围护结构刚度和环撑数量对基坑稳定性的影响分析

围护结构刚度和环撑数量对基坑稳定性的影响分析

袁正璞

中铁四局集团第四工程有限公司

摘 要：以江苏淮安市某高铁站前广场超大深基坑作为工程背景，通过数值模拟分析墙体基准刚度比R=0.5倍、0.8倍、2倍、3倍的变化范围和环撑数量为0、1、2、3时基坑和支护体系的整体变形趋势以及他们的受力情况。得出了提高基坑围护结构刚度、环撑数量可以有效减小基坑的变形，在实际工程中可适当提高基坑每边中间段位移变形较大区域地连墙的结构刚度。综合安全和工程效益本工程中选择结构刚度比1、环撑数量为2是最佳选择。

关键词：围护结构刚度；环撑数量；深大基坑；底部隆起；位移；沉降

0 引言

随着以高速铁路为代表的交通基础建设大量涌现，高铁站前的广场基坑工程也相应增加，高铁车站深基坑紧邻各种敏感建构筑物，基坑的开挖和支护难度更大、变形控制要求更严。复杂地质环境下深基坑的支护结构设计优化及基坑变形控制是深基坑施工过程中的重难点。综合考虑基坑的安全支护和实际工程效益，开展围护结构刚度和环撑数量变化的影响分析，对基坑工程的安全建设有着重要意义。

国内研究中，周晟羊^[1]分析了在不同的刚度下基坑围护结构内力、变形特性以及周边环境对围护墙的影响规律；沈慧^[2]以合肥市轨道交通4号线桐城路站深基坑为背景，探究了围护结构刚度对车站深基坑变形的影响规律；秦会来^[3]等系统研究了支护桩墙抗弯刚度对支护桩墙弯矩以及内支撑轴力的影响，并揭示了其内在原因；刘润^[4]等分析了支撑位置的选取与支护体系内力和变形的关系；陈昆^[5]等模拟分析实际案例下大直径环梁支撑型式对深基坑开挖变形的影响；刘念武^[6]等研究了内支撑围护结构系统刚度较大条件下的变形特性以及空间效应。

在上述研究的基础上，本文以江苏淮安市某高铁站前广场超大深基坑为工程背景，分析围护结构刚度、环撑数量变化对基坑和支护体系的整体变形趋势以及他们的受力情况分析，兼顾安全性和实际工程效益，得到最佳维护结构刚度和环撑数量参数，以期为类似工程提供参考。

1.工程背景及模型建立

1.1工程背景

淮安东站站前广场位于在建连（云港）镇（江）铁路东侧，基坑工程结构净尺寸长225m×宽256m，地下三层框架结构+桩基础。站前广场基坑与地铁车站基坑间净距22.5m，车站基坑开挖深度约23m、长194m、宽27.1m，端头井开挖深度为25.07m，站前广场基坑开挖与地铁车站接收井基坑开挖及标准段基坑围护结构同期施工。

图1.1 基坑布置简图

1.2模型建立

将地层简化为杂填土层、粉质砂层、黏土层、粉质黏土夹砂质粉土、粉砂、黏土6种，各地层均假定为符合理想弹塑性特征的均质连续体，采用莫尔-库伦理想本构模型，按水平分布。各地层物理力学计算参数如表2.1所示。

表1.1 地层物理力学参数

计算模型尺寸为450×450×80（长×宽×高）米，基坑模型为230×230×16（长×宽×开挖深度）米，以抗弯刚度相等原则为依据将围护桩进行地下连续墙等效。止水帷幕建立平面单元实现。计算参数如表1.2所示：

表1.2 相关结构单元材料参数选取

根据现场基坑的实际情况，第一步：建立基坑几何曲线、分割实体、扩展实体单元及自动网格划分，定义实体网格土体属性，完成三维基坑开挖模型，如图1.2所示;第二步：建立基坑地连墙，冠梁，环撑，立柱桩等支撑结构，如图1.3所示；第三步，定义边界条件、荷载条件及施工阶段的定义。

图1.2 基坑开挖模型 图 1.3 支撑结构模型

2.围护结构刚度变化的影响研究

以现有模型刚度比R=1为基准模型，分别从墙体基准刚度比R=0.5倍、0.8倍、2倍、3倍的变化范围，计算表2.1几种工况，分析墙体刚度的变化对基坑性状的影响。

表2.1 结构刚度计算工况

2.1 刚度变化对基坑底部隆起的影响分析

通过数值模拟计算的到围护结构不同刚度比对基坑底部竖向位移影响图。

(a)R为0.5时基坑底部竖向位移 (b)R为0.8时基坑底部竖向位移

(c)R为1时基坑底部竖向位移 (d)R为2时基坑底部竖向位移

(e)R为3时基坑底部竖向位移

图2.1 不同刚度比下基坑底部竖向位移

根据上图可以看出，基坑底部位移几乎全部为向上隆起，基坑底部环形支撑内部圆形区域隆起值大于圆形区域以外的地方。根据计算的不同支护结构刚度比的五种工况，得到下图基底沉降随刚度比的变化曲线。

图2.2 不同围护结构刚度下基坑底部竖向位移云图

由图2.2可知，基坑的变形曲线为中间大两头小的“弓”形。随着围护结构刚度的增加，基坑底部隆起值总体呈现下降的趋势。刚度的变化对基坑边缘约15米（大约等于基坑开挖深度）的隆起值影响较小；当距离基坑边缘15-20米时，刚度变化对基坑底部隆起值影响较大，当距离基坑边缘大于20米时基坑隆起值变化相对较小，并在大约基坑中间部位达到最大值。

图2.3 不同围护结构刚度下基坑底部竖向位移最大值

由基坑隆起最大值随刚度比变化曲线可知，基坑最大隆起值随刚度比的增加而减小，说明提高结构的刚度，可以减小基底隆起值。减少基底隆起效果明显刚度比由0.5提升到1时，直线斜率较大，减小基底隆起12mm，减少幅度约百分之20，减少基底隆起效果明显；当刚度比从1提升到3时，减小基底隆起约3mm，减小幅度约百分之6，效果并不明显。因此基准模型的刚度选择1为较好选择。

2.2 刚度变化对围护结构水平位移的影响

在其他条件不变的情况下，根据计算5种不同刚度比工况，得到不同刚度下围护结构水平位移变化曲线。

图2.4 不同刚度下围护结构水平位移

由图2.4可知，水平位移曲线呈现中间大，两头小的“山峰”形，最大位移发生处都大概在离基坑顶部距离6米处。水平位移较大的区域为地下2米到10米的范围内，说明此段区间结构刚度的变化造成的影响较大。当地连墙深度大于13米时，曲线倾斜逐渐变缓，水平位移变化速率降低，结构刚度对此段围护结构水平位移影响较小。

图2.5不同刚度下围护结构水平位移最大值

根据最大水平位移随刚度比变化曲线可知，结构刚度比变增大围护结构水平位移最大值减小。当刚度比R由0.5变化到0.8段刚度比对基坑变形影响较大；当刚度比R大于0.8时刚度比对基坑的变形影响降低。建议选择刚度比为0.8或者1较佳。

2.3 刚度变化对地表沉降的影响

根据模拟计算结果，得到不同刚度比下基坑外地表沉降位移云图2.6，得到坑外地表沉降曲线，如下图2.7所示。

(a)R为0.5时基坑外地表沉降位移云图 (b)R为0.8时基坑外地表沉降位移云图

(c)R为1时基坑外地表沉降位移云图 (d)R为2时基坑外地表沉降位移云图

(e)R为3时基坑外地表沉降位移云图

图2.6 不同刚度比下基坑外地表沉降位移云图

图2.7 地表沉降随刚度变化曲线

由图2.7可知:（1）基坑坑后土体沉降整体趋势随着墙体刚度增大而减小，呈现出“凹槽型”沉降曲线。（2）在沉降主要影响区内变化较为明显，基坑施工开挖结束时，刚度比R从0.5增大到3时沉降减小了34%，最大沉降在距离基坑边缘0.44倍的开挖深处。(3）当墙体刚度比R从0.5增大到1时，土体的最大沉降降低了27%。当刚度比R从1增大到3时，坑后土体沉降减小不到10%。

由此可见，在基坑施工过程中，随着地下连续墙刚度的增加，基坑坑后土体沉降是减小趋势；当刚度比大于1时，刚度的增加对地表沉降值作用开始降低，效果不明显，对基坑的变形控制影响不大。因此，实际工程，应选去合适的刚度比，既不能太小，也不需要一味的增大。

2.4 刚度变化对立柱桩剪力的影响

由于围护结构刚度产生变化，基坑变形也相应产生变化，此时，立柱桩的受力也会产生变化，因此根据计算结果得到不同围护结构刚度下立柱桩剪力云图

（a）刚度比0.5时剪力云图 （b）刚度比0.8时剪力云图

（c）刚度比1时剪力云图 （d）刚度比2时剪力云图

（e）刚度比3时剪力云图

图2.8不同刚度比下立柱桩剪力云图

如上图所示，显示红色和蓝色的立柱桩多分布在靠近基坑边缘位置，说明基坑边缘立柱桩所受剪力大于基坑中间部位立柱桩的剪力。因此，在施工中为确保安全应当加大对基坑边缘立柱桩的监测。根据计算五种刚度比工况，得到立柱桩最大剪力随刚度比变化曲线如下图2.9所示。

图2.9 不同结构刚度下立柱桩剪力最大值

由图可知最大正剪力和最大负剪力绝对值大小会随着结构刚度增加而缓慢减小，当结构刚度比大于0.8时，变化斜率较小，刚度比小于0.8段，斜率稍稍增大。因此刚度比大于0.8时，结构刚度对立柱桩剪力产生影响就较小。因此实际工程中，刚度比0.8到1皆为较佳选择。

3. 环撑数量对基坑的影响研究

根据数值模拟计算，分别计算不同环撑数量的基坑，计算工况如下表2.5所示。

表3.1 计算工况

3.1环形支撑数量对围护结构水平位移的影响

根据四种工况，对比四种工况下围护结构水平位移等值线图，如下图所示。

(a) 无环撑水平位移等值线图 (b) 一道环撑水平位移等值线图b

(c) 两道环撑水平位移等值线图 (d) 三道环撑水平位移云图

图3.1不同数量环撑下围护结构水平位移云图

由上图可以看出，不同环撑数量下，围护结构水平位移最大值发生在围护结构的上部区域，靠近没面墙体的中间位置，随后向下和两边递减。基坑的四个拐角处水平位移较小。无环撑时，基坑的最大位移发生处要略高于另外几种情况。

根据四种工况云图，得到围护结构水平位移随环城数量变化曲线如图3.2所示。

图3.2不同环撑数量下围护结构水平位移

由图3.2可知（1）不同环撑数量下基坑围护结构水平位移曲线趋势大致相同，最大值发生在约地下4至6米深度范围内；（2）环撑的数量对围护结构水平位移影响较大，无环撑和一道环撑工况下，围护结构顶部水平位移和最大水平位移远远大于两道三道环撑围护结构；（3）当环撑数量为2和3时，围护结构产生的水平位移变化相对较小。

图3.3 不同环撑数量下围护结构最大水平位移

由图3.3可知，环撑数量由0到1和从1到2段曲线斜率较大，环撑数量的变化带来的影响较大。当环撑数量由2变为1时，水平位移增加了约7mm，增幅约85%；当环撑数量由2增加到3时，水平位移最大值仅增加约1mm。说明继续增加环撑数量，对基坑围护结构的水平位移影响较小。因此实际工程中，环撑数量为2是较佳的选择。

3.2环形支撑数量对围护结构竖向位移的影响

根据四种工况，对比四种工况下围护结构水平位移等值线图，如图3.4所示

(a)无环撑竖向位移云图 (b)一道环撑竖向位移云图

(c)两道环撑竖向位移云图 (d)三道环撑竖向位移云图

图3.4不同数量环撑下围护结构竖向位移云图

由上图可知，当环撑数量为0和1时，围护结构竖向位移为负，即结构向下沉，并且数值较大。环撑数量大于2时，围护结构微微向上隆起。图中显示，当环撑数量为0和1时，基坑四个拐角处竖向下沉略大于中间部位；环撑数量为2和3时，基坑四个拐角处隆起值小于中间部位。

根据四种工况云图，得到围护结构竖向位移最大值随环城数量变化曲线，如图3.5所示。

图3.5围护结构竖向位移最大值

由上图可知，当环撑数量为0和1时，围护结构发生的竖向位移很大，并且为下沉的形式，当环撑数量为2和3时，竖向位移很小，且为向上隆起的形式。环撑数量由0增加到2时，减小的竖向位移效果十分明显，当数量从2增加到3时，所产生的影响较小，可以忽略不计，因此，实际工程中，环撑数量为2是较好的选择。

4.结论

本文通过MIDAS GTSNX有限元软件模拟分析了不同围护结构强度下，基坑底部隆起、围护结构水平位移、地表沉降和对立柱桩剪力的影响，不同环撑数量对围护结构水平位移和竖向位移的影响，为本工程围护结构刚度及环撑数量对基坑的影响提供参考，并得到以下结论：

（1）提高基坑围护结构刚度可以有效减小基坑的变形，在实际工程中可以适当提高基坑每边中间段位移变形较大区域地连墙的结构刚度。

(2)环撑的数量对基坑的变形有着重要的作用，数量较少时围护结构会发生较大的位移变形，选择合适的环撑数量对基坑的变形控制可以带来较好的效果。

(3)对于本工程，通过数值模拟试验分析，可以得出结构刚度比为1、环撑数量为2是较佳的选择。

参考文献：

[1] 周晟羊.围护墙刚度对基坑围护结构内力与变形的影响分析 [J].铁道勘测与设计,2013年, 第6期, 56-60页

[2] 沈慧.地铁深基坑开挖效应与围护结构刚度影响分析[J].安徽建筑,2018年,第4期,32-37页

[3] 秦会来,张晓春,马程昊.支护桩墙刚度对支护结构内力影响的数值模拟研究[J].施工技术, 2017年,第11期,112-118页

[4] 刘润,闫玥,闫澍旺.支撑位置对基坑整体稳定性的影响[J].岩土力学与工程学报, 2006年,第1期,174-178

[5] 陈昆,闫澍旺,张智,李雅楠.不同内支撑支护体系对深基坑开挖变形的影响分析[J].天津大学学报：自然科学与工程技术版,  2017年,第B07期1-6页

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