董貴平

黃土地區(qū)基坑支護方案優(yōu)化設(shè)計

董貴平

杭州科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 浙江 杭州 311402

本文以某地鐵明挖車站的基坑工程為研究背景，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立深基坑支護變形沉降的數(shù)值計算模型，對比實際工程檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)數(shù)值計算結(jié)果吻合度高，在此基礎(chǔ)上，改變樁徑與樁間距、樁長、支撐水平間距、支撐豎向間距等關(guān)鍵支護參數(shù)，分析支護參數(shù)對圍護結(jié)構(gòu)變形與地表沉降的影響規(guī)律，提出優(yōu)化支護方案。研究表明：依托工程理想圍護結(jié)構(gòu)樁為直徑0.8 m間距1.1 m的鉆孔灌注樁，樁長為23 m~25 m，支撐水平間距為4 m，并且應(yīng)合理布置支撐豎向間距。

基坑支護; 優(yōu)化設(shè)計

開發(fā)地下空間建設(shè)是緩解交通、空間危機的有效手段[1]。我國地下工程目前主要的發(fā)展趨勢是大面積[2]、深基坑[3]和大空間[4]，如一線城市地下空間面積已達到10~30萬m2，上海仲盛廣場基坑開挖面積達到5萬m2，上海世博工程基坑深度已超過20 m[5]?；诖?，諸多學(xué)者在深基坑支護方面開展了大量研究，黃雪峰等[6]通過近年西寧地區(qū)基坑支護工程實踐，對比分析了常用支護結(jié)構(gòu)的作用機理、適用范圍，提出了有效的基坑支護優(yōu)化方案；鄧友生等[7]系統(tǒng)分析了深基坑支護結(jié)構(gòu)的一些理論計算方法與深基坑開挖施工現(xiàn)場監(jiān)測技術(shù)措施，討論了深基坑支護結(jié)構(gòu)中存在的研究問題與其發(fā)展方向；李瑛等[8]對比分析了鋼筋混凝土支撐和鋼管支撐在深基坑中的應(yīng)用，討論了型鋼組合支撐粉砂土基坑和軟土基坑支護體系中的可行性與便利性。本文以某地明挖車站的基坑工程為研究背景，針對黃土地區(qū)深基坑支護的變形沉降特征建立的FLAC3D數(shù)值計算模型，與實際工程監(jiān)測結(jié)果進行對比，在此基礎(chǔ)上分析樁徑與樁間距、樁長、支撐水平間距、支撐豎向間距等關(guān)鍵因素對基坑變形沉降的影響規(guī)律，進而提出基坑支護優(yōu)化設(shè)計方案。

1 黃土地區(qū)深基坑工程概況

某地鐵明挖車站為地下2層島式車站，其基坑標(biāo)準(zhǔn)段寬20.7 m，深16.2 m?；訃o結(jié)構(gòu)設(shè)計為鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐方案，其中，鉆孔灌注樁徑=1000 mm，間距=1300 mm，長度=23000 mm；內(nèi)支撐為600 mm×14 mm鋼支撐，水平間距為3000 mm，豎向間距為5000 mm，即由上至下3道支撐分別位于地下-0.5 m、-5.5 m和-10.5 m位置。場地范圍內(nèi)地層包括人工素填土、沖積黃土、卵石以及中更新世沖積粉質(zhì)黏土等，各地層參數(shù)如表1所示。

表 1 基坑場地范圍內(nèi)各土層力學(xué)參數(shù)表

2 基坑支護方案設(shè)計

2.1 數(shù)值模擬模型

根據(jù)上述工程情況，采用FLAC3D軟件建立黃土地區(qū)深基坑數(shù)值模擬分析模型如圖1所示。該模型長182.7 m、高60 m、寬3.0 m，邊界條件采用底面固定、四周法向約束，頂面自由。鉆孔灌注樁和冠梁采用實體單元模擬，其彈性模量和泊松比分別設(shè)置為2.1 GPa和0.2，鋼支撐采用結(jié)構(gòu)單元模擬，其彈性模量和泊松比分別設(shè)置為210 GPa和0.25?；佑缮现料路?步開挖，每步開挖至支撐底下0.5 m處。

圖 1 黃土地區(qū)深基坑數(shù)值模擬模型

2.2 支護方案設(shè)計

為研究合理的基坑支護方案，本文在已有設(shè)計方案基礎(chǔ)上，針對4種不同的基坑支護參數(shù)（樁徑與樁間距、樁長、支撐水平間距以及支撐豎向間距）進行了數(shù)值模擬分析，比較了不同支護參數(shù)條件下基坑周邊地表沉降和樁體位移，具體如表2所示。

表 2 黃土地區(qū)深基坑支護方案設(shè)計

3 數(shù)值計算結(jié)果分析

3.1 與實際監(jiān)測結(jié)果對比

基坑開挖后，本文在原有設(shè)計支護方案下得出的樁體水平位移如圖2所示。可以看出，基坑開挖后鉆孔灌注樁水平最大位移約為12.5 mm，出現(xiàn)在靠近基底的位置，由最大位置往樁兩端，樁體水平位移逐漸減小，即樁體在基坑開挖后呈現(xiàn)“弓形”變形。對比實際監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，本文數(shù)值模擬得出的樁體最大變形和出現(xiàn)位置，以及樁體沿樁深方向的變形分布規(guī)律均與實際工程保持一致，說明本文模擬采用的相關(guān)數(shù)據(jù)是較為準(zhǔn)確的。

圖 2 基坑開挖后樁體的水平位移分布曲線

3.2 基坑支護方案優(yōu)化分析

3.2.1 樁徑與樁間距優(yōu)化設(shè)計分析不同樁徑與樁間距下基坑周邊圍護結(jié)構(gòu)與土體的變形分布曲線如圖3所示。隨著樁徑和樁間距的變化，基坑單位面積上的圍護結(jié)構(gòu)剛度也在不斷發(fā)生變化，當(dāng)樁徑越大或樁間距越小，圍護結(jié)構(gòu)的整體剛度就越大，相應(yīng)地基坑圍護結(jié)構(gòu)變形與地表沉降也就很小。由圖3可知，隨著圍護結(jié)構(gòu)剛度的增大，樁體水平位移在樁深-10 m以上變化很小，而在樁深-10 m以下則逐漸減小，這主要是因為隨著基坑的向下開挖，樁后主動土壓力逐漸增大并主要集中在-10 m以下位置，而-10 m以下卻只布置一道鋼支撐，難以有效約束該范圍內(nèi)樁體產(chǎn)生的水平位移。因此，選擇黃土地區(qū)深基坑兩側(cè)樁徑和樁間距時，因考慮鋼支撐的布置位置，并使支護樁的剛度與支撐的剛度保持在一定的比例量級，才能很好的協(xié)調(diào)支護結(jié)構(gòu)的變形。由樁體和地表沉降隨樁徑和樁間距的變化幅度大小上看，本文依托工程圍護結(jié)構(gòu)樁選擇直徑0.8 m間距1.1 m的鉆孔灌注樁就能夠有效限制基坑周邊土體的變形。

圖 3 不同樁徑與樁間距下基坑周邊圍護結(jié)構(gòu)與土體的變形分布曲線

3.2.2 樁長優(yōu)化設(shè)計分析不同樁長下基坑周邊圍護結(jié)構(gòu)與土體的變形分布曲線如圖4所示?？梢钥闯觯?dāng)樁長為18 m時，樁入土深度約為2 m，此時坑底下的土體難以約束住樁體向坑內(nèi)產(chǎn)生的變形，導(dǎo)致樁底發(fā)生踢腳破壞，引起基坑失穩(wěn)。當(dāng)樁長為23 m時，樁入土深度約為7 m，此時樁體在坑底下的變形雖然相對較大，但能夠保持穩(wěn)定，不會發(fā)生失穩(wěn)。當(dāng)樁長大于23 m時，隨著樁長的增加，圍護樁體的水平位移逐漸減?。ㄓ绕涫情_挖面附近的位置），但是當(dāng)樁入土深度滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求后，此時再增大樁長，對樁體位移和地表沉降影響很小。從計算結(jié)果上看，本文依托工程樁長取23 m~25 m比較合適。

圖 4 不同樁長下基坑周邊圍護結(jié)構(gòu)與土體的變形分布曲線

3.2.3 支撐水平間距優(yōu)化設(shè)計分析圖5所示為不同支撐水平間距下基坑周邊圍護結(jié)構(gòu)與土體的變形分布曲線。隨著支撐水平間距的增大，整個樁體水平位移和地表沉降都逐漸增大，支撐水平間距每增大約1 m，圍護樁體位移就增長約2 mm，而地表沉降增大約0.5 mm。這主要是因為支撐水平間距越大，每道支撐支承的土體范圍就越大，相應(yīng)地基坑周邊土體變形也越大，但因圍護樁本身存在剛度，支撐水平間距的增大并不能使圍護結(jié)構(gòu)剛度線性下降，因此當(dāng)支撐間距達到一定程度時，支撐間距的改變對基坑周邊土體變形影響也很小。結(jié)合圖中樁體位移和地表沉降大小，為保證基坑安全和減小工程造價，可以選擇支撐水平間距為4 m。

圖 5 不同支撐水平間距下基坑周邊圍護結(jié)構(gòu)與土體的變形分布曲線

3.2.4 支撐豎向間距優(yōu)化設(shè)計分析圖6所示為不同支撐豎向間距下基坑周邊圍護結(jié)構(gòu)與土體的變形分布曲線。當(dāng)支撐豎向間距分別為3 m、4 m、5 m和6 m時，基坑由上至下則分別需布置5道、4道、3道和3道支撐。由圖可知，支撐豎向布置道數(shù)越多，圍護樁在坑底以上的水平位移越小，同時地表沉降也越小。當(dāng)支撐道數(shù)相同時（支撐豎向間距為5 m和6 m），由于圍護樁變形在靠近坑底位置最大，因此，最底下一道支撐越靠近基底，就越有利于基坑周邊土體的穩(wěn)定。從圖中可以看出，當(dāng)支撐豎向間距為6 m時，基坑豎向設(shè)置道數(shù)較少，有利于施工并節(jié)省工程造價，同時，其圍護樁變形和地表沉降要比豎向間距為5 m時分別小50%和25%。所以，實際基坑支護方案設(shè)計時，如支撐道數(shù)設(shè)計不變，則一定要合理控制各道支撐的豎向間距。

圖 6 不同支撐豎向間距下基坑周邊圍護結(jié)構(gòu)與土體的變形分布曲線

4 結(jié)論

本文針對黃土地區(qū)深基坑支護的變形沉降特征建立FLAC3D數(shù)值計算模型，與實際工程監(jiān)測結(jié)果吻合度較高，在此基礎(chǔ)上分析了樁徑與樁間距、樁長、支撐水平間距、支撐豎向間距對基坑變形沉降的影響規(guī)律，提出了優(yōu)化設(shè)計方案，主要結(jié)論如下：

（1）樁徑的增大和樁間距的減小可以提高圍護結(jié)構(gòu)的整體剛度，減小基坑圍護結(jié)構(gòu)變形與地表沉降。樁體水平位移在樁深-10 m以上變化很小，而在樁深-10 m以下則逐漸減小，依托工程圍護結(jié)構(gòu)樁選擇直徑0.8 m間距1.1 m的鉆孔灌注樁；

（2）本工程中樁長為18 m時，出現(xiàn)基坑失穩(wěn)；樁長大于23 m時，隨著樁長的增加，圍護樁體的水平位移逐漸減小。建議選用23 m~25 m樁長；

（3）整個樁體水平位移和地表沉降隨支撐水平間距的增大而增大，支撐水平間距每增大約1 m，圍護樁體位移就增長約2 mm，而地表沉降增大約0.5 mm。為保證基坑安全和減小工程造價，可以選擇支撐水平間距為4 m；

（4）支撐豎向布置道數(shù)越多，圍護樁在坑底以上的水平位移越?。划?dāng)支撐道數(shù)相同時最底下一道支撐越靠近基底，就越有利于基坑周邊土體的穩(wěn)定。

[1] 吳意謙,朱彥鵬.蘭州市濕陷性黃土地區(qū)地鐵車站深基坑變形規(guī)律監(jiān)測與數(shù)值模擬研究[J].巖土工程學(xué)報,2014,36(S2):404-411

[2] 任望東,李春光,田建平,等.軟弱土中大面積深基坑工程快速支護施工技術(shù)[J].施工技術(shù),2013,42(1):35-39

[3] 劉方梅.深基坑開挖對臨近地鐵隧道的影響[D].杭州:浙江大學(xué),2015

[4] 徐向輝.虹橋綜合交通樞紐深大基坑關(guān)鍵技術(shù)研究[J].鐵道工程學(xué)報,2009,26(6):44-49

[5] 劉志忠.西安地區(qū)深基坑邊坡支護及其變形研究[D].西安:西安建筑科技大學(xué),2014

[6] 黃雪峰,楊校輝,朱彥鵬,等.西寧地區(qū)常用基坑支護結(jié)構(gòu)對比分析[J].巖土工程學(xué)報,2012,34(s1):432-439

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[8] 李瑛,唐登,朱浩源.H型鋼構(gòu)建的綠色深基坑支護體系初探[J].科技通報,2017,33(2):177-180

Optimization Design for Foundation Pit Support Scheme in Loess Area

DONG Gui-ping

311402,

Based on the foundation pit project of a subway open-cut station as the research background, a numerical model of settlement deformation of deep foundation pit supporting was established wtih FLAC3Dnumerical simulation software. Contrast test results found that the results of numerical calculation of actual engineering degree was high. Therefore, support key parameters such as pile spacing, pile length and pile diameter, support level spacing, the vertical spacing were changed to analyze the influence law of ground surface subsidence, optimization of supporting schemes. Based on the engineering retaining structure pile, the research showed that the best bored pile diameter is 0.8 m and spacing was 1.1 m, the pile length was 23 m-25 m, the horizontal spacing of supports was 4 m, and the vertical spacing of supports was reasonably arranged.

Foundation pit support; optimization design

TU528.01

A

1000-2324(2019)01-0062-04

10.3969/j.issn.1000-2324.2019.01.013

2018-03-05

2018-04-21

國家開放大學(xué)2018年度科研課題(G18F1654Y);杭州科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院教育教學(xué)改革與研究課題(HKYJG-2018-06 2280)

董貴平(1982-),男,碩士,講師,主要研究方向為建筑施工與材料改性. E-mail:dgp@hzpt.edu.cn