基坑开挖中影响围护结构水平位移的主要因素研究

基坑工程中影响围护结构水平位移的主要因素研究摘要：通过对盘锦某基坑工程开挖过程进行了三维数值模拟，分析了基坑开挖过程中围护结构变形的空间分布，并对影响围护结构变形的主要因素进行了分别的分析与研究，其中所研究的主要因素包括围护结构刚度、支撑刚度、冠粱和腰梁、支撑高度及层数、支撑水平间距等。得出了不同的因素对围护结构变形的影响特征。关键词：基坑开挖;围护结构变形;数值模拟随着我国城市建设的发展，人们对地下空间的开发和利用的需求日益增多，城市基坑工程的数量、规模及复杂程度都在逐渐增加。市区内的基坑工程往往施工场地狭小，周围环境条件复杂，如何控制围护结构的变形保证周围建(构)筑物的安全和正常使用是基坑设计的主要内容。基坑开挖中影响围护结构水平位移的主要因素研究，可以在设计中有重点的进行优化，进而保护围护结构及周边环境的安全。基坑变形包括围护结构的变形，基坑周围地层变位和坑底隆起。其关系见图l所示。随着基坑内土体的开挖，基坑围护结构由于开挖侧土体应力卸载使得围护结构两侧形成应力差，围护结构产生向基坑方向的水平位移。围护结构的变位将引起坑外土体变形而产生基坑周围地层变位，同时围护结构的变位也会将引起坑内土体变形而产生坑底隆起。对于地质条件和几何尺寸已经确定的基坑工程来说，影响围护结构水平位移的因素主要包括围护结构刚度、支撑刚度、冠粱和腰梁、支撑高度及层数、支撑水平间距等。图1基坑围护体系变形机理本文采用Midasgts软件对实际基坑工程建立了三维数值模型，对基坑内不同围护结构刚度、支撑刚度、冠粱和腰梁刚度、支撑高度及层数、支撑水平间距等对围护结构水平位移的影响进行了分析研究。1工程概况拟建基坑工程位于盘锦市，地面标高在3.46～4.15米之间。根据勘察报告显示，该场地自然地面以下20.00米深度范围内均为第四系全新统（Q4）海陆交互相沉积物组成，一般具有水平成层分布特点，主要由粉质粘土、粉土、粉细砂组成。基坑长度为60m，宽度为30m，深度为10m。基坑采用支护桩+钢支撑联合支护形式，支护桩间采用悬挂式旋喷止水帷幕。支护桩采用反循环钻孔灌注桩，桩径0.8m，间距1.2m，嵌固深度为6.0m。支撑采用钢管对撑，钢管直径为609mm，壁厚为14mm。土层物理力学参数取值详见表1。表1土层物理力学参数土层名称γ/(kN/m3)c/(kPa)φ/(°)E/(MPa)杂填土19.05107.6粉质粘土18.819.27.616.6粉土19.220.68.521.1粉细砂19.52.52926.22数值计算模型计算模型几何尺寸为120m×100m×60m(长×宽×高)，计算模型中基坑的几何尺寸为60m×30m×10m(长×宽×高)，围护结构采用等效刚度的方法，将围护桩转化为地下连续墙，厚度为0.586m，插入深度为16m，共设有两道支撑，第一层支撑中心位于地表下3m，第二层支撑中心位于地表下6．5m，支撑水平问距为10m。模型计算参数见表2。基坑施工步骤：第一步开挖至地表下3．5m，设置第一道支撑后进行第二步开挖至地表下7m，接着设置第二道支撑进行第三步开挖至坑底。三维计算模型见图2。表2模型计算参数土层名称γ/(kN/m3)E/(MPa)泊松比围护结构25250000.2冠梁25250000.2钢支撑782060000.3.腰梁782060000.3.图2三维计算模型3模拟结果及分析3.1刚度的影响3.1.1围护结构刚度的影响图3反映了围护结构刚度对其最大水平位移的影响，图中横坐标表示所取不同围护结构刚度与标准模型围护结构刚度之比。由图可见：增大围护结构刚度可以有效地减小围护结构的水平位移，但其作用随着刚度的增大逐渐减弱，且大大增加了工程费用。0123404812围护结构水平位移(mm)围护结构刚度比0123404812围护结构最大水平位移(mm)支撑刚度比图3围护结构刚度对其最大水平位移的影响图4支撑刚度对最大水平位移的影响3.1.2支撑刚度的影响图4反映了支撑刚度对围护结构最大水平位移的影响，图中横坐标表示所取不同支撑刚度与标准模型支撑刚度之比。可见：在一定范围内增大支撑刚度可以有效地减小围护结构的水平位移，但随着支撑刚度的增大，位移的变化率减小，并逐步趋于稳定。3.1.3冠粱和腰梁刚度的影响图5反映了冠梁、围檩刚度对围护结构最大水平位移的影响，图中横坐标表示所取不同冠梁、围檩刚度与标准模型冠梁、围檩刚度之比。可见：在一定范围内增大冠梁、围檩刚度可以有效地减小围护结构的水平位移，但随着冠梁、围檩刚度的增大，位移的变化率减小，并逐步趋于稳定。01234468围护结构最大水平位移(mm)冠梁、围檩刚度比图5冠梁、围檩刚度对最大水平位移的影响对比图3一图5可以发现：增大围护结构、支撑、冠梁、围檩的刚度都会减小围护结构的水平位移量，但是这种增大效果的有一定范围的，超出这一范围后效果不明显，造成浪费。增大围护结构刚度对减小围护结构的水平位移比其它两种效果显著，但增大支撑、冠粱和腰梁刚度工程量小，造价低，其经济性比增大围护结构刚度要好得多，在实际工程中可优先考虑。3.2支撑高度及层数的影响图5反映了不同支撑高度及层数对基坑中剖面(X=Om)围护结构水平位移的影响(支撑高度用支撑中心到地表距离表示)，图中各模型支撑的高度及层数见表3。表3各模型支撑高度及层数模型模型1模型2模型3模型4第一层支撑高度(m)03.06.53.0第二层支撑高度(m)6.56.5无无由图6可见：1)支撑布置的高度及层数对围护结构位移有显著影响，其程度比构件刚度的影响要大得多，因此在工程中应当慎重决策。2)模型l与模型2同为两层支撑，但模型l的水平位移小于模型2。说明在多层支撑围护体系中，要有效地控制围护结构的水平位移应适当提高第一层支撑的高度，减少悬臂开挖部分的深度。3)模型3和模型4均为一层支撑，但两者的位移曲线截然不同。模型3支撑设置较低，位移曲线呈上大下小类似于悬臂式围护结构的位移曲线；模型4支撑设置较高．最大水平位移发生在开挖面附近。051015-16-12-8-40模型1模型2模型3模型4深度(m)支护桩水平位移(mm)051015-16-12-8-405m10m15m20m深度(m)支护桩水平位移(mm)图6支撑设置对围护结构水平位移的影响图7支撑水平间距对围护结构水平位移的影响3.3支撑水平间距的影响由图7可见，减小支撑的水平间距，相对于提高了整个围护体系的整体刚度，但是由于施工场地的限制，支撑间距不能过小，避免其影响施工，拖延工期。4结论(1)围护结构刚度、支撑刚度、冠粱和腰梁刚度、支撑高度及层数、支撑水平间距等都会对基坑围护结构的水平位移造成影响。(2)各构件刚度的提高在一定范围内对围护结构水平位移的减小起显著作用，但随着刚度的增大，位移的变化率减小，并逐步趋于稳定。增大围护结构刚度对减小围护结构的水平位移比其它两种效果显著。(3)支撑布置的高度及层数对围护结构位移有显著影响，其程度比构件刚度的影响要大得多，因此在工程中应当慎重决策。(4)减小支撑的水平间距，相对于提高了整个围护体系的整体刚度，但是由于施工场地的限制，支撑间距不能过小，避免其影响施工，拖延工期。参考文献[1]王春华等.软土基坑工程变形的影响因素及控制[J].中国科技信息,2005,(5).[2]段献礼.基坑变形影响因素研究[J].公路工程,2010,35(2):134—137.