邻近建筑基坑边坡支护的参数优化

宋代福，汪锡烨，赛音吉亚，陈彪华

(中国十九冶集团有限公司,山东 济南 250100)

近些年，随着建筑行业的蓬勃发展，城市空间发展日益饱和。作为房屋建筑工程中的首要工作，基坑工程[1]大大促进了地下空间利用率的使用以及高层建筑的建设。郁炳尧[2]研究模拟了复合地层条件下深基坑开挖过程，总结了基坑开挖所引起的周边地表位移特征与规律；张爱英[3]以排桩加土钉的基坑支护形式为基础，进行了FLAC3D三维有限差分模拟和ANSYS内力分析，获得了深基坑开挖前后临近建筑物基础的变形规律和内力变化规律。

上述关于基坑工程的研究成果多集中于基坑开挖与支护理论方面，对边坡支护的方式、合理参数等方面的研究较少。针对上述问题，本文利用ABUSQUS有限元模拟软件，对基坑开挖与边坡支护过程进行有限元仿真模拟，研究分析基坑开挖对邻近建筑基础的扰动影响，并从土钉长度、土钉间距等支护参数上对边坡支护效果进行对比分析，研究结果对基坑工程施工和临近建筑的保护具有指导作用。

1 工程概况

表1 地基土体物理力学参数

图1 界首市安置区工程项目概况

2 数值模型建立

对于基坑土层，其物理力学特性在一定区域内保持一致，可将基坑开挖与支护过程视为二维平面应变问题。在数值仿真模拟过程中，基坑土体材料属性设置为Mohr-Coulomb，土体参数参照表1进行分层建模。为减少边界效应影响，将模型沿水平方向基坑外侧延伸两倍开挖深度，在竖直方向延伸约两倍开挖深度。如图2所示，其中，模型水平宽度为30 m，竖直高度为15 m，基坑开挖深度为5.7 m，开挖坡度为63°，模型左右两侧为法向位移约束，底部为固支约束。

图2 基坑土层模型示意

本基坑工程周围存在邻近高层建筑，距基坑开挖边线8.8 m，数值仿真模拟过程中，需考虑临近建筑自重载荷对边坡土体变形的影响。为简化模拟过程，将邻近建筑的自重作用进行简化，采用20 kN/m2的均布载荷等效替代。

3 数值模拟结果分析

3.1 基坑开挖模拟方案

对基坑工程进行基坑开挖与边坡支护模拟时，参照以下7个步骤对其进行逐层模拟。

(1)步骤1：沿开挖坡度63°对基坑土层进行开挖，开挖至-2 m处。

(2)步骤2：在边坡-0.8 m处设置入射角为20°的土钉。

(3)步骤3：沿开挖坡度63°对基坑土层进行二次开挖，开挖至-4 m处。

(4)步骤4：在边坡-2.3 m处设置入射角为20°的土钉。

(5)步骤5：在边坡-3.8 m处设置入射角为20°的土钉。

(6)步骤6：沿开挖坡度63°对基坑土层进行三次开挖，开挖至-5.7 m处。

(7)步骤7：在边坡-5.3 m处设置入射角为20°的土钉。

3.2 基坑开挖结果分析

参照步骤1、3、5，对基坑土层进行基坑开挖数值模拟，得到应力和位移变化情况，其中图3(a)为未开挖时基坑边坡应力分布图，图3(b)为开挖完成后基坑边坡应力分布图。

(a)未开挖；(b)已开挖

图4(a)为开挖完成后基坑边坡土层水平位移变化图，图4(b)为开挖完成后基坑边坡土层竖直位移变化。

(a)水平位移；(b)竖直位移

基坑开挖后，由于基坑土体开挖卸载，基坑周边土体应力向开挖区域集中，并在边坡位置处形成应力集中区，边坡土体应力由未开挖时的12 kPa增加至开挖后的20 kPa。边坡土体土体在主动土压力的作用下，逐渐向基坑内侧偏移，基坑土体位移变化主要集中于边坡的中上段区域，相比而言，基坑开挖对边坡土体水平位移的影响要明显强于对竖向位移的影响，边坡坡顶的最大水平位移与竖直位移分别为30、20 mm。因此，在对边坡土体进行支护结构及支护效果研究分析时，对边坡中上段土体的水平位移监测是主要指标。

3.3 边坡支护效果分析

参照步骤1、2、3、4、5、6、7对边坡土体进行支护结构及支护效果进行有限元仿真模拟研究，在沿竖直方向距边坡顶部-0.8、-2.3、-3.8、-5.3的边坡处分别设置土钉结构，土钉竖向间距为1.5，土钉外径为50 mm，土钉与边坡土体之间采用surface-to-surface接触。图5(a)为开挖前后边坡土层水平位移变化图，图5(b)为开挖前后边坡土层竖直位移变化图。

(a)水平位移；(b)竖直位移1—未支护；2—已支护。

图6(a)为未支护情况下边坡土层塑性应变破坏分布图，图6(b)为已支护情况下边坡土层塑性应变破坏分布图。

(a)未支护；(b)已支护

数值仿真模拟结果显示，边坡支护完成后，在土钉与边坡钢筋网的联合相互作用下，边坡土体的塑性应变区域范围逐渐缩小，整体刚度与抗拉抗剪强度得到有效提升，进而增加了边坡土体抵抗变形的能力，减小了对边坡土体水平和竖直位移的扰动影响，其中水平位移的降低幅值最为明显。最大水平位移降低处位于边坡坡顶位置处，降低幅值为13.7%，竖直位移最大降低幅值处位于距边坡坡顶约2 m处，降低幅值为10%。

3.4 支护参数分析

土钉的长度与孔径大小是影响基坑边坡支护效果的主要因素，参照方案对基坑边坡支护过程中进行仿真模拟研究分析，如表2所示。图7为不同支护方案时边坡水平位移变化曲线。

表2 土钉长度布置方案

1—未支护；2—方案1；3—方案2；4—方案3；5—方案4。

方案1～4作用下的边坡，边坡土体整体刚度与抗剪强度明显提升，土体水平位移均小于未进行边坡支护时，且从基坑底部至坡顶，水平位移的降低幅值愈发明显，降低幅值较大处基本集中在距基坑底3～5 m处。按照方案2～4(等长度)进行布置土钉时，边坡支护效果随土钉长度的增加有一定的提升效果，但整体效果并不明显；当土钉按照方案1(阶梯型)进行布置时，其边坡支护效果与方案4布置(等长度)支护效果相似。表明土钉阶梯型布置时的边坡支护效果，要明显强于等长度布置。

如图8所示为不同支护方案边坡竖直位移变化曲线图。

1—未支护；2—孔径50 mm；3—孔径60 mm；4—孔径70 mm。

取孔径分别为0.05、0.06、0.07 m的土钉，按照间距1.5 m，长度7 m，阶梯型进行布置，研究分析土钉孔径对边坡支护效果的影响。各孔径条件下的边坡支护均存在一定效果，但整体效果比较接近，因此在满足设计要求的情况下，选择孔径为50 mm的土钉是最经济合理的。

4 结 论

(1)由于基坑土体开挖卸载，基坑土体应力在边坡位置处形成应力集中区，在主动土压力的作用下，边坡土体向基坑内侧偏移，坡顶的最大水平位移与竖直位移分别为30、20 mm。

(2)在土钉与边坡钢筋网的联合相互作用下，边坡土体整体刚度与抗拉抗剪强度得到有效提升，对边坡土体水平和竖直位移的扰动影响减弱，水平位移的降低幅值最为明显，为13.7%，竖直位移的降低幅值为10%。

(3)阶梯型土钉布置方式具有良好的边坡支护效果，可有效降低边坡土体的水平位移与竖直位移，降低边坡土体塑性变形。与等长度土钉布置方式相比，阶梯型土钉布置方式达到相同支护效果所使用的材料更少。

(4)对于阶梯型土钉支护，以土钉间距1.5 m，土钉长度7、6、5、4 m阶梯型布置，当土钉孔径为0.05 m时，边坡支护效果较好，使用材料较少。