深大基坑中不同刚度支护组合对深基坑变形影响分析

深大基坑中不同刚度支护组合对深基坑变形影响分析

程莹 张婵娟 高雨

中南勘察设计院集团有限公司

摘要：结合某邻近重要建（构）筑物的深基坑，分析周边环境，采用不同支护形式相结合的组合支护结构。利用大型有限元软件midasGTS/NX进行施工阶段分析，研究支护结构的变形受力情况，在满足安全的情况下，也能合理、经济的进行基坑的施工，对其他类似工程具有参考意义。

0 引言

随着城市地下空间的大规模建设，基坑工程紧临旧的建（构）筑物且越来越深、开挖面积也越来越大成为新的问题。

1、工程概况：

选取同一地质条件、开挖深度及支护桩完全相同的情况下，改变内支撑的支护形式，即“两道混凝土支撑”与“一道混凝土支撑一道锚索”进行计算对比，两个模型的第一道混凝土支撑标高、截面相同，第二道混凝土支撑通过改变成锚索，来分析采用桩-撑-锚共同作用的组合支护形式对基坑变形的影响。

建模过程中，土体所赋予的属性为莫尔-库伦本构，支撑、立柱桩、地下室结构等都是利用截面库中的尺寸进行直接定义，锚索利用了软件所特有的锚建模助手直接进行定义。

1.2.1 模型对比

桩+两道混凝土支撑与桩+一道混凝土支撑+一道锚索的模型如下图所示：

图1.2-1 计算模型

图1.2-2 开挖到基底（采用两道混凝土支撑）

图1.2-3 开挖到基底（采用一道混凝土支撑+一道锚索）

图1.2-4 拆换撑完成（采用两道混凝土支撑）

图1.2-5 拆换撑完成（采用一道混凝土支撑+一道锚索）

从图1.2-2~图1.2-5可以直接看出模型之间的区别，特别是对于拆换撑工况，对于图1.2-4要拆撑两道支撑，只能利用地下室楼板结构进行换撑，而图1.2-5由于有锚索的作用，因为仅考虑采用地下一层楼板进行换撑，仅从模型来看就可以节省施工时间，还可以节约成本。

1.2.2 计算结果对比分析

通过数值计算，得出基坑开挖到基底及拆换撑完成时整体模型的横向、竖向位移，基坑开挖到基底及拆换撑完成时工况下位移曲线图。整体模型的横向位移云图详见下列图：

图1.2-6 开挖到基底时整体水平位移云图（采用两道混凝土支撑）

图1.2-7 开挖到基底时整体竖向位移云图（采用两道混凝土支撑）

图1.2-8 拆换撑完成时整体水平位移云图（采用两道混凝土支撑）

图1.2-9 拆换撑完成时整体竖向位移云图（采用两道混凝土支撑）

图1.2-10 开挖到基底时整体水平位移云图（采用一道混凝土支撑+一道锚索）

图1.2-11 开挖到基底时整体竖向位移云图（采用一道混凝土支撑+一道锚索）

图1.2-12 拆换撑完成时整体水平位移云图（采用一道混凝土支撑+一道锚索）

图1.2-13 拆换撑完成时整体竖向位移云图（采用一道混凝土支撑+一道锚索）

如下图为两个模型在两个工况的支护桩的水平位移曲线图：

图1.2-14 开挖到底时支护桩的水平位移对比曲线图

图1.2-15 拆换撑完成时支护桩的水平位移对比曲线图

a) 两道混凝土支撑 b)一道混凝土支撑+一道锚索

图1.2-16 开挖到基底时支护桩的轴力图

从图1.2-15~图1.2-16可以看出，采用两道混凝土支撑与一道混凝土支撑+锚索的基坑支护，基坑开挖到基底到拆换撑完成，支护桩的水平位移变化趋势基本相同，但采用两道混凝土支撑的基坑中，在拆换撑工况，位移控制较好，采用撑-锚混合支撑的基坑在拆换撑工况，支护桩出现明显的“鼓肚”现场，位移不能得到较好的控制，由此可知，在实际基坑施工过程中，利用撑-锚混合支护的基坑，若监测得到的基坑变形较小，是否考虑增加换撑工况可根据实际情况及经验进行相应增加。

1.3本章小结

随着现在建筑行业的发展，越来越多的基坑相继出现，基坑周边环境也越来越复杂而且紧张，同一基坑中多种组合支护形式相继出现，在条件允许的情况下“桩-撑-锚”这种组合支护的形式也被运用的越来越普遍。“桩撑”支护形式运用于基坑变形要求较高、周边环境复杂的工程，确实能够保证基坑的整体刚度和稳定性，但它有着较多的缺点，如造价高、浪费、不环保，与现代经济发展所要求的不相符。锚索（杆）支护结构在基坑支护中，造价较低、环保，也能够有效地控制基坑顶部水平位移并减少地面土体沉降，但在一些基坑中单独使用可能对变形控制满足不了相关要求。因此，根据实际情况选取不同的支护组合形式进行支护，合理利用“桩-撑-锚”组合支护体系能更大限度地利用空间资源，减小支护结构与环境变形，由于拆除支撑减小，对环境污染减小，节约成本，也能更方便施工。

（1）基坑内土方全部挖到基底标高时基坑的整体水平位移达到最大，距基坑坑壁越来越远的土体，土体的水平位移值也越来越小，基坑开挖对周边的影响范围集中在约3倍以内的坑深范围，超过约3倍基坑开挖深度以外土体的水平位移趋于零。因此在基坑开挖至基底时应尽量避免基坑的暴露时间，及时施作地下室底板，避免发生较严重的安全事故。

（2）在基坑开挖施工过程中，应特别注意加强围护墙体的支护强度及土体变形的监测，以防止整个支护结构的破坏。

（3）当采用不同刚度的组合支护形式时，因应采取相应措施加强刚度较弱一方的支护刚度，增强其连续性，使交界处达到变形协调一致。

（4）经有限元分析计算，锚索与支撑在变刚度处重合时，能有效的控制支护桩的受力变形。桩撑与桩锚共用的基坑支护中，两种不同刚度间距的变化对支护桩的水平位移有较大的影响，在控制支护桩变形安全的前提下，增大锚索与支撑间距在实际施工中能有效控制成本。锚索与支撑间距的大小，需要后期更多的工程实践与监测数据来进行验证，在保证安全的前提下尽量节约成本。

（5）采用撑-锚混合支护基坑中，在基坑整个运行过程中都能较好的控制基坑变形，拆换撑工况中利用锚索的作用不另做换撑情况时，应加强监测，若监测得到的基坑变形较小，是否考虑增加换撑工况可根据实际情况及经验进行相应增加。

（6）撑-锚组合支护的基坑中，混凝土支撑的刚度远大于锚索的刚度，这样前者能有效的限制桩身剪力、弯矩的增大，说明利用混凝土支撑能更有效的控制基坑的变形。因此在水文地质条件差、开挖深度深、周边环境复杂的基坑中，要求对周边环境变形控制要求较高时，建议采用混凝土内支撑这样的竖向支撑体系。