胡 杰 ，宋御書，莫韜韜

（1：吉林省建筑科學(xué)研究設(shè)計院（吉林省建筑工程質(zhì)量檢測中心），吉林 長春 130000；2：長春工程學(xué)院，吉林 長春 130000）

深基坑工程中的坑角效應(yīng)，是指深基坑在進行開挖時，其坑角處的支護結(jié)構(gòu)變形及地表沉降等往往小于中部，其原因是深基坑部位是一個擁有長、寬、高的三維結(jié)構(gòu)，其坑角處的兩道坑壁相當(dāng)于給角部加了兩道支撐，無形中加大了坑角處的支護剛度。但目前在對深基坑的支護結(jié)構(gòu)進行設(shè)計計算時，通常采用的是二維設(shè)計，沒有充分考慮到其三維空間的特性，沒有把基坑坑角和基坑中部進行區(qū)分，而是采用相同的支護設(shè)計，這樣就導(dǎo)致了坑角處的設(shè)計過于保守，不僅浪費材料，且延緩了施工工期，為了使深基坑支護設(shè)計更加合理化和經(jīng)濟化，在設(shè)計時應(yīng)該把坑角效應(yīng)考慮在內(nèi)，對坑角效應(yīng)影響范圍內(nèi)的支護結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。

1 深基坑坑角效應(yīng)研究現(xiàn)狀

鄭剛等[1]通過有限元法對實際工程進行建模分析，并通過分析模擬的結(jié)果, 證實基坑存在坑角效應(yīng), 并就坑角效應(yīng)對其基坑周邊建筑物的影響做了分析研究。柳家海[2]建立了多個有限元模型，在對其支護結(jié)構(gòu)變形進行模擬分析后，得出了基坑在開挖過程中空間效應(yīng)對于基坑土體的影響范圍的計算公式。張磊、頂勇春等[3-4]以土壓力理論為基礎(chǔ)對坑角效應(yīng)進行了分析，并通過有限元模擬得出了基坑空間效應(yīng)強弱與基坑開挖深度和基坑長寬尺寸的相關(guān)關(guān)系。俞建霖等[5]對不同形狀的深基坑工程進行分析研究，得出了不同的長寬比對土壓力以及位移的影響。

在上述研究基礎(chǔ)上，本文擬采用建立Midas GTS NX 有限元模型的方法，對長春市某樁錨支護深基坑工程坑角效應(yīng)進行分析，并基于坑角效應(yīng)針對該基坑進行設(shè)計優(yōu)化。

2 基于Midas 的數(shù)值模擬

2.1 工程概況

擬建工程位于吉林省長春市，基坑最大開挖深度為9.2 m，基坑整體呈矩形，長約80 m，寬約62 m，為方便后續(xù)分析，將各坑角進行編號，基坑平面布置示意圖如圖1 所示。

圖1 基坑平面示意圖（m）

根據(jù)勘察單位提供的詳勘數(shù)據(jù)并結(jié)合當(dāng)?shù)亟?jīng)驗，本工程采用混凝土灌注樁+預(yù)應(yīng)力錨索進行支護。設(shè)計所采用的土層參數(shù)見表1。

表1 土層參數(shù)

鋼筋混凝土樁樁徑600 mm，長12 m，按間距1 000 mm 進行布置，樁頂冠梁采用尺寸為700 mm×500 mm，腰梁采用雙20a 工字鋼，共布置2 排錨索，錨索傾角為15°，按豎向間距-3 m，-6 m 進行布置，水平間距為1 m?；娱_挖時，地下水位已降至基坑底面以下，因此，在進行建模分析時本文暫不考慮地下水的影響。

2.2 數(shù)值模擬

本文所用軟件為Midas GTS NX，建模時土體采用修正摩爾-庫倫本構(gòu)，并作如下假定。

1）為方便建模，假定場地內(nèi)各土層均勻分布。

2）忽略錨桿自重，使用植入式桁架模擬，只通過靜力分析錨桿。

3）根據(jù)等剛度轉(zhuǎn)換原理，用地下連續(xù)墻模擬支護樁。

模型建立后如圖2 所示。

圖2 基坑網(wǎng)格模型

模型計算時參考實際施工順序共分如下5 個工況進行計算。

工況1：初始應(yīng)力場分析。激活所有土層并添加邊界條件及自重。

工況2：自平衡階段。勾選“位移清零”。

工況3：激活支護樁及第一排錨索、腰梁，并添加第一排錨索預(yù)應(yīng)力，鈍化第一層土，開挖到-3.5 m。

工況4：激活第二排錨索、腰梁及添加預(yù)應(yīng)力，鈍化第二層土，開挖到-6.5 m。

工況5：開挖至坑底。

2.3 模擬結(jié)果及分析

模型計算完成后，在后處理模式中可以查看軟件計算結(jié)果。圖3 為開挖完成的支護樁水平位移云圖。從圖3 中可以看出，開挖完成后，支護樁自身最大變形出現(xiàn)在樁身中部位置，向上下兩頭逐漸減小，最大變形值為12.64 mm，而處于同一基坑邊上的支護樁，其變形趨勢為基坑中部變形最大，向兩邊坑角處逐漸減小，且越靠近坑角變形減小的速率越快，減小至坑角處時，支護樁變形最小僅為1.8 mm。由此可見，該基坑受坑角效應(yīng)影響十分明顯。

圖3 開挖完成后支護樁變形云圖

坑角效應(yīng)影響范圍可以通過坑角效應(yīng)影響系數(shù)來表示。王曉偉等[6]使用有限差分軟件，研究了坑角效應(yīng)的影響范圍，提出了坑角效應(yīng)影響系數(shù)的概念，并給出了坑角效應(yīng)影響系數(shù)的計算公式：

式中：K 為坑角效應(yīng)影響系數(shù)；δi為基坑坑角與基坑中部之間某一位置i 處支護結(jié)構(gòu)的變形；δ 為基坑中部支護結(jié)構(gòu)的變形，只要當(dāng)K＜0.94 時，即可認為此時坑角到位置i 處均為該基坑的坑角效應(yīng)影響范圍。

本基坑AB 段距離較長，中部支護結(jié)構(gòu)受力可近似看作平面應(yīng)變狀態(tài)，以該邊為研究對象，提取支護樁最大水平位移變化模擬值見表2。

表2 AB 段支護樁最大水平位移變化

由表2 可以看出，AB 段上當(dāng)距坑角A 距離為16 m 時，坑角效應(yīng)影響系數(shù)為 0.951，根據(jù)式（1）定義，可認為此16 m 范圍內(nèi)為坑角效應(yīng)的影響區(qū)域。

3 設(shè)計方案優(yōu)化

通過前文的模擬已知該基坑AB 段上坑角效應(yīng)主要影響范圍約為16 m，可以通過對該影響范圍內(nèi)的支護結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，使得整個基坑支護設(shè)計更加合理且經(jīng)濟，本文擬通過對錨索和支護樁進行優(yōu)化。

3.1 基于錨索的設(shè)計優(yōu)化

對坑角附近預(yù)應(yīng)力錨索的優(yōu)化方式較多，大體分為兩種，一是調(diào)整錨索各項材料參數(shù)，如自由段與錨固段長度、錨固體直徑、錨索直徑等，但此類優(yōu)化方法會出現(xiàn)多種施工參數(shù)，造成施工不便，故不予采用；二是調(diào)整錨索布置方式，如錨索間距、錨索排數(shù)等。本工程共兩排錨索，若采用減少排數(shù)進行優(yōu)化，則只剩一排錨索時將導(dǎo)致第一步開挖時無支撐開挖深度過大，容易造成基坑的失穩(wěn)坍塌[7-8]。在充分考慮各種因素后，本文選定增大錨索間距作為該基坑的優(yōu)化方案。

本工程錨索水平間距為1 m，1 樁1 錨，將其間距增大到2 m，2 樁1 錨，重新進行建模分析。計算后，在后處理結(jié)果中提取優(yōu)化前后距坑角不同位置處的支護樁最大水平位移，結(jié)果見表3。

表3 優(yōu)化錨索后支護樁最大水平位移變化對比

優(yōu)化錨索間距前后的支護樁最大水平位移對比如圖4 所示。

圖4 支護樁最大水平位移對比圖

從圖4，表3 中可以看出，在使用優(yōu)化錨索間距的方法對坑角附近的錨索進行優(yōu)化后，基坑角部附近支護樁的水平位移增長較快，在距坑角約9 m 位置后位移的增長速度趨于平緩，總體變化趨勢不變，優(yōu)化后基坑中部支護樁最大水平位移為12.77 mm，較之優(yōu)化前基本不變。故表明采取增大錨索間距的方法對坑角效應(yīng)影響范圍內(nèi)的錨索進行優(yōu)化是可行的。

3.2 基于排樁的設(shè)計優(yōu)化

對坑角處支護樁的優(yōu)化，大致分為以下幾種方法：減小樁徑、增大樁間距、降低配筋等。本工程支護樁樁徑為600 mm，樁間距為1 m，若采用增大樁間距，根據(jù)《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》中明確規(guī)定，支護樁的中心距不宜大于支護樁直徑的2.0 倍，則最多增加到1.2 m，變化不大，而支護樁配筋在設(shè)計時已是合理配筋，不必再進行優(yōu)化，故本文采用減小樁徑的方法對坑角效應(yīng)主要影響范圍內(nèi)的支護樁進行優(yōu)化。

本基坑支護樁樁徑為600 mm，將其減小為500 mm 進行優(yōu)化，計算后，提取優(yōu)化前后距坑角不同位置處的支護樁最大水平位移，結(jié)果見表4。

優(yōu)化樁徑前后的對比如圖5 所示。

從圖5，表4 中可以看出，在使用優(yōu)化支護樁樁徑的方法對坑角附近的支護樁進行優(yōu)化后，在優(yōu)化范圍內(nèi)，支護樁的水平位移都明顯大于優(yōu)化前的支護樁水平位移，且增長速度也要比優(yōu)化前大，在距坑角約12 m 位置后位移的增長速度趨于平緩，且優(yōu)化后中部支護樁最大水平位移變化較之優(yōu)化前也基本沒有變化，優(yōu)化結(jié)果較為成功。

表4 優(yōu)化樁徑后支護樁最大水平位移變化對比

圖5 支護樁最大水平位移對比圖

從坑角效應(yīng)影響系數(shù)來看，優(yōu)化前AB 段上坑角效應(yīng)影響范圍約為距坑角A 的0~16 m 范圍內(nèi)，優(yōu)化后AB 段上坑角效應(yīng)影響范圍約為距坑角A 的0~12 m 范圍內(nèi)，約縮短4 m，優(yōu)化效果較好。

3.3 優(yōu)化結(jié)果分析

為方便對比分析，將優(yōu)化前AB 段上的坑角效應(yīng)影響系數(shù)與進行兩種優(yōu)化方案后的坑角效應(yīng)影響系數(shù)共同繪制呈曲線見圖6。

從圖6 中可以看出，優(yōu)化前AB 段上坑角效應(yīng)的影響范圍約為距離坑角A 的0~16 m 范圍內(nèi)，使用優(yōu)化錨索間距的方法進行優(yōu)化后，AB 段上坑角效應(yīng)影響范圍約為距坑角A 的0~9 m 范圍內(nèi)，縮短7 m，優(yōu)化效果顯著；使用優(yōu)化支護樁樁徑的方法進行優(yōu)化后，AB 段上坑角效應(yīng)影響范圍約為距坑角A的0~12 m 范圍內(nèi)，縮短4 m，由此可見，增大錨索間距和減小支護樁樁徑都能在原設(shè)計方案上取得優(yōu)化成果，且增大錨索間距所取得的優(yōu)化效果更為顯著。

圖6 優(yōu)化前后坑角效應(yīng)對比圖

4 結(jié)論及建議

1）樁錨支護深基坑工程受坑角效應(yīng)影響較為明顯，在坑角效應(yīng)影響范圍內(nèi)采取增大錨索間距或減小支護樁樁徑的方法均能獲得不錯的優(yōu)化效果。

2）通過對兩種優(yōu)化方案進行比選，增大錨索間距的優(yōu)化方案比減小支護樁樁徑應(yīng)用效果更好。

3）建議在類似基坑支護的設(shè)計中，采用增大錨索間距的方法。