基于数值模拟对深基坑排桩支护结构的研究

曾翀

（江西有色建设集团有限公司，南昌 330000）

1 引言

近年来，随着国家经济的不断发展，城市化建设的速度不断加快，城市地上空间的利用越来越紧张，人们不得不对地下空间进行开发利用，使得基坑工程朝着更深的方向发展，并且对基坑的支护结构体系提出了更高的要求[1]，其中放坡加排桩支护的结构属于常用的支护方式。

本文在现有的研究基础上，通过对深基坑的特点及常见的基坑支护结构进行介绍，并借助有限元软件，根据实际工程对放坡加排桩支护结构建立三维模型进行数值模拟。

2 深基坑特点及常见支护结构分析

深基坑是指开挖深度大于或等于5 m 的基坑（槽）的土方开挖、支护、降水类工程。基坑工程具有明显的地域性，不同环境下的基坑受到水文条件及地质条件的影响，对基坑支护结构的要求也不相同；基坑工程具有较强的时空效应[2]，即在进行基坑开挖时随着时间的推移，土体具有蠕变性，土体变形增大、抗剪强度降低；基坑工程具有系统性，基坑工程不仅包括支护体系设计，还包括土方开挖方案，开挖的合理与否对基坑的安全至关重要，在施工的工程中，应加强监测，做到信息化施工。

常见的基坑支护结构包括：放坡开挖及简易支护结构、悬臂式支护结构、水泥土重力式挡墙支护结构、土钉墙复合土钉墙支护结构、拉锚式支护结构及组合式支护结构。

2.1 放坡开挖及简易支护结构

该结构是通过选择合理的开挖坡率，在开挖后土体能依靠自身的强度来保持边坡的稳定，必要时配合短桩或者隔板等简易的支护结构。这种支护结构施工方便、造价低但需要有足够的场地进行放坡开挖。

2.2 悬臂式支护结构

悬臂式支护结构是通过向土体打入具有足够刚度的支护结构来保证基坑工程的整体稳定，常见的悬臂式支护结构有板桩式结构、排桩式支护结构和地下连续墙。该结构对基坑开挖深度较为敏感，容易产生基坑变形，适用于土质条件较好、基坑开挖深度较浅且对基坑变形要求不高的基坑工程[3]。

2.3 水泥土重力式挡墙支护结构

该结构利用水泥搅拌设备，在基坑的周边以水泥类材料为固化剂将原状土进行强制搅拌，以此形成柱状的加固挡墙，适用于淤泥质黏土地区。

2.4 土钉墙复合土钉墙支护结构

该支护结构是由土钉群、喷射混凝土及加固土体一起组成的支护结构体系。该结构能做到随处开挖随处支护，能够有效地保持土体的强度，适用于开挖深度在5～10 m 的基坑工程。

2.5 拉锚式支护结构

该结构是由挡土系统与外拉系统组成，通过不同的系统进行组合，可适用于大多的基坑工程。

2.6 组合式支护结构

当单一的支护结构不能满足基坑支护的安全性和经济性时，可以将不同的支护结构进行组合，如放坡+单排桩、土钉墙+锚索、地下连续墙+锚索等，充分地发挥不同支护结构的优势[4]。

3 工程概况

本工程建筑面积为50 000 m2，占地面积为13 836 m2，为2层地下室，基坑的开挖深度为6.4～10.5 m，分为东西南北4侧，在东侧（CDE 段），地下室与用地红线的距离为5 m，红线外为城市的次干道距地下室边线10 m，道路中心沿线有雨水下水管管线，埋深约1.5 m，距基坑边壁最小距离为12.5 m，临近基坑有2 座污水接入井，距离基坑边缘约5 m，埋置深度3.5 m；在南侧（EFG 段）地下室与用地红线的距离为5.7 m；红线外为现状临时便道；西侧（GHA 段）地下室与用地红线的距离为5.5 m；红线外空地，预计后期建设规划道路；北侧（ABC 段）地下室与用地红线的距离为6.3 m；红线外为城市次干道，距地下室边线12 m，道路沿线有雨水下水管管线，埋深约1.5 m，距基坑边壁最小距离为12.5 m，临近基坑有2 座污水接入井，距离基坑边缘约5 m，埋置深度3.5 m。综合判断该基坑的ABC段、DEF 及FGHA 段支护结构的安全等级为二级，基坑CD 段支护结构安全等级为一级。土层基坑设计参数如表1 所示。

表1 土层基坑设计参数表

综合分析，该基坑开挖深度范围内揭露的地层主要为素填土、粉质黏土，下伏基岩埋深较浅。该基坑东侧和西侧有一定的放坡空间，且坡顶无建筑物，但坡顶距离道路较近，基坑开挖深度相对较大，上述区段可考虑采用放坡+排桩支护的形式进行基坑支护。在CD 段：开挖深度为10.7 m，上部设计采用坡比1∶1 自然放坡，放坡高度为2.0 m，坡面采用喷浆挂网进行防水处理,下部设计采用φ1 500 mm＠1 800 mm 钻孔灌注桩。桩顶标高为27.4 m，桩长18.70 m，混凝土强度等级为C30，嵌固深度为10.0 m，桩顶冠梁宽度为1.7 m，高度为0.8 m，地面的超载为30 k Pa。对该支护形式进行有限元模拟分析。

4 有限元分析

4.1 有限元软件介绍

本文所采用的有限元软件为MIDAS-GTS 软件[5，6]，该软件是基于C++语言编程，以有限元理论为基础，针对岩土和隧道工程的专业分析软件；不仅可以进行静力分析、动力分析，还能进行施工阶段的模拟分析、边坡的稳定性分析；具有较强的前处理和后处理功能，相比于其他的有限元软件能较好地处理操作复杂、建模烦琐等问题。

4.2 三维有限元模型的建立

在MIDAS-GTS 软件中建立三维模型的具体的操作一般包括以下几个部分。

4.2.1 定义材料的属性

在MIDAS-GTS 软件中材料属性的定义包括一般的物理性质、力学性质及对应的本构模型的定义。本文中的岩土体等参数根据实际的工程案例进行输入

4.2.2 三维几何模型的建立

因为MIDAS-GTS 的集合建模窗口与CAD 软件相似，因此用该软件来建立三维的集合模型较为简单。

4.2.3 网格的划分

对于有限元软件来说进行网格的划分是关键的一步，合理的网格尺寸能直接影响到计算结果的准确性，在GTS 中提供了两种网格划分的类型，分别为六面体和四面体两种，其中六面体的网格更为精确，但不适用于不规则的几何模型。一般较多采用四面体类型。

4.2.4 设置分析条件

当网格划分完成后，进行模型边界的设置及荷载的添加等初始条件的附加。在本文中将模型的底部、侧面及前部设置为固定边界，支护桩底铰接。

4.2.5 模型运算分析

在进行模型运算分析时可以利用GTS 进行施工阶段管理的模拟，每个施工阶段相关的网格、荷载以及边界条件可以通过激活和钝化命令来决定荷载是否发挥作用，以此得到整个施工过程中结构内力与位移的变化。

4.2.6 模拟结果查看分析

待软件运行完成后就可以进行模拟内力、弯矩和位移等计算结果的查看分析，也可以提取有用的数据进行曲线图的绘制。

4.3 有限元结果分析

通过模拟本文对开挖完成后的水平位移及竖向位移进行分析，并对其进行统计，结果如表2 所示。

表2 支护结构位移统计表

从表2 可知，支护结构侧移最大值为11.96 mm，周边地表沉降最大值为1.13 mm，均满足规范及设计要求。基坑开挖对周边环境的影响在可控范围之内，在实际施工中还需加强施工监测，进行信息化施工。

5 结论

本文对深基坑排桩支护结构进行研究，结合实际工程案例，借助有限元软件建立三维模型进行数值模拟。研究结果表明，放坡+排桩的支护结构可以保证基坑的安全及稳定，但在实际施工过程中还需加强施工监测，进行信息化施工。