深基坑桩撑支护轴力研究

伏圣岗

中铁建工集团山东有限公司 山东省青岛市 266109

【摘要】本文针对某一工程深基坑，通过FLAC^3D数值模拟研究施工过程中的支护结构变形和基坑沉降问题，侧重分析钢支撑内力在不同的弹性模量、粘聚力和内摩擦角取值的情况下的变化规律和趋势。得出有益结论：各土层参数对支护结构的内力影响程度不同，钢支撑内力受到粘聚力变化影响大，为深基坑支护方式的选用提供了参考建议。

关键词：深基坑；桩撑支护；土层参数；FLAC^3D

0引言

为了避免产生对周边的环境影响，深基坑支护方案的深化以及优化设计是关键重点。桩撑支护具有成本低，支护效果好，安全性好的优点。本文采用FLAC3D数值模拟分析该基坑采用桩撑支护的开挖、支护等施工过程中的结构变形和土层沉降问题，重点分析土层参数(弹性模量、粘聚力和内摩擦角)在不同取值时，钢支撑内力的变化范围和趋势，为以后的研究及现场施工支护的选择提供可供参考的研究资料。

1.模型建立与施工方案

1.1实际工况

某一实际工程基坑深度17.5m，宽度18.9m，变形控制保护等级为一级。该工程的土层设计参数如表1所示。

表1 土层设计参数一览表

1.2 计算模型

通过数值模拟软件FLAC3D建立计算模型，基坑的具体取值范围为：宽度取0≤ x≤160m；基坑长度取0≤ y≤40m；基坑的竖直沉降方向取0≤z≤60m。不均匀随机性的荷载，模型中统一采用20kN .m。

图1 计算模型

1.3 桩撑支护

开挖工况：第一步开挖深度2.9m，并在第一道围檩上，距离基坑顶部1.9m处施做钢管内支撑，水平间距6m。第二步开挖深度9.3m，第一道和第二道钢管支撑竖向间距6.6m，水平间距3m。第三步开挖深度13.8m，第二道钢管支撑和预应力锚杆竖向间距4.5m，水平间距1.7m。第四步开挖至基坑底部，深度17.5m。施做主体结构后，在9.95m处施做刚性铰，拆除第二道支撑。第五步在3.8m处施做刚性铰，拆除第一道支撑。

2 支护轴力的分析

在不同的应力状态下，土层的强度呈各向异性趋势，表现出不同的强度特性；而在实际工程中，由于勘察时间和施工时间的不同，致使土层参数的具体数值很难精确获取。通过弹性模量、内摩擦角和粘聚力的变化，钢支撑内力对土层参数变化敏感性，为类似工程提供借鉴。

图2 支撑内力最大值变化曲线

根据图2(a)得出如下结论：弹性模量取0.1E和0.2E时，钢支撑内力最大值出现在开挖初期，对钢支撑内力要求高；弹性模量取E、2E、5E时，在开挖完成时达到最大值，通过以上分析可知，硬土层中随着开挖深度的增加，对土体扰动和钢支撑系统内力的影响越大。

根据图2(b)得出：在粘聚力取值为0.1C、0.2C 时，在开挖第2步工况时迅速增加，在后续工况中内力又呈现减少趋势。通过对比现场实际状况，在第2工况下钢支撑已经达到承载能力极限值。粘聚力分别取0.4C、0.8C、1.8C、4C 时，钢支撑内力和粘聚力呈比，粘聚力和开挖深度呈正比，达到临界深度后趋于稳定。

根据图2(c)可以得：随着工况的逐步推进，钢支撑内力也逐渐增大。当土层内摩擦角为10°的时候，第3、4工况的钢支撑内力呈指数型增加，其最大值为2034.60kN，而且最大值明显高出其他情况，小于设计值2943.26kN。内摩擦角在取其他值时，钢支撑内力与内摩擦角呈正比关系。

【结语】

本文运用FLAC3D数值模拟软件，结合实际工程土层参数，对粘聚力、弹性模量以及内摩擦角取不同数值情况下，分析阐述其对钢支撑内力和锚索轴力的影响变化规律。通过以上数值模拟研究得出以下结论，土层参数（粘聚力、内摩擦角和弹性模量）对钢支撑内力和锚索轴力的影响作用逐渐变小，即：粘聚力变化>弹性模量变化>内摩擦角变化。

【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]崔宏环,张立群. 深基坑开挖中双排桩支护的的三维有限元模拟[J]. 岩石力学2006, 27(4): 662-667

[3]叶丹、丁春林、侯剑锋等. 地铁深基坑逆作施工的数值模拟与实测分析[J]. 华东交通大学学报, 2009, 26(4): 13-17

[4]李涛,王昕鹏,陈慧娴,杨成淳. 钢支撑对盾构竖井深基坑围护桩体变形规律的影响[J].河南科技大学学报(自然科学版), 2015, 36(2): 74-77+82

[5]胡晓飞. 多支点桩锚计算方法的研究与应用[D]. 厦门: 华侨大学, 2010

[6]吕乾乾. 地铁盾构隧道同步注浆施工对地层沉降影响的预测分析[D]. 天津: 天津大学, 2012

[7]丁军霞,冯卫星,杜学玲. 盾构隧道管片衬砌内力及变形的影响因素分析[J]. 石家庄铁道学院学报, 2004, 17(3): 75-79.

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