基坑开挖过程中支护结构变形分析

甘 雨 赵雄飞 赵少松

(1.河北大学建筑工程学院 河北 保定 071000；2.中建三局集团有限公司工程总承包公司华北分公司 天津 300000)

一、引言

近年来，我国城市建设迅速发展，人们对建筑的要求也随之增加。同时，基坑工程的发展也更加多元。因此众多学者对基坑开挖过程进行了研究探讨，如王培鑫等[1]通过现场实测数据，分析了基坑开挖过程中基坑以及路基的变形规律和沉降原因，提出了相应的技术措施。孟长江[2]采用不同的方法对汉口站深基坑支护结构进行了理论计算并与实际监测数据进行了对比分析。张运良等[3]对各种常见的支护方式作用下的基坑开挖的变形情况进行比较分析，总结出各种支护方式下基坑变形规律。徐江等[4]对软土地区地铁深基坑开挖施工过程进行了数值模拟并与实测数据进行了对比分析。谢建斌[5]基于硬化土模型(hardening soil模型)，通过基坑场地土样固结排水三轴压缩试验和固结试验选取了硬化土模型中的参数。

本文以某深基坑工程为背景，使用PLAXIS 2D有限元分析软件对基坑开挖施工过程进行模拟。对支护结构的变形、地表沉降的计算结果进行分析。

二、模型概况

本基坑开挖深度为14m，支护桩的长度为26m，嵌固深度为12m，基坑模型X方向长度为200m，Y方向为40m。计算模型岩土体材料本构模型采取MC模型。MC模型土体参数见表1,该土层重度、黏聚力和内摩擦角根据现场地勘报告取值，弹性模量为经验取值。在距基坑边距为3.2m处作用宽度为18m、深度3.4m的分布荷载模拟地面超载，且取230.0kPa，模型如图1所示。

表1 土层参数

图1 基坑模型示意图

三、计算结果

(一)桩身水平位移

桩的水平位移变化曲线如图2所示，正值代表向坑内位移，负值代表向基坑外位移。由图4可知，开挖至3.5m、6.6m、14m时，桩的水平位移均表现为桩顶和桩底变形小，桩中变形大的现象。基坑开挖至3.5m时，桩身最大水平位移为11.76×10-3m，位于11.2m位置；基坑开挖至6.6m时，桩身最大水平位移为13.96×10-3m，位于8.8m位置；基坑开挖至14m时，桩身最大水平位移为16.3×10-3m，位于8.9m位置。其中开挖阶段桩的横向变形最大为16.3×10-3m。

图2 桩的水平位移变化曲线

开挖完成后各测点的围护桩深层水平位移不同，说明基坑的空间影响效应明显。各处围护桩深层水平位移最大值均小于规范规定的45～55mm的报警值，说明围护结构设计合理，能够有效限制基坑周围土体变形。

(二)地表竖向位移

图3为基坑坑周地表竖向位移曲线，正值代表隆起，负值代表沉降。由图5可以看出，基坑处靠近桩侧地表产生沉降，沉降值坑边距增加呈先增大后减小的趋势，开挖至坑底后沉降量最大值为12.98×10-3m。当开挖深度在6.6m时，在桩侧处地表开始隆起，但最终隆起量不足1.75×10-3m；距桩侧4.59以外再次产生沉降，但直到开挖至坑底。

图3 地表竖向位移变化曲线

基坑处地表土体基本只发生沉降，无隆起现象，沉降量基本随基坑开挖深度的增加呈先增大后减小的趋势，开挖至坑底后最大沉降量为12.98×10-3m，在距桩侧2m处。在离桩侧23m以外沉降量已不足5.34×10-3m。说明坑周地表竖向位移的影响范围主要在23m到38m范围内，并且以沉降为主。因此该地表沉降对工程建设影响不大。

四、结论

本文以某深基坑工程为例，使用PLAXIS 2D有限元分析软件对基坑开挖过程进行模拟。对桩身位移、地表沉降进行了分析。现得到以下结论：(1)桩身水平变形形态均表现出桩顶和桩底变形小，桩中变形大。桩身最大水平位移为16.3×10-3m，位于8.9m位置。(2)基坑处地表土体基本只发生沉降，沉降量基本随基坑开挖深度的增加呈先增大后减小的趋势。