摘要 基坑支護作為臨時工程，其目的僅為新建工程提供作業(yè)空間，優(yōu)化基坑支護設計具有很好的經(jīng)濟價值。以成都卵石土地區(qū)新建基坑為例，提出了2種介于單排樁與雙排樁之間的新型基坑支護形式，基于有限元分析， 對新型基坑支護結構的水平應力和樁頂最大水平位移進行了研究分析。結果表明，樁基的水平應力變化規(guī)律，與基坑-地下室近距和基坑-地下室之間高差密切相關，水平近距與高差之間的比值存在一個臨界值，超過臨界值后，前后排樁的樁基水平應力變化規(guī)律出現(xiàn)明顯變化。新型基坑支護結構的樁頂最大水平位移滿足規(guī)范要求，在單排樁與雙排樁之間尋找到經(jīng)濟性更好的基坑支護形式，實現(xiàn)節(jié)約投資的目的。

關鍵詞 卵石土； 新型基坑支護結構； 有限元： 水平位移

文獻標志碼 TU473.1⁺2 中圖分類號 A

0 引言

近年來，隨著城市化建設的持續(xù)發(fā)展，建筑密度不斷增大，大量地下結構物的存在導致擬開挖基坑通常臨近既有地下結構物，經(jīng)典的土力學理論是基于半無限空間的假定提出，對于臨近既有地下結構物開挖基坑的形式不適用。卵石地層大多由河流的沖刷、堆積和沉積作用而形成的，由于母巖的差異，導致卵石層的厚度、成分、分布區(qū)域多變，卵石地層具有松散、無膠結、自穩(wěn)能力差、單個石塊強度高，顆粒之間空隙大、粘聚力小、滲透系數(shù)大、區(qū)域性很強等特點，屬于穩(wěn)定性較差的巖土體［1］。因此，對于臨近既有建筑物的卵石土地區(qū)深基坑工程，需進行單獨研究分析。

目前，對于成都卵石土地區(qū)基坑，研究較多的是明挖隧道基坑，于麗等［2］以成都機場路開挖寬度13.6 m，開挖深度18～24 m明挖隧道為例，基于有限元軟件，對抽水條件下基坑周邊變形規(guī)律進行了研究分析；童建軍等［3］采用顆粒離散元法，分析了成都地鐵卵石地層深基坑開挖過程中周邊地面沉降的變化規(guī)律；李國杰［4］基于FLAC軟件，對成都天府廣場地鐵車站深基坑的變形規(guī)律進行了研究分析；袁坤［5］以成都地鐵塔子山車站基坑工程為研究對象，對比分析了ANSYS地面沉降數(shù)據(jù)和現(xiàn)場監(jiān)測地面沉降數(shù)據(jù)；陳盛金［6］利用FLAC3D軟件模擬分析了春熙路2號線地鐵車站深基坑地面沉降情況。因此，采用有限元軟件是研究分析深基坑的常用方法，但以上相關研究文獻主要是針對相對狹長的地鐵工程案例，而對于長寬尺寸相差不大的成都地區(qū)基坑研究相對較少，范文軍等［7］以成都市某周長約242 m，開挖深度約15 m且臨近既有建筑的基坑工程為例，采用單排樁+2道錨索的支護形式，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)與現(xiàn)有設計軟件計算結果進行對比分析，得出軟件計算結果更偏于安全以及基坑支護結構的最大水平變形可以控制在30 mm。

綜上，成都地區(qū)對于長寬尺寸相差不大的臨近既有建筑深基坑研究較少，而建筑物對新建基坑支護結構影響較大，劉曉軍［8］利用GTS NX數(shù)值模擬軟件，研究分析不同臨近建筑物地下室深度的基坑開挖模型，研究發(fā)現(xiàn)，隨著臨近建筑物地下室深度的增加，土體應力、最大剪應變、位移和樁體位移相應增大；當基坑臨界深度小于0.8倍基坑開挖深度時，臨近建筑物對基坑開挖存在不利影響，反之，則臨近建筑物對基坑開挖存在有利影響。

因此，臨近基坑的既有建筑物對基坑支護結構有較大影響，對于這類問題需單獨研究。本文以成都地區(qū)某長寬尺寸相差不大且臨近既有建筑物的基坑工程為例，基于有限元數(shù)值軟件，以既有建筑物不同基坑埋深為研究變量，系統(tǒng)分析了其對3種不同基坑支護結構的力學特性影響，其研究成果對于決策本基坑支護形式提供了參考價值。

1 工程實例

1.1 工程簡介

工程位于成都市某地區(qū)擬建一棟28層的公寓樓，地下室2層，需開挖深度約12 m的深基坑。其中，基坑一側臨近一棟地上13層、地下2層的既有建筑物，現(xiàn)狀地面是正負零標高，地下室底板的標高是-9.0 m，靠近既有建筑物側的基坑紅線邊界與建筑物地下室外墻間凈距7.8 m，典型斷面詳見圖1。經(jīng)鉆探揭露，在勘探深度范圍內(nèi)，擬建場地從上到下依次為第四系上更新統(tǒng)II級階地黏土和卵石土，下伏基巖為白堊系上統(tǒng)灌口組泥巖。為了保證基坑支護安全以及減小對既有建筑物的影響，本工程擬采用雙排樁基坑支護結構，利用理正深基坑軟件對不同樁間距及樁徑的雙排樁支護結構進行了研究分析，最終采取經(jīng)濟性較高的樁徑和樁間距，即樁徑Φ1.2 m，樁間距1.8 m，前后排樁間距2.5 m，冠梁和連系梁的寬×高是1.2 m×1.0 m。

1.2 工程地質情況

本工程卵石土呈灰白、灰黃色，成分以花崗巖、閃長巖為主，次為石英巖、灰?guī)r、砂巖、泥巖等。顆粒圓狀-次圓狀，分選較好，微風化為主，少量中等-強風化。天然重度21.5 kN/m³，內(nèi)摩擦角35°，泊松比0.27，基本承載力300 kPa。

1.3 水文地質條件

地下水水量較豐富，為孔隙潛水，具微承壓性，地下水埋深一般為11.5～12.0 m不等，卵石土為強透水層，富水性較好，滲透系數(shù)18～22 m/d，因此本基坑可不考慮降水措施。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 新型基坑支護結構介紹

對于臨近既有建筑物的新建基坑工程，由于既有建筑物的存在，對基坑設計時的主動土壓力計算有一定的遮攔效應。而現(xiàn)有的二維計算軟件，比如理正深基坑，只能計算分析單排樁或雙排樁，對于單排樁不適用而雙排樁又顯得保守的設計時，沒有更好的解決辦法。為了優(yōu)化雙排樁設計，本文還建立了2種新型基坑支護形式進行對比分析。

（1）雙排樁支護結構，如圖2（a）所示。雙排樁是一種新型的基坑支護結構，通過連系梁將前后排樁連接，形成類似于門架的空間結構體系，屬于懸臂式空間組合支護結構。 與傳統(tǒng)的單排懸臂樁相比，雙排樁具有剛度大、側向位移小、施工便捷等優(yōu)勢，被廣泛運用于基坑空間較大，建筑紅線小且不適用于內(nèi)支撐而又對水平位移要求較為嚴格的工程［9-10］。

（2）將雙排樁后側樁基每隔1根樁基設置1根樁基，簡稱隔一樁，如圖2（b）所示。通過局部設置雙排樁形成一個局部加固區(qū)，其受力形式類似于樁板墻，雙排樁范圍可以看成樁基，單排樁范圍可以看成擋土板，通過這種方式增強單一單排樁的實用范圍。

（3）將雙排樁后側樁基每隔2根樁基設置2根樁基，簡稱隔二樁，如圖2（c）所示。通過理正深基坑計算時，冠梁除了將樁基連接成為一個整體外，還提供樁基一個很好的約束，這種約束作用與冠梁的計算跨度密切相關。 局部雙排樁與單排樁相比，局部雙排樁通過前后排樁之間的連系梁將局部前后排樁連接形成一個整體，給前排樁的冠梁提供一個受力支點，有利于減小前排樁冠梁的計算跨度，從而增強冠梁對樁基的約束力，達到優(yōu)化樁基受力特性和變形特性的目的。

2.2 模型建立

假定巖土體為非線性彈塑性體，采用D-P彈塑性模型，對于樁基、冠梁和連系梁采用彈性模型，如圖3所示。本工程還利用BIM軟件Bentley，在確定除既有建筑物一側的基坑設計方案時，起到了明顯作用，對于不同工況銜接以及土石方計算方面，BIM軟件都有著明顯優(yōu)勢。

模型的邊界尺寸對計算結果有一定程度的影響，為了降低有限元分析時的尺寸效應，采用鄭穎人建議的邊界范圍，如圖3（a）所示。樁基長度21.5 m，基坑計算深度取45.0 m（z方向），模型長度取88.0 m（x方向），縱向寬度取95.0 m（y方向）。為了便于后續(xù)描述，將靠近既有建筑物一側樁基進行編號，如圖3（b）所示，前排樁（靠基坑側）樁基編號是1號樁～4號樁，后排樁（靠既有建筑物側）樁基編號是5號樁～8號樁。

2.3 計算參數(shù)

在參考《工程地質手冊》下，根據(jù)地質勘察報告，羅列出數(shù)值模擬所需的地層和支護結構的力學參數(shù)，如表1所示。

2.4 計算工況

根據(jù)DBJ51 T5072-2011《成都地區(qū)基坑工程安全技術規(guī)范》中5.1.4條：基坑周邊超載和施工荷載及建筑物每層荷載，當無資料時，設計取值不小于15 kPa；通過計算，附加建筑荷載按照86 kPa考慮。

本文研究共分成4種工況，分別是：工況1（建筑物無地下室，基礎在地表并施加建筑荷載）、工況2（建筑物基礎埋深3 m并施加建筑荷載）、工況3（建筑物基礎埋深6 m并施加建筑荷載）和工況4（建筑物基礎埋深9 m并施加建筑荷載），如圖4所示。

3 計算結果分析

3.1 前排樁水平應力

圖4是前排樁在不同工況下的水平應力關系曲線圖。在基坑支護設計時，樁基主要承受水平荷載，水平應力是研究分析的重要指標之一。從圖5可以發(fā)現(xiàn)，局部雙排樁，即：隔一樁和隔二樁的前排樁水平應力明顯大于雙排樁，對于邊樁（1號樁和4號樁），局部雙排樁的水平應力約是雙排樁對應位置樁基的2倍，而對于中部區(qū)域樁基（2號樁和3號樁），局部雙排樁的水平應力約是雙排樁對應位置樁基的1.5倍。因此，從樁基配筋率角度出發(fā)，局部雙排樁的配筋率明顯高于雙排樁，有利于更好的發(fā)揮樁基的抗彎能力，實現(xiàn)節(jié)約投資的目的。

從圖5還可以發(fā)現(xiàn)，隨著既有建筑物地下室埋深的不斷增加，邊樁（1號樁和4號樁）的水平應力呈現(xiàn)出減小的趨勢，中部區(qū)域（2號樁和3號樁）的水平應力呈現(xiàn)增大的趨勢。說明隨著既有建筑物地下室埋深的不斷增加，由于既有地下室對主動土壓力有遮攔效應，引起了土壓力的重分布，中部區(qū)域樁基的水平應力出現(xiàn)了聚攏效應，而這種效應與工況密切相關，從圖5（b）和圖5（c）可以看出，對于局部雙排樁（隔一樁和隔二樁）隨著既有建筑物地下室基礎埋深的不斷增加，從工況1至工況3，水平應力變化幅度較大，從水平應力約180 kPa增大至約260 kPa，增大了約44%，而從工況3至工況4，水平應力基本無變化，工況3的地下室埋深是6 m，基坑與地下室近距是7.8 m，近距與地下室埋深相比大于1后，應力擴散影響較小，地下室基坑增加埋深對水平應力擴散影響就可以忽略不計。

3.2 后排樁水平應力

圖6是后排樁在不同工況下的水平應力關系曲線圖。從圖中可知， 局部雙排樁，即：隔一樁和隔二樁的邊樁（5號樁和8號樁）水平應力明顯大于雙排樁，局部雙排樁的水平應力約是雙排樁對應位置樁基的1.2倍，而對于中部區(qū)域樁基（6號樁和7號樁），局部雙排樁的水平應力明顯小于雙排樁，局部雙排樁的水平應力約是雙排樁對應位置樁基的0.7倍，說明后排樁水平應力變化規(guī)律與樁基的區(qū)域位置密切相關。

從圖6可以發(fā)現(xiàn)，隨著建筑物基坑埋深的不斷增加，即從工況1變化至工況4，樁基的水平應力基本呈現(xiàn)減小趨勢，其中從工況3變化至工況4時，水平應力降低明顯，邊樁降低幅度約20%，中部區(qū)域樁基降低幅度約180%，說明既有建筑物地下室埋深對后排樁的影響更明顯。分析發(fā)現(xiàn)，后排樁與既有地下室之間近距約3.1 m，工況4地下室埋深是9 m，本基坑深度是12 m，對于工況4而言，基坑與地下室之間高差是3 m，水平近距是3.1 m，近距與地下室埋深相比大于1，說明當擴散角度大于45°時，既有建筑物地下室荷載對基坑樁基的水平應力影響較小。

3.3 排樁樁頂水平位移

根據(jù)《成都地區(qū)基坑工程安全技術規(guī)范》可知，對于一級基坑，當采用懸臂式排樁支護時，樁頂最大水位不能超過0.003H和35 mm中的大值，其中H是基坑深度，計算可知本基坑的水平位移控制數(shù)值是35 mm。在進行二維設計時，當采用直徑1.2 m間距1.5 m單排樁計算時，配筋率較高，但能滿足配筋率要求，但樁頂水平位移達100 mm，嚴重超過限值，單排樁的適用性受到水平位移制約。而采用雙排樁計算時，樁頂水平位移約25 mm，能夠滿足位移限值要求，基于二維計算軟件，通過調(diào)整不同樁徑、樁間距，最終選擇比較合理的雙排樁支護方式，即樁徑Φ1.2 m，樁間距1.8 m，前后排樁間距2.5 m。因此，樁頂水平位移是評價基坑支護合理性的重要指標之一。

圖7是四排樁的樁頂水平位移關系曲線圖。其中第一個雙排樁是1號樁與5號樁的組合，第二個雙排樁是2號樁和6號樁的組合，第三個雙排樁是3號樁和7號樁的組合，第四個雙排樁是4號樁與8號樁的組合。通過計算結果可知，局部雙排樁（隔一樁和隔二樁）和雙排樁的樁頂最大水平均滿足小于35 mm的要求，說明通過對雙排樁進行局部優(yōu)化的處理方式，局部雙排樁能夠滿足位移控制要求，通過這種處理方式，在單排樁與雙排樁之間找到了更加經(jīng)濟的基坑支護方式。但目前二維軟件不能計算局部雙排樁，需借助有限元工具進行計算分析。

通過圖7可以發(fā)現(xiàn)，從工況1～工況4，樁頂最大水平位移出現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象，工況4（既有建筑物地下室基礎埋深9 m）時，樁頂最大水平位移最小，而工況2（既有建筑物地下室基坑埋深3 m）時，樁頂最大水平位移最大，說明樁基的最大水平位移并不是隨著既有建筑物地下室的埋深增加而線性減小，對于具體情況需進行單獨分析。

4 結束語

本文基于有限元軟件，以成都地區(qū)某卵石土地區(qū)基坑為例，以既有建筑物地下室不同埋深為研究變量，分析了局部雙排樁（隔一樁和隔二樁）和雙排樁共3種基坑支護形式的力學特性，得出結論：

（1）通過對樁基不同位置的水平應力進行分析發(fā)現(xiàn)，隨著既有建筑物地下室埋深增加，前后排樁表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律，其中前排樁的水平應力隨著地下室埋深增加而增大，而后排樁的水平應力隨著地下室埋深的增加而減小，變化幅度與基坑-地下室近距和地下室-基坑底部之間高差密切相關，水平近 距與高差相比之間的數(shù)值存在一個臨界值，當比 值大于1后，應力擴散影響較小，地下室基坑增加埋深對水平應力擴散影響就可以忽略不計。

（2）通過對樁頂最大水平位移進行研究分析，局部雙排樁（隔一樁和隔二樁）的樁頂最大水平位移滿足規(guī)范要求，在單排樁與雙排樁之間尋找到經(jīng)濟性更好的基坑支護形式，實現(xiàn)節(jié)約投資的目的。

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