的一侧开挖深度不同，开挖深度分为22.4 m和10.5 m两种。新建基坑开挖深度18 m，针对恒河广场不同的开挖深度，新建基坑分别设计了两种支护设计方案。

临近恒河广场基坑开挖深度22.4 m区段，新建基坑不具备锚索施工条件，因此采用悬臂桩支护。设计支护桩桩径1.5 m，桩长32 m(其中悬臂段18 m，锚固段14 m)，桩间距2.4 m，支护设计示意见图1。

临近恒河广场基坑开挖深度10.5 m区段，新建基坑采用悬臂桩+锚索支护。设计支护桩桩径1.5 m，桩长31 m(其中悬臂段18 m，锚固段13 m)，桩间距2.4 m，距桩顶10.5 m处开始设置两道锚索，锚索竖向间距3 m，支护设计示意见图2。

图1 悬臂桩支护边坡示意

图2 桩锚支护边坡示意

2 基坑悬臂桩支护剖面数值分析

2.1 模型建立

采用有限差分软件对上述新建基坑工程悬臂桩支护剖面进行数值模拟分析。建立的模型示意见图3，其中恒河广场一侧基坑已经开挖22.4m，模型中各地层分布情况依据勘察报告结果进行设置。

图3 建立的数值模型

模型中基坑开挖深度及新建支护桩与原有支护桩关系示意见图4，图中长桩为原有恒河广场基坑支护桩，短桩为新增基坑支护桩。原恒河广场开挖深度为22.4 m，新基坑开挖深度为18 m。

图4 模型新建桩与既有桩示意

模型中各地层物理力学特性依据勘察报告推荐值进行设置，各地层物理力学参数取值见表1。

表1 模型各地层物理力学参数取值

2.2 基坑变形特性分析

基坑开挖后模型竖向变形云图见图5。从图中可以看出，基坑开挖后基坑底部由于卸载产生了明显的拱起，基底最大拱起量约12 mm。

图5 基坑开挖后模型竖直方向变形云图

基坑开挖后模型水平x方向变形云图见图6。从图中可以看出，由于新开挖基坑坡后土体大部分已经被开挖，因此边坡产生的土压力较小。基坑坡顶最大变形量约5.2 mm，坡脚最大变形量约2.4 mm。

图6 基坑开挖后模型水平x方向变形云图

2.3 支护桩受力特征分析

基坑开挖后支护桩竖向应力云图见图7。从图中可以看出支护桩最大竖向应力约为1.86 MPa，最大应力位于桩身基底位置，且远小于桩身强度值。

图7 基坑开挖后支护桩竖直方向应力云图

基坑开挖后支护桩水平向应力云图见图8。从图中可以看出桩身最大水平应力约为131 kPa，最大应力位于桩底附近，远小于桩身强度值。

图8 基坑开挖后支护桩水平方向应力云图

3 基坑桩锚支护剖面数值分析

3.1 模型建立

采用有限差分软件对桩锚支护剖面进行数值模拟分析。建立的模型示意图见图9，其中恒河广场一侧基坑已经开挖10.5 m，模型中各地层分布情况依据勘察报告结果进行设置。

图9 建立的数值模型

模型中基坑开挖深度及桩锚关系见图10，图中深色为基坑支护桩及锚索结构单元。原恒河广场开挖深度为10.5 m，新基坑开挖深度为18 m。

图10 模型基坑开挖深度及桩锚关系示意

模型中各地层物理力学特性依据勘察报告推荐值进行设置，物理力学参数取值见表1，锚索锚固相关参数取值见表2。

表2 土体与锚固体的极限粘结强度标准值

3.2 基坑变形特性分析

基坑开挖后模型竖向变形云图见图11。从图中可以看出，基坑开挖后基坑底部由于卸载产生了明显的拱起，基底最大拱起量约12.2 mm。

图11 基坑开挖后模型竖直方向变形云图

基坑开挖后模型水平x方向变形云图见图12。从图12中可以看出，由于新开挖基坑坡顶后方部分土体已经被开挖，因此边坡上部产生的土压力较小。基坑坡顶朝向既有基坑变形，最大变形量约14 mm，坡脚朝向基坑内侧变形，最大变形量约2 mm。

图12 基坑开挖后模型水平x方向变形云图

3.3 支护桩受力特征分析

基坑开挖后支护桩竖向应力云图见图13。从图中可以看出支护桩桩身最大竖向应力约为1.3 MPa，最大应力位于桩身基底位置及腰梁位置，远小于桩身强度值。

基坑开挖后支护桩水平方向应力云图见图14。从图中可以看出支护桩桩身最大水平应力约为160 kPa，最大应力位于桩底及腰梁附近，最大应力值远小于其强度值。

图14 基坑开挖后支护桩水平x方向应力云图

4 结论

在本项目中，采用数值模拟方法对基坑支护结构安全性进行了评价，根据数值分析结果可以得出以下结论：

(1)根据基坑悬臂桩支护剖面数值计算结果可知，由于新开挖基坑深度小于既有恒河广场基坑深度，新开挖基坑坡顶产生了朝向既有基坑方向的变形，最大变形量约5 mm，其变形方向对新开挖基坑安全有利。悬臂桩桩身应力较小，最大应力约1.9 MPa，远小于支护桩自身强度；

(2)根据基坑桩锚支护剖面数值计算结果可知，同样新开挖基坑边坡坡顶一定范围内坡后土体已经被开挖，新开挖基坑坡顶产生了朝向既有基坑方向的变形，最大变形量约14 mm，其变形方向对新开挖基坑安全有利。桩身应力较小，最大应力约1.4 MPa，远小于支护桩自身强度；

(3)数值分析结果表明，按照现有悬臂桩及桩锚支护设计方案可满足对应剖面基坑边坡安全，但计算中未考虑基坑坡顶附加荷载，因此在施工过程中坡顶不应堆载重物。

[1] 马平, 秦四清, 钱海涛. 有限土体主动土压力计算[J]. 岩石力学与工程学报, 2008, 27(1): 3070-3074.

[2] 李峰, 郭院成. 基坑工程有限土体主动土压力计算分析研究[J]. 建筑科学, 2008, 24(1): 15-18.

陈展，男，工程师，主要从事岩土工程设计与施工工作。

TU94+2

A

[定稿日期]2017-04-06