基坑开挖深度对支护结构变形影响研究

周艳红 杨 斌

（中国水利水电第九工程局有限公司，贵州 贵阳 550081）

0 引言

随着我国地下空间工程利用率增加，基坑工程规模、形状以及尺寸越来越复杂，这些因素导致基坑力学特性极为复杂，系统分析基坑开挖深度对基坑支护结构以及地表变形的影响具有重要的意义。

高立刚和宁贵霞[1]采用FLAC 3D 数值模拟研究了基坑开挖深度对既有铁路线变形的影响。结果表明，双侧开挖基坑可以减少路基的变形并降低钢轨沉降差。秦爱芳和蒋晨旭[2]基于物理模型试验研究了基坑开挖卸荷影响深度分析，提出了基坑开挖深度的估算公式。梁艳等[3]基于极限平衡法研究了基坑开挖尺寸效应对基坑稳定性的影响。结果表明，在其他条件不变的情况下，基坑开挖尺寸越小，基坑的抗隆起安全系数越大，影响更显著。李宇熙[4]采用数值模拟系统研究了基坑尺寸效应对基坑变形影响。结果表明，基坑分部开挖和开挖结束后支护结构墙顶变形的最小点和最大点分别位于坑角和基坑中部，当基坑尺寸接近或大于临界长宽比时最大位移接近稳定。

该文基于有限元数值模型，研究了基坑开挖深度对支护结构及地表变形的影响规律。对相似工程的施工及设计具有指导意义。

1 工程概况

恒大新世界项目3F地块位于贵州省贵阳市云潭北路旁，东临拟建建筑恒大新世界3E 地块，北邻金岭路，南侧为将军山，该项目范围包括住宅1-12#楼（含裙楼商业），其中整体地下室3 层，地下室建筑面积约51141.14m2；地上部分1-11#楼地上层数为31F，12#楼地上层数为30F，地上建筑面积约为149471.43 m2；总建筑面积约为202159.9 m2。塔楼采用剪力墙结构，基础为机械成孔灌注桩（摩擦桩、嵌岩桩）。根据钻孔资料，区内地层由上至下岩性如图1 所示。根据工程需要，基坑开挖的最小深度为4m，宽度也为4m，采用钢板桩进行基坑支护，桩的截面尺寸为φ508mm×9mm，间距为4m。布置横向支撑两道，其中第一道横向支撑在地面0.5m 深度以下，第二道横向支撑位于地面2.5m 以下，每道横向支撑间距不小于2.5m。

图1 基坑典型断面图

该文采用MIDAS/GTS 数值软件进行建模分析，岩土体物理力学参数汇总见表1。岩土体采用摩尔-库伦本构模型进行计算，钢板桩弹性模量为200000MPa，重度为80kN/m3。模拟工况为第一步进行位移场清零；第二步为钢板桩施工；第三步为0.5m 深度基坑开挖，横向支撑布置；第四步为后续步开挖，支撑依次交替布置。

表1 岩土体物理力学参数

2 计算结果与分析

2.1 桩水平位移分析

根据图2 可知桩水平位移随基坑开挖深度变化的规律。结果表明，当基坑开挖深度小于10m 时，桩的位移随着基坑开挖深度增大而增大，当基坑开挖深度大于10m 时，桩的位移保持不变。当基坑开挖深度位于填土层内时，桩的位移变化不明显，当基坑开挖深度位于淤泥土层内时，由于土层的工程性质较差，因此桩的位移迅速增大，当进一步增大基坑深度时，桩的水平位移基本保持不变，其值为93mm。

图2 桩水平位移与基坑深度的关系

图3 汇总得到桩顶水平位移最大值随着基坑深度变化的规律。结果表明，桩顶水平位移随着基坑深度增大而先增大后减少，随后保持不变。桩顶水平位移达到的最大值为16mm，出现在基坑深度为2.5m 的位置。当基坑深度进一步增大至5m 时，桩顶水平位移保持2.6mm不变。综合以上结果可以看出，由于基坑底部及桩下半段位于淤泥层内且无侧向支撑的约束固定作用，因此导致桩顶位移迅速增大，在实际工程中应在工程地质条件不良的地层中做好防护措施，避免发生安全事故。

图3 桩顶水平位移与基坑深度的关系

2.2 桩轴力分析

图4 汇总得到桩的负轴力随着基坑深度变化的规律。结果表明，桩的负轴力随着基坑深度的增大先迅速增大，然后缓慢增大，最后趋于稳定。其中，桩的负轴力最小值不到1kN，最大值为280kN。导致桩的负轴力出现这一规律的主要原因是基坑底部土质工程性质较好，桩的最大负轴力比较小且稳定。此外，当基坑开挖深度达到17m 时，桩的最大负轴力在15m 位置处保持稳定。总体来看，桩最大负轴力所对应的位置均略高于坑底。

图4 桩负轴力移随着基坑深度变化

2.3 桩弯矩分析

图5 汇总了到桩的最大负弯矩随着基坑深度变化的规律。结果表明，随着基坑深度增大，负弯矩先增大随后趋于稳定，当基坑深度开挖至10m 时，桩的负弯矩略增大，随后随着基坑开挖深度的增大，桩的负弯矩大小基本保持不变。产生这一规律的主要原因是当桩端位置处于工程地质条件较差的地层内时，桩端负弯矩变化速率较大，反之，当位于土质较好的土层内时，桩的负弯矩变化率稍缓。

图5 桩最大负弯矩与基坑深度的关系

图6 汇总了到桩的最大正弯矩随着基坑深度变化的规律。结果表明，随着基坑深度增大，最大正弯矩随着基坑深度变化并不明显。当基坑深度小于10m 时，最大正弯矩呈增大规律，最大值为280kN·m。当基坑深度较小时，桩的最大正弯矩趋于0 值。当基坑深度大于10m 时，桩端进入花岗岩岩层内，弯矩值降低。当基坑深度大于14m 时，桩的最大正弯矩基本保持不变。根据桩的位置与基坑深度可以发现，桩的最大正弯矩对应的位置在砾砂土层内。

图6 桩最大正弯矩与基坑深度的关系

2.4 横向支撑轴力分析

根据该文基坑20m深度范围内共设置7道支撑轴力随着基坑深度的变化规律可知，其中第一道支撑总体处于受拉状态，其余6 道支撑均处于受压状态。当基坑开挖深度小于6m 时，第一道支撑轴力随着基坑深度增大而增大，当基坑开挖深度大于6m 时，支撑轴力基本保持不变。此外，除第一道支撑轴力外，其余每道支撑在基坑深度方向的轴力变化趋势并不明显，但第6 道支撑的轴力最大，最大值为1500kN，轴力最大位置在基坑18m 和20m 处。

2.5 地表最大位移分析

汇总得到地表最大正位移随着基坑深度变化。结果表明，随着基坑深度增大，地表最大正位移呈上升趋势，但增大速率随着基坑深度增大而减少。导致这一现象的主要原因是支撑的约束作用。当最大正位移稳定时，最大值为26mm，而对应的距基坑边缘最大距离变化范围为0m～16m。总体表明，地表最大正位移影响范围较大，在实际工程中应进行跟踪监测，减少或者避免由于基坑隆起导致的工程问题。

汇总得到地表最大负位移（沉降位移）随着基坑深度的变化规律。结果表明，随着基坑深度增大，地表最大沉降呈上升趋势，但增大速率随着基坑深度增大而减少。最终当基坑深度大于10m 时，地表最大沉降值趋于稳定数。此外，当基坑深度为20m 时，地表最大沉降位移接近87mm，当稳定时最大沉降接近4.3mm，满足规范的安全性要求。此外根据地表最大负位移与基坑深度关系可以总结出地表沉降影响范围约为6.0m，在该范围内，基坑开挖会对周围建筑物产生较大的影响。在实际工程中应关注该范围内的建筑物，做好监测及防护结构措施，避免发生安全事故。

3 结论与建议

该文依托贵州恒大新世界项目来分析基坑开挖深度对支护结构变形的影响，采用MIDAS 进行了数值模拟研究，得到如下3 点结论：1）桩的水平位移随着基坑开挖深度的增大而增大，随后保持平稳；桩的负轴力随着基坑深度增大而先快速增大，随后缓慢增大，最后保持稳定；基坑横向支撑多数均处于受压状态；2）地表最大正位移（隆起）和最大负位移（沉降）随着基坑深度的增大而缓慢增大，地表隆起的影响范围介于0m～16m，对应的地表沉降影响范围约6.0m，在实际工程施工中，应注意关注影响区范围内的建筑物变形问题；3）根据桩的位移分布规律，在基坑较深的位置处桩承受的压力迅速增大，在实际工程中应增大支护结构刚度，减少桩的变形。此外，当桩位于软弱地层中时，桩的位移过大对支护结构稳定性不利，在该深度范围内须增强支护结构刚度或增大结构截面尺寸。