支护结构对基坑变形影响数值模拟研究

支护结构对基坑变形影响数值模拟研究

胡永祥

盐城市交通投资建设控股集团有限公司  江苏盐城 224000

摘要：为分析支护结构对基坑变形的影响，以盐城市铁路综合客运枢纽基坑工程为依托，采用ABAQUS有限元数值计算软件进行分析，建立了考虑施工过程的三维有限元模型，研究了基坑开挖过程中的变形响应特征，以及不同锚索预应力对基坑变形的影响，研究结果可为未来的相似工程提供参考。

关键词  深基坑；有限元分析；水平位移；地表沉降

前言

随着我国城市化进程的不断推进，深大基坑工程发展迅速，因其开挖过程中对周围土体造成的扰动，常常产生坑底隆起，地表沉降等相关问题。这些问题轻则对周边结构及地下管线等建筑的稳定性产生负面影响，重则造成严重的工程事故，因此针对基坑围护结构的变形与稳定性展开研究具有重要的现实意义。

5

1工程概况

盐城市铁路综合客运枢纽深基坑工程位于新建盐通铁路盐城车站西侧、范公路东侧、世纪大道北侧、东进路南侧。基坑顶长368.5m，平均顶宽121.5m，基底面积约44800m2，基坑普遍区域开挖深度9.5m，最大挖深11.3m，安全等级为Ⅱ级。基坑支护设计选取浅层放坡与深层三轴水泥土搅 拌桩内插SPR-450×600（250）@900预应力高强混凝土支护桩结合，浅层打入土钉，深层竖向设置1-2道大直径旋喷锚索黏土、黏质粉土、粉砂及黏土组成，地下潜水位于第二层与第四层土体中间。

2数值分析

2.1模型的建立

本文基于ABAQUS有限元模拟软件，考虑对称性的影响，对实际工程选取1/2基坑平面及其影响范围进行二维分析。为消除边界效应，参考郑金伙等研究，模型侧向边界到基坑顶部距离需大于3倍的基坑深度；在竖向上，支护桩桩端到模型底部距离需要大于5倍的支护桩桩径。故综合考虑以上因素，计算模型长度选取75m，宽度选取75m，总计包括13764个节点和13522个单元。模型两侧约束横向位移，模型底部固定约束。

1.2水文地质条件

根据地勘报告可知，拟建场地位于苏北滨海平原区，地层主要由第四系全新统海积层（Q4m ），第四系全新统人工堆积层（Q4ml ）成因的素填土、粉质黏土、淤泥质粉质根据工程地质纵断面图，模型土体主要由素填土和 黏土组成， 自上而下分为14层，支护桩，锚杆，土钉，底板皆为线弹性材料，不考虑塑性变形，各材料属性如表1 所示，地层参数如表2 所示。

表1模型材料参数

表2模型土体参数

2.2模型分析步骤

根据工程实际，对基坑进行分层开挖，分别在埋深3.5m和7m处打入预应力锚索。参考实际施工顺序，分析步骤设置如下：

（1）建立计算模型，对模型进行地应力平衡；

（2）开挖基坑第一层土体，开挖深度为3m。在放坡表面喷射混凝土面层，同时间隔1m依次打入5根土钉；

（3）开挖基坑第二层土体，开挖深度为7.2m，在 深度3.5m土体中打入第一根预应力锚索；

（4）开挖基坑第三层土体，开挖深度为9.5m，在 深度7m土体中打入第二根预应力锚索，同时在基坑底部设置底板。

3数值模拟结果分析

3.1与实际工程监测数据对比分析

数值模拟与现场监测得到的基坑顶部水平位移随施工进度变化曲线如图1所示。可以看出，本文模拟所得到的坑顶水平位移大小与变化趋势均与现场监测所得相一致；此外现场监测得到坑顶最大水平位移为33mm，而本文计算结果为37mm，两者大小接近，说明本文建立的计算分析模型较为准确。

图1  模拟结果与检测结果对比图（自绘）

3.2基坑变形分析

基坑开挖会造成基坑底部土体的隆起，随着开挖深度的增加，基坑底部土体隆起程度逐渐增大，在开挖完成后坑底最大隆起量为120mm；同时基坑开挖过程中竖向位移主要控制于基坑范围内，周围土体位移较小，说明该支护结构可以有效地控制基坑开挖对周围土体造成的扰动。基坑开挖对地表沉降的影响主要集中于距基坑外边缘14m范围内的区域。该区域内地表沉降呈现近似抛物线的变化，最大沉降量为18mm。随着距基坑外边缘距离的继续增加，地表沉降量逐渐减少，最后趋于平缓。

由图2可知，桩身沿埋深方向侧向位移曲线呈近似

抛物线变化，桩身最大侧向位移为67mm。在预应力锚索埋置处，深度3.5m位置，存在桩身侧向位移突变点，减少了桩身的侧向位移，据此可以判断预应力锚索的设置可以有效的控制基坑支护结构的侧向位移。

图2  基坑支护桩侧向位移图（自绘）

3.3不同锚索预应力大小对基坑稳定性影响

根据上述分析结果可知，预应力锚索的施加可以有效控制基坑支护结构的变形。因此，该部分研究基于预应力锚索支护结构，探讨预应力锚索的不同预应力水平（310MPa，410MPa，520MPa，620MPa）对基坑地表沉降及桩身侧向位移的影响规律。基坑顶部地表沉降曲线随距离基坑支护结构距离的增大，呈现先增大后减少最后趋于平稳的近似抛物线的变化趋势。在不同预应力大小锚索作用下，地表沉降变化曲线变形规律大体一致，随着预应力的增加，地表最大沉降量由18.85mm降至17.64mm。

由图3可知，桩身侧向位移随桩身深度的增加，呈现近似抛物线的变化规律。在不同应力锚索作用下，桩身侧向位移曲线变形规律大体相似，随着锚索预应力大小的增加，桩身最大侧向位移由68.84mm降至62.71mm。

图3 不同锚索预应力下基坑支护桩侧向位移图（自绘）

4结论

（1）基坑的开挖会造成基坑底部土体的隆起，随着开挖深度的增加，坑底土体隆起量逐渐增大。

（2）在基坑开挖过程中，地表沉降变化曲线沿基坑外 边缘方向呈近似抛物线变化，最大沉降为18mm；支护桩 桩身沿埋深方向侧向位移曲线呈近似抛物线变化， 在预应力锚索作用处存在侧向位移突变点。

（3）增加钢筋预应力可以有效地提高基坑的稳定性，随着预应力的增大，基坑周围地表沉降与支护桩侧向位移逐渐减小；不同锚索预应力下基坑表面最大沉降变化幅度约为1.21mm，而桩身最大侧向位移变化幅度约为6.13mm。

参考文献

[1] 刘映晶,陈锦剑,王建华等.逆作土方通道式施工工艺对基坑变形的影

响[J].上海交通大学学报,2012,46(01):89-93.

[2] 王卫东,郑筱彦,白明洲等.城市深大基坑施工安全风险多因素耦合作用机理分析[J].公路,2022,67(03):361-366.

[3] 李海涛,任光明,沈国卓等.复杂环境下多种组合支护深基坑的变形控制及响应研究[J].成都理工大学学报(自然科学版),2023,50(06):744-755.

[4] 郑金伙,沈铭龙,刘阳辉.长短桩组合支护在深厚软土基坑中的应用研究[J].水文地质工程地质,2024,51(01):102-110.

5