悬臂式支护弧形基坑变形特性监测与数值分析

摘要：以某中心位置邻近建筑环境下悬臂式支护弧形基坑工程为背景，采用有限元软件MIDAS/GTS对悬臂式排桩支护结构的变形特性进行了系统的三维数值分析。通过与支护结构的侧向位移实测数据进行对比分析，表明已建立的三维数值计算模型是合理可行的。并进一步分析了弧形基坑悬臂式支护结构的变形与应力特性，以及基坑开挖影响范围内的地表沉降特性。研究结果表明：弧形基坑外弧支护结构的变形较内弧小，外弧支护结构的支护能力优于内弧；外弧支护结构的主应力值较内弧小，外弧支护结构的受力较内弧合理，支护结构的材料强度得到了充分利用；外弧基坑地表沉降较内弧小，外弧基坑地表沉降的控制优于内弧。

关键词：基坑支护；监控量测；数值计算；变形控制 文献标识码：A 中图分类号：TU473

文章编号：2096-4137（2018）10-040-04 DOI：10.13535/j.cnki.10-1507/n.2018.10.13

随着我国国民经济及城市建设的飞速发展，基坑工程逐渐成为城市建设的主要工程之一。然而，受工程所在地的水文地质条件、周边建筑及支护结构设计等因素的制约，基坑的平面几何形状呈多样化。由于弧形基坑水平拱形支护结构所受的四周土压力大部分可以在结构内部平衡，能够充分发挥结构的支护作用，因而得到了广泛的应用 。

针对圆形或类圆形支护结构，不少研究者进行了较为深入的研究。如利用有限元分析方法或现场监控量测对圆形或类圆形基坑支护结构的受力与变形特性进行分析研究，结果表明：圆形或类圆形基坑的空间效应对支护结构的受力与变形是有利的，并且具有显著的经济效益和工程应用价值。基于弧形支护结构的优良特性，刘毅等还提出了一种弧形排列抗滑桩，并取得卓有成效的研究。如孔德森等利用数值分析方法对深基坑悬臂式倾斜支护桩的变形与受力规律进行了深入研究，结果表明：悬臂式倾斜支护桩的抗倾覆能力优于传统直桩，受力更加合理。除此之外，罗战友 、廖孙静等采用有限元分析方法，分析了坑内土体的加固深度及程度对悬臂式支护结构变形及内力的影响。吴海杭采用有限元分析方法对h型双排桩的不同悬臂长度下的桩身内力及变形进行了研究。闾成德采用二维有限元方法对不同开挖宽度与深度比条件下悬臂式无支撑板桩结构的变形特性进行了分析。

在工程实践中受施工费用及工期的限制，若基坑的开挖深度不大于5m，则常采用悬臂式支护结构。但以往的研究表明，这种结构存在易造成侧向位移过大的缺点。为此，若将悬臂式排桩支护结构按弧形布置，各桩桩顶用冠梁连接，形成一种弧形排列悬臂桩支护结构，则可以应用到基坑支护工程中。本文以广州市某弧形基坑为工程实例，结合现场监测与有限元分析方法，分析邻近建筑环境下基坑悬臂式支护结构的变形与应力特性，以及地表沉降特性，为今后类似的基坑工程提供参考。

1 工程概况

1.1 工程简介

拟建基坑工程原场地为排污渠道，因河道淤塞，两侧支护结构残缺破旧，现要进行改造。为保证施工期间周边建筑安全，拟在旱季回填原河段，并在施作支护结构后挖方進行暗涵施工。紧邻基坑周边有2栋居民楼，北侧高7层，南侧高6层，距离基坑5～6m，且基坑周边邻近学校，施工风险较大，需要实施监控量测。基坑开挖深度为设计标高以下约5.2m，宽度为9m，采用明挖法施工。支护结构采用Φ1000mm@1600mm钻孔灌注桩+冠梁，桩长12m，桩身混凝土强度等级为C30。图1为基坑平面布置图。标准段基坑横剖面见图2。

1.2 工程地质及水文条件

根据地质勘查报告，场地土层由人工填土（）、第四系上更新统冲积层（），下部为第三系新余群（）基岩构成。按地层岩性及工程特性，自上而下依次划分为：①杂填土；②淤泥；③细砂；④粗砂；⑤砾砂；⑥强风化泥质粉砂岩；⑦中风化泥质粉砂岩。场地各土层的组成及物理力学指标见表1。工程所在地为中亚热带暖湿季风气候区，秋季凉爽少雨。地下水静止水位为-2.5m，随季节性变化，一般变化幅度在0.50～1.00m。

2 现场监测

2.1 监测方案

本方案共布置了6个桩身侧向位移监测孔CX1～CX6，其中基坑南北两侧各3个监测孔，每个监测孔以竖向0.5m作为监测间距。监测孔布置详见图3，将测斜管绑扎在钢筋笼内，成孔如图4所示。在测斜管的位置附近布置6条测线，每条测线上相隔3～5m布置1个测点，每条测线各布置3个测点，对基坑外地表沉降进行监测。在2栋距离最近的建筑物邻基坑一侧的柱上各布置4条测线，对建筑物沉降与倾斜进行监测。主要施工监测控制标准满足《建筑基坑工程监测技术规范》（GB50497-2009）的要求，见表2。

2.2 监测结果分析

地表沉降监测结果表明：基坑内弧CX4与CX6监测线地表沉降最大，其中CX4监测线地表收敛沉降为8.0mm，CX6监测线地表收敛沉降为7.5mm，均未超过报警值2‰L。基坑北侧建筑基础的最大沉降为2.0mm；建筑物整体倾斜为4.0mm，未超过报警值2.5‰H。南侧建筑基础的最大沉降为1.5mm；建筑物整体倾斜为3.5mm，未超过报警值2.5‰H。基坑中心位置CX2与CX5的桩身侧向位移随时间的变化曲线见图5。

从图5可以看出，CX2、CX5的最大位移均小于12mm，两者累计变形值远小于报警值30mm，变形速率小于3mm/d，表明桩身侧向位移变化小，该支护结构合理。随着时间的推移，桩身侧向位移逐渐变大达到峰值，之后逐渐减小趋于稳定，说明侧向土压力在支护结构作用下由静止土压力变化到主动土压力。并且悬臂式支护结构随时间的水平位移曲线呈前倾状态。CX2桩身侧向位移差异性较大，究其原因，一是测斜管位置受施工干扰的影响较大，二是测斜管顶端受监测误差的影响。受现场施工干扰及监测环境的影响，基坑端部位置预埋的测斜管因被损坏或变形严重以致无法使用，缺少基坑端部位置支护结构的侧向位移监测数据，故结合数值模拟手段对弧形基坑的变形特性进行综合分析。

3 数值模拟

3.1 计算模型的建立

考虑到弧形基坑的空间效应，建立三维非线性有限元模型。该计算模型尺寸为X方向长120m，Y方向120m，Z方向30m，如图6（a）所示。计算模型设置Z方向为重力方向，对模型底部进行固定约束，X方向、Y方向均施加水平约束，Z方向为自由边界。岩土体采用实体单元进行模拟，建筑物桩、柱采用梁单元模拟，楼板采用板单元模拟，将支护结构等效成地连墙采用板单元模拟。土体单元采用修正Mohr-Coulomb本构模型，该模型采用标准排水三轴试验中的割线模量、主固结仪加载中的切线模量、卸载/重新加载模量来模拟土体的卸载特性。建筑物主体结构及基坑支护结构采用线弹性模型。支护结构与土体之间不设置接触，应用激活与钝化模拟结构和基坑开挖施工过程。

3.2 计算参数的确定

计算模型采用的各土层物理力学参数见表1。支护结构及建筑物主体结构的重度为25kN∙m，弹性模量为28GPa，泊松比为0.2。建筑物楼板厚度为0.1m，矩形截面柱的尺寸为0.5m×0.4m，桩基截面为直径1m的实心圆形。计算过程中只考虑建筑物上部结构刚度的影响，不考虑上部结构的重度影响，将上部结构的恒载与活载换算成集中力作用在桩基上，将支护结构按抗弯刚度相等的原则等价为一定厚度的壁式地连墙，如图6（b）所示。

设钻孔灌注桩直径为D，桩的净距为t，则单根桩等价为长度的地连墙，换算公式如下：

桩直径m，桩净距m，代入公式（1）后，等效成地连墙的厚度m，并将钢筋砼等效成线弹性材料。

3.3 计算模型的可行性分析

图7给出了弧形基坑中部监测点CX2与CX5桩身位移计算值与实测最大值的对比关系。从图中可知：计算值与实测最大值的变化趋势基本上是一致的；CX2的计算值整体上较实测最大值小，CX5的计算值与实测最大值较为吻合。这表明本文所建立的三维基坑数值计算模型是合理可行的。

4 计算结果分析

4.1 支护结构变形与应力分析

图8为弧形基坑支护结构的侧向位移云图。从图中可知：弧形基坑外弧支护结构的最大侧向位移为13.8mm，内弧的最大侧向位移为18.0mm，远小于报警值，均出现在基坑的端部位置。越靠近弧形基坑中心位置，支护结构的侧向位移越趋于减小；基坑同一剖面处外弧支护结构的侧向位移比内弧小30%左右。其原因是邻近弧形基坑中心位置的既有建筑物桩基础能够约束周边部分土体的深层水平位移，对弧形基坑支护结构的变形造成了较大的影响，导致支护结构的最大侧向位移发生在端部位置。因为弧形基坑外弧支护结构周围所受土压力更容易在结构内部平衡，发挥出了拱形结构的优良特性，所以外弧支护结构的变形值小于内弧，外弧较内弧的变形控制更具有优势。

图9为弧形基坑支护结构的主应力云图。从图中可知：最大主应力的极值为8.70MPa，出现在弧形基坑外弧支护结构的端部位置；最小主应力的极值为-9.48MPa，同樣出现在弧形基坑外弧支护结构的端部位置。越靠近弧形基坑中心位置，支护结构的最大主应力值和最小主应力值越趋于减小；除弧形基坑端部位置以外，外弧支护结构的最大主应力值和最小主应力值均小于内弧。由此可见，这种弧形排列悬臂桩支护结构的外弧较内弧受力更加合理，可以充分发挥支护结构的材料强度。

4.2 地表沉降分析

图10给出了弧形基坑开挖影响范围内的地表竖向位移云图。从图中可知：基坑开挖底部竖向位移最大值为16.8mm，地表竖向位移最大值为-6.2mm。最大地表沉降出现在基坑端部，越靠近基坑中部，地表沉降越趋于减小。其原因是邻近弧形基坑中心位置的既有建筑物桩基对周边部分土体深层水平位移具有约束作用，导致弧形基坑中心位置的地表沉降显著减小。并且基坑同一剖面处外弧的地表沉降较内弧小0.5～1倍，表明弧形基坑外弧地表沉降的控制优于内弧。

5 结语

本文结合工程实例，深入研究了邻近基坑中心位置既有建筑物桩基约束周边部分土体深层水平位移的条件下，弧形基坑悬臂排桩支护结构的变形与受力、地表沉降的规律，得到的主要结论如下：

（1）悬臂式支护结构的最大侧向位移发生在弧形基坑的端部，越靠近基坑的中心位置，支护结构的侧向位移越趋于减小；基坑同一剖面处外弧支护结构的侧向位移较内弧小，外弧对基坑变形的控制较内弧更具有优势。

（2）悬臂式支护结构的最大主应力与最小主应力值均出现在弧形基坑的端部，越靠近基坑的中心位置，主应力值越趋于减小；除端部位置以外，外弧支护结构的主应力值小于内弧，外弧支护结构较内弧的受力更加合理，能够充分发挥支护结构的材料强度。

（3）悬臂式支护弧形基坑地表沉降最大值出现在基坑端部，越靠近基坑中部，地表沉降越趋于减小；基坑同一剖面处外弧的地表沉降较内弧小，外弧对地表沉降的控制优于内弧。

参考文献

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（责任编辑：吕 杰）