砂卵石地层深基坑支护结构变形规律研究

梁飞龙

中交（广州）铁道设计研究院有限公司 广州 510000

摘要：本文以成都地铁17号线明挖深基坑为例，研究了砂卵石地层深基坑支护结构的变形规律。通过将模拟结果与现场监测数据对比分析，验证了有限元软件PLAXIS模拟基坑支护结构的有效性与合理性，揭示了支护结构在砂卵石地层中独有的变形特征。研究结果表明：在砂卵石地层中进行深基坑开挖时，中密砂卵石地层以上支护结构的变形较大，下部密实砂卵石地层中的支护结构变形较小，且变形速率明显增大；当基坑开挖至密实砂卵石地层时，支护结构的最大弯矩值却依然处于中密砂卵石地层中，支护结构受到的被动土压力也明显增大。该研究成果可为砂卵石地层深基坑支护结构设计提供理论依据与实践经验。

关键字：砂卵石地层； 支护结构； 现场监测；数值模拟

1引言

为了缓解用地和交通带来的压力，高层建筑与地铁的建设已成为必然趋势，随之而来的深基坑工程也越来越多。每个城市都有其独特的地形地貌，在不同的地层中进行深基坑开挖时，支护结构的变形规律不尽相同。对于我国的软土地区，对基坑支护结构的变形理论研究较为丰富，高文华[1]采用Mindlin厚板理论建立三维模型分析各因素对软土地层中支护结构变形时空效应的影响；杨帆[2]采用FLAC数值计算方法建立模型分析了软土地区深基坑结构的变形特征。林迪斯[3]借助Midas-GTS NX有限元软件建立三维数值模型对富水软土地层深基坑的变形和稳定性进行研究。但对于成都砂卵石地层基坑，相关变形研究较少，对基坑支护结构变形规律的认识不够。本文以成都轨道交通17号线明九明挖区间基坑为例，通过数值模拟结果与现场实际监测对比分析，得出砂卵石地层深基坑开挖过程中支护结构的变形规律。

2工程概况

明光站～九江北站区间明挖段起止里程为RCK0+092.770～RCK1+050.000(后简称明九明挖区间)。明九明挖区间沿成新蒲快速路由西向东布设，全长947.155m，宽24.2m，开挖深度为17.5m～26.2m，设计为五桐庙停车场出入线和远期17号线二期预留并行区间。基坑北侧临近成蒲铁路，南侧主要为绿地，区间小里程端头设盾构吊出井，大里程端头与九江北站连接。

3结构类型

明九明挖区间基坑采用明挖法施工，围护结构采用Φ1200@2200钻孔灌注桩和钢支撑，桩间土采用悬挂式网喷混凝土支护。桩顶用1200×1200 的冠梁连接；在基坑开挖过程中，及时架设钢支撑，钢支撑采用Φ609×16 mm钢管，共设置三至四道钢支撑，第一道支撑水平间距6 m，第二道至第四道钢支撑水平间距3m。明九明挖区间的典型剖面如图1所示。

图1 明九明挖区间剖面图

4PLAXIS有限元分析

4.1 模型建立

以明九明挖区间5-5剖面南侧基坑为主要研究对象，土体参数取自岩土工程勘察报告，地层特性及分层厚度取自编号为M17Z3-FJ-105钻孔岩心编录，该地质钻孔位于明九明挖区间5-5剖面。由于基坑开挖过程中已完成基坑降水，故数值模拟忽略了地下水的贡献。由于地层上部的素填土、黏土等居多，因此通过界面强度折减因子Rinter对相应土体的粘聚力和内摩擦角进行折减，以此来优化结构与相邻土体间的受力[4]。有限元模型选取的主要物理力学参数如表1所示。

表1 土层的主要物理力学参数

明九明挖区间5-5剖面采用4道钢支撑。考虑到基坑南侧边缘随机发生车辆行驶动载、施工堆载等因素，故在 平面上预加15kN均布荷载。所有的土层各向同性且都为弹塑性材料，土层单元都服从Mohr-Coulomb准则，假设每一层土层都是水平的；采用板单元模拟钻孔灌注桩，该材料选择弹性模型分析；钢支撑采用弹性单元来模拟。有限元模型如图2所示。

图2 有限元模型

4.2 数值模拟结果分析

数值模型、边界、初始水压、基坑场地应力场等初始条件设置完成后，利用PLAXIS有限元软件模拟基坑开挖的过程。通过数值模拟，可以动态模拟基坑支护结构不是时期的受力力和变形情况[5]。

选取基坑开挖见底时进行数值分析。根据变形云图3中的水平位移显示，数值模拟结果符合基坑变形的一般规律，证明了定性分析的结果是可信的。该图像显示，当基坑开挖完成时，支护结构上部水平位移较大，密实砂卵石地层中水平位移较小，且围护桩变形迅速变小。这与一般地质条件下基坑支护结构的变形规律有一定差异。

图3 基坑开挖至基底时水平方向变形云图

5现场监测与数值模拟分析

为实际监测排支护结构的水平位移，采用CX系列测斜仪以及配套PVC测斜管，监测精度可达到±2mm/30m，如图4所示。

图4 CX型测斜仪

监测点布设在围护桩内，每15m布置一个测斜仪监测点，监测深度为24～27m。通过对监测点（CX17-2）处的监测数据分析，发现基坑开挖过程中支护结构的水平位移在发生不断变化。图5显示了在逐步开挖过程中支护结构的变形情况。

图5 CX17-2监测点处支护结构的水平位移

图5为CX17-2测斜监测点处支护结构的水平位移变化曲线。由上图可知，在开挖初期，支护结构的最大位移值位于支护结构顶部。该段结构出现了明显变形并向基坑内倾斜。当第一道钢支撑架设完成后，顶部的位移被有效抑制，并且最大位移逐渐向下移动。随着砂卵石地层中开挖深度的增加，支护结构变形规律出现了独有的特点。主要表现为开挖过程中的最大位移接近于稍密砂卵石与中密砂卵石的分界面，支护结构的位移主要集中在中密砂卵石及其以上地层中，下部密实砂卵石地层中的位移较小，且变化速率快。

图6 支护结构的水平位移

图6是通过有限元软件分析得出的支护结构水平位移随开挖深度变化图。由上图可知，在密实砂卵石地层中，水平位移变化速率较快，表明在密实砂卵石地层中开挖相对稳定，位移较小。通过对比数值模拟结果与现场实测数据发现，两者有较好的一致性，表明该数值模拟结果计算有效，能够反映现场基坑围护结构的变形状况。同时也发现数值模拟结果较之现场实测数据的变化更加平滑，造成这种现象的原因是实际开挖过程中，由于各种动荷载的存在，基坑周围的荷载分布是不定的。且开挖过程中存在预留反压土与超挖的现象[6]。

中密砂卵石层

图7 基坑开挖深度对支护结构弯矩的影响

图7是通过有限元软件分析得出的基坑开挖深度对支护结构弯矩的影响，由上图可知，在基坑开挖初期，支护结构的弯矩值较小，随着砂卵石地层中开挖深度的增加，支护结构弯矩的最大值也不断下移和增大。但当开挖至密实砂卵石地层时，支护结构的弯矩增大却没有明显下移，而是继续处于中密砂卵石地层中，与此同时，支护结构受到的被动土压力明显增大，支护结构趋于稳定。

6结论

通过对砂卵石地层基坑开挖过程中支护结构的水平位移和受力进行分析，研究表明，在成都特有的砂卵石地层条件下，深基坑支护结构的变形规律反映了出明显特点，有别于一般地质条件下基坑支护结构的变形特性。主要得出以下结论：

（1）PLAXIS有限元软件能较好的模拟深基坑的开挖过程。所得的支护结构水平位移曲线与现场实际监测值较为吻合，说明该软件具有较高的可靠性、直观性。

（2）在砂卵石地层中进行基坑开挖时，中密砂卵石以上支护结构的变形大，下部密实砂卵石地层中的支护结构变形较小，且变化速率明显增大。

（3）借助PLAXIS有限元软件模拟基坑开挖过程中支护结构的弯矩变化时发现，密实砂卵石地层能够提供较大的被动土压力，使得基坑开挖至密实砂卵石地层时，最大弯矩值依然处在中密砂卵石地层中。其中砂卵石地层岩性的变化是造成这种现象的主要原因之一。因此，在类似工程设计及施工过程中，应适当考虑密实砂卵石的稳定性。

参考文献

[1] 高文华, 杨林德, 沈蒲生. 软土深基坑支护结构内力与变形时空效应的影响因素分析[J]. 土木工程学报, 2001, 34(5):90-96.

[2] 杨帆. 滨海软土地层深基坑支护设计及其变形规律研究[D].西安科技大学,2019.

[3] 林迪斯. 富水软土地层地铁车站深基坑降水开挖支护稳定性研究[D].北京交通大学,2019

[4] Roboski J, Finno R J. Distributions of ground movements parallel to deep excavations in clay [J]. Canadian Geotechnical Journal, 2006, 43(1):43-58.

[5] Yao A J ,Zhang X D ,Zou X J .Study on the Deformation of Supporting Structure for Foundation Pit in Strata with Rock-Soil Combination[J]. Advanced Materials Research, 2012, 446-449:1797-1803.

[6] 黄珏皓, 陈健, 柯文汇,等. 基于时间效应理论的软土深基坑变形分析[J]. 长江科学院院报, 2017, 34(5):75-80.