广州地区深厚软土地层深基坑大面积放坡支护有限元数值模拟研究

谢 晟

（广东省地质建设工程集团公司 广州 510060）

关键字：深基坑；深厚软土地层；边坡；内插木桩；三维有限元

0 引言

随着基建行业的快速发展，深大基坑工程的建设量逐年上升，而受周围环境因素的影响，深基坑支护稳定性逐渐成为研究学者的研究焦点［1-3］。放坡支护由于具有施工进度快、经济效益高等优点，在深基坑工程中有广泛的应用［4-6］。然而，采用放坡支护对施工场地和土质条件有很高的要求，尤其是深厚软土地区的深基坑工程，为满足文献［7］对放坡稳定安全系数的要求，放坡的坡率往往需要小于1∶4，导致基坑开挖和回填的土方量大，工程造价高。木桩凭借其便捷的施工、低廉的成本，使得木桩与其他支护形式相结合的复合支护体系在软土基坑支护中得到较多应用，例如：李建元等人［8］通过理论计算和现场监测的方法，分析了内插木桩对复杂条件下边坡的稳定性的影响规律；戴菊英等人［9］采用桥梁博士计算软件，获取了内插木桩水平抗力的大小，完善了木桩对边坡稳定性影响规律的计算理论；郑坚等人［10］通过一个应用实例，证明内插木桩可有效提高边坡的稳定性；李润等人［11］利用Plaxis有限元程序分析了木桩在软土基坑支护中的支护效果及其加固机理；高秀琴［12］通过现场实测分析，指出内插松木桩可有效地控制边坡的水平位移；彭定新［13］分析了木桩对边坡的加固机制并给出了内插木桩边坡的设计方法。虽然上述研究成果已初步分析了木桩在边坡支护中的应用，但内插木桩+放坡的组合支护体系在深厚软土地层中深度超过10 m的基坑工程的应用效果及其加固机理仍未见报告。

为此，本文以广州亚运城某10.1 m 深的基坑支护工程项目为依托，研究大面积放坡+内插松木桩的支护形式在深厚软土地层的应用效果，基于塑性应变能判据［14-15］，利用Midas/GTS 有限元软件模拟和预测松木桩的长度及间距，对深厚软土边坡稳定安全系数的影响规律，同时将现场监测结果与数值模拟结果进行对比，以期为广州深厚软土地区其他类似工程提供参考。

1 工程概况

1.1 基坑概况

广州亚运城某基坑支护工程位于广州市番禺区石楼镇广州亚运城东侧，基坑开挖深度为10.10～15.10 m，基坑周长约1 251 m。基坑侧壁安全等级：东侧F～M 段为三级，其余区段为一级。基坑北侧为乐羊路，地下室边线距道路边线约为4 m。基坑东侧空地，项目施工期间可使用。基坑南侧为兴亚三路，地下室边线距道路边线约为4 m，距离地下室边线约92 m 外为裕丰涌。基坑西侧为亚运大道，地下室边线距道路边线约8 m。

1.2 水文地质概况

场地质相对复杂，由上到下依次为2.5～7.3 m杂填土层、3.5～14.8 m 淤泥层、0.6～11.1 m 粉质粘土层、0.9～5.3 m淤泥质土层、0.8～5.7 m残积土层、0.8～9.9 m全风化砂层、0.5～26.1 m强风化砂层，地层分布不均。基坑开挖范围主要为杂填土、淤泥、粉质粘土、淤泥质土等。基坑坑底主要为粉质粘土，局部为淤泥。基坑邻近河涌，基坑开挖前，在基坑周边设置φ800@600的搅拌桩作为止水帷幕。基坑的主要支护形式为：东北角、西南角和西北角采用桩撑支护，东侧采用大面积放坡支护，其余采用桩锚支护，基坑支护结构平面布置如图1 所示，其中东侧的放坡支护，其开挖深度范围的土层为1.8 m的杂填土和8.31 m的淤泥，对开挖边坡的稳定性有严格的要求，放坡支护的典型剖面如图2所示。

图1 基坑支护结构平面布置Fig.1 Plan of Foundation Pit Support Structure（mm）

图2 放坡区段基坑支护结构剖面Fig.2 Slope Release Section Profile（mm）

2 三维有限元模型的建立

2.1 基本情况

基坑东侧为预留用地，位置开阔，因此，这一侧采用放坡支护，基坑放坡开挖深度10.1 m，坡率1∶2.5，坡面喷80 mm 厚C20 混凝土挂φ6@250 mm×250 mm 钢筋网，坡顶、中间平台和坡脚分别设置1排、2排和4排φ800@600的水泥搅拌桩，同时，为提高边坡的稳定安全系数，拟在边坡坡面打插直径100～200 mm 的松木桩，基坑放坡区段的典型支护结构剖面分别如图2 所示。有限元数值模拟分别分析松木桩长度和间距对支护效果的影响规律。三维有限元模型取130 m×15 m×30 m（长×宽×高）的区域，上部为自由边界，底部全约束，各侧边限制对应方向的水平位移，三维有限元模型如图3所示。

图3 Midas/GTS有限元模型Fig.3 Midas/GTS Finite Element Model

2.2 基本假定

该模型建立的基本假定主要如下：①土体本构模型采用莫尔-库仑本构模型，支护结构体系本构模型采用线性弹性模型，各材料的物理力学参数如表1 所示；②假定各土层都为成层均质水平分布；③不考虑地下水在基坑开挖过程中的影响；④边坡稳定性分析采用有限元强度折减法。

表1 有限元模型各材料物理力学参数Tab.1 Physical and Mechanical Parameters of Each Material in the Finite Element Model

3 数值模拟结果与分析

3.1 模拟结果

3.1.1 松木桩长度对软土边坡稳定安全系数的影响

在Midas/GTS 有限元模型中，分别设置松木桩的长度为2 m、4 m、6 m 和8 m。松木桩长度对软土边坡稳定安全系数的影响结果如图4⒜所示。

3.1.2 松木桩间距对软土边坡稳定安全系数的影响

在Midas/GTS 有限元模型中，分别设置松木桩的间距为0.75 m×0.75 m、1.50 m×1.50 m、2.25 m×2.25 m以及3.00 m×3.00 m。松木桩间距对软土边坡稳定安全系数的影响结果如图4⒝所示。

图4 松木桩长度及间距对软土边坡稳定安全系数的影响Fig.4 Effect of Pine Pile Length and Spacing on Safety Factor of Soft Soil Slope Stability

3.2 结果分析

3.2.1 松木桩长度的影响分析

由图4⒜可知，软土边坡的稳定安全系数均随打插木桩长度的增加而增加，但随木桩间距的不同而表现出不同的趋势，当木桩间距＞2.25 m 时，打插木桩对边坡稳定安全系数的贡献不大，对于木桩间距＝3.00 m 时，即使木桩长度达到8.0 m，稳定安全系数仅增加0.1（10%）；对于木桩间距＜2.25 m 的情况，例如s=0.75 m 和1.50 m 时，打插木桩对边坡稳定安全系数的贡献较大，当木桩长度为6.0 m 时，稳定安全系数增加0.3（30%），因此，建议打插的木桩长度不宜＜6 m。不同木桩长度对应的软土边坡的广义塑性应变分布如图5 所示，由图5 可知，当不打插木桩时，边坡的最大广义塑性应变集中在坡脚位置且延展范围较大，边坡稳定土层的抗剪强度得不到充分调用，其稳定安全系数较小（SF=1.01）；当边坡打插木桩后，边坡的最大广义塑性应变集中在坡顶位置且延展范围很窄，随着木桩的长度增加，塑性区的开展范围增加，总塑性应变能增加，边坡的稳定安全系数增加，与华成亚等人［14-15］的研究结论一致。

图5 不同松木桩长度软土边坡的塑性应变分布（s=1.5 m）Fig.5 Plastic Strain Distribution of Soft Soil Slopes with Different Pine Pile Lengths（s=1.5 m）

3.2.2 松木桩间距的影响分析

由图4⒝可知，软土边坡的稳定安全系数均随打插木桩间距的增加而减小，尤其值得关注的是，对于木桩长度大于5.0 m的情况，当木桩间距＞1.5 m时，边坡的稳定安全系数迅速降低，对于木桩长度为5.0 m的情况，木桩间距增加至3.0 m 时，安全系数较s=0.75 m 时降低0.22。因此，建议打插的木桩间距不宜小于1.5 m。不同木桩间距对应的软土边坡的广义塑性应变分布如图6所示，由图6可知，不同木桩间距条件下，边坡的塑限区延展范围大致相同，但相应的最大广义塑性应变分布位置不同，对于木桩间距较大，如s=2.25 m和s=3.00 m的情况，边坡的最大广义塑性应变集中在坡脚位置，与不打插木桩的情况相似，因此当木桩间距大于2.25 m 时，打插木桩对边坡稳定安全系数的影响不明显；对于木桩间距较小，如s=0.75 m 和s=1.50 m 的情况，边坡的最大广义塑性应变集中在滑动面中部木桩底部的位置，说明木桩起到有效调整广义塑性应变分布的效果，进而实现木桩与土体的协调变形［16］，提高边坡的安全系数。

图6 不同松木桩间距软土边坡的塑性应变分布（L=6.0 m）Fig.6 Plastic Strain Distribution of Soft Soil Slopes with Different Pine Pile Spacing（L=6.0 m）

4 数值模拟结果与现场监测结果比较

根据上述分析，亚运城项目自编号F地块F1分区基坑支护工程东侧采用放坡支护，其中坡率为1∶2.5，内插长度L=6.0 m，间距1.5 m×1.5 m的φ150～200松木桩，坡面喷80 mm厚C20混凝土挂φ6@250 mm×250 mm钢筋网，坡顶、中间平台和坡脚分别设置1排、2排和4排φ800@600 的水泥搅拌桩，项目对该放坡区段做了土体深层水平位移监测（测斜），基坑的具体监测方案和典型监测结果分别如图7～图8所示。其中图8给出了Midas/GTS有限元模拟结果与监测结果的对比。

图7 基坑监测平面布置Fig.7 Foundation Pit Monitoring Plan Layout

由图8 可知，边坡的实测深层水平位移最大值为83 mm，小于文献［7］限定的水平位移控制值100 mm，同时，边坡土体深层水平位移的监测值与有限元模拟结果具有良好的一致性。目前项目已完工，基坑东侧的内插木桩放坡支护应用效果良好，本文的研究成果可为广州深厚软土地区其他类似工程提供参考。

图8 计算结果与监测结果对比Fig.8 Comparison of Numerical Results and Monitoring Results

5 结论

广州亚运城某基坑支护工程的工程场地地层复杂，地质条件差，地下水丰富，基坑开挖深度大，对基坑的支护结构选型提出了较高的要求，其中，基坑东侧采用大面积放坡+内插松木桩的支护形式，确保了基坑工程的顺利实施，并有效地节约了成本和工期，得到的主要结论如下：

⑴从支护性能方面来看，大面积放坡+内插松木桩的支护形式在广州地区深厚软土地层深基坑支护中的应用是可行的。

⑵软土边坡的稳定安全系数均随打插木桩长度的增加而增加，但随木桩间距的不同而表现出不同的趋势，当木桩间距＞2.25 m 时，打插木桩对边坡稳定安全系数的贡献不大；对于木桩间距＜2.25 m 的情况，打插木桩对边坡稳定安全系数的贡献较大。

⑶软土边坡的稳定安全系数均随打插木桩间距的增加而减小，对于木桩长度较大的情况，边坡的稳定安全系数随木桩间距的增加迅速降低。

⑷当不打插木桩时，边坡的最大广义塑性应变集中在坡脚位置且延展范围较大，其稳定安全系数较小；当边坡打插木桩后，边坡的最大广义塑性应变集中在坡顶位置且延展范围很窄，随着木桩的长度增加，塑性区的开展范围增加，总塑性应变能增加，边坡的稳定安全系数增加。随着木桩间距的减小，边坡的最大广义塑性应变由集中于坡脚转变为集中于滑动面中部木桩底部的位置，说明木桩起到有效调整广义塑性应变分布的效果，进而实现木桩与土体的协调变形，提高边坡的安全系数。