基于数值模拟深基坑支护参数优化研究
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摘 要：以蒙自某采用桩锚支护形式的基坑为研究对象，建立有限元三维模型，探讨支护参数包括桩径、桩间距和桩长变化时对基坑变形的影响，通过对支护桩水平位移和基坑周边地表沉降变化曲线的分析，对支护参数进行优化，为以后类似的基坑提供参考。
关键词：深基坑;MIDAS/GTS;支护参数
中图分类号：TU753 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）04-0058-03
Abstract： Taking a foundation pit in Mengzi as the research object， a three-dimensional finite element model is established to explore the influence of supporting parameters including pile diameter， pile spacing and pile length on the deformation of the foundation pit. Through the analysis of the horizontal displacement of supporting piles and the change curve of ground settlement around the foundation pit， the supporting parameters are optimized to provide reference for similar foundation pit in the future.
Keywords： deep foundation pit; MIDAS/GTS; support parameters
1 工程概况及地质情况
1.1 工程概况
蒙自市锦隆财富国际建设项目位于红河州蒙自市北京路与天马路交叉口东南侧，该项目基坑支护结构由十四冶建设云南勘察设计有限公司设计。基坑为不规则九边形，基坑东北侧与居民住房仅距5.0m，东南面与超市最近距离仅3.4m，基坑四周均埋有浅层地下管线，对基坑开挖影响较大。
1.2 地质情况
勘察报告显示，地层自上而下分为四层，按顺序分别是第四系人工填土层、第四系坡洪积地层、第四系坡残积地层和第三系地层。
2 三维模型的建立
本文采用Mohr-Coulomb本构模型建模，支护桩、冠梁和腰梁采用梁单元[1]，支护桩桩径1000mm，桩间距1.6m，桩长21m，桩土间设置没有厚度、没有质量桩接触面单元，锚索采用植入式桁架单元，分设在-4m、-6.2m、-8.6m、-11.2m、-13.8m处，锚索水平间距3.2m。
3 基坑變形因素分析
锚索及灌注桩在桩锚支护体系中形成强大支护体，有效限制基坑位移，确保基坑安全、稳定[2]。其中，灌注桩在抑制基底隆起、减小周边土体沉降也发挥着重要作用[3]。本文利用有限元软件，探讨桩径、桩间距和桩长对基坑变形的影响，对支护桩进行优化设计。
3.1 桩径对基坑变形的影响
本节分别以400mm、450mm、500mm以及550mm四种桩半径对基坑进行模拟开挖，分析桩半径变化带来的影响。
由图1可见，支护桩水平位移与桩径成反比关系，支护桩半径为400mm时，最大水平位移30.46mm，半径为450mm时所产生的最大水平位移27.32mm与之相比减幅3.14mm。支护桩半径为500mm时，最大水平位移26.14mm，半径为550mm时最大水平位移24.89mm，相较而言减少了1.25mm。支护桩最大水平位移在桩半径由450mm增至500mm时，减少量最小，为1.18mm。桩径大小影响桩身刚度[4]，桩径增大，支护结构水平位移减幅递减，但工程造价急剧上升，故而当水平位移满足变形控制要求时，尽量选用直径较小的桩。
支护桩半径由400mm增加至550mm时，基坑边地表最大沉降量呈递减趋势，最大沉降量分别是9.63mm、9.02mm、8.72mm及7.95mm。桩半径由500mm增加至550mm时，最大沉降量减小较为明显，为0.77mm。桩径越小，对基坑边影响的最远距离越远。
通过图1可以看出，桩半径宜控制在450mm至500mm之间，支护桩水平位移及基坑边地表沉降较小，能在满足基坑变形控制要求的同时，节约工程材料。若采用450mm桩半径，其他条件不变，所需支护桩根数为320根，混凝土工程量为4272.91m3。
3.2 桩距对基坑变形的影响
本节分别采用桩间距1.4m、1.6m、1.8m和2m进行数值模拟。
由图2可见，支护桩间距为1.4m时，支护桩最大水平位移24.13mm，桩间距为1.6m时最大水平位移26.14mm与之相比增加2.01mm。支护桩间距为1.8m时，支护桩最大水平位移27.48mm，桩间距为2m时最大水平位移30.22mm与之相比增加2.74mm。其中桩间距由1.6m增加到1.8m支护桩水平位移增加较少，为1.34mm。可以看出，支护桩水平位移和桩间距成正比关系。支护桩的间距决定了整个基坑工程中支护桩的数量，虽然将支护桩间距减小至1.4m，更能满足基坑稳定性的要求，但这也会增加工程成本。
基坑边地表沉降量随支护桩桩距同比增加，支护桩桩距从1.4m增加至2.0m，基坑边最大沉降量分别是8.14mm、8.72mm、8.95mm及9.55mm。桩距由1.8m增至2m时，坑边最大沉降量增加比较明显，增加值为0.6mm。最大沉降影响范围约距坑边7m，随着桩距增加，影响距离相应增加。 通过图2可以看出，桩距宜控制在1.6m～1.8m，支护桩水平位移及基坑边地表沉降较小，能在确保支护体稳定的同时兼顾造价。若选用1.8m桩距，其他条件不变，需要支护桩286根，混凝土工程量为4714.71m3。
3.3 桩长对基坑变形的影响
本节探讨支护桩桩长变化时，基坑的变形情况，为此分别取17m、19m、21m、23m四种桩长进行计算。
由图3可见，支护桩桩长为17m时，支护桩最大水平位移30.25mm，桩长为19m时支护桩最大水平位移27.39mm与之相比减小2.86mm。支护桩桩长为21m时，支护桩最大水平位移26.14mm，桩长为23m时支护桩最大水平位移24.71mm与之相比减小1.43mm。桩长由19m增加至21m，支护桩最大水平位移减小1.25mm。支护桩最大水平位移和桩长成反比关系，当桩长增加到某一长度后对于结构的变形影响很小，因此，桩身嵌固深度只要达到基坑稳定要求即可。
基坑边地表沉降量受桩长变化影响，沉降值随着桩长增长而减小，支护桩桩长从17m增长至23m，对应的基坑边最大沉降值分别为9.32mm、8.84mm、8.72mm及8.35mm。坑边最大沉降量在桩长由17m至19m时降低明顯，减小值为0.48mm。桩长对坑边地表沉降影响的最远距离随着桩长的减小而增远。
通过图3可以看出，桩长宜控制在19m～21m，支护桩水平位移及基坑边地表沉降较小，若选用长19m的支护桩，其他条件不变，需要支护桩320根，混凝土工程量为4772.80m3。
4 结论
本工程利用MIDAS/GTS有限元软件分析探讨当桩径、桩间距和桩长变化时，支护桩水平位移和地表沉降的曲线变化规律，对比发现，采用减小桩径的方法最为有效，建议采用900mm的桩径，既能保证基坑安全稳定，又能使混凝土工程量最少，避免工程材料浪费，为业主带来更多工程价值。
参考文献：
[1]钟连祥，陈飞，熊如宗，等.深基坑桩锚支护结构变形分析和数值模拟[J].江西理工大学学报，2018，39（01）：6-10.
[2]钱伟丰.桩锚支护结构在深基坑开挖过程中的变形及受力研究[D].西安建筑科技大学，2017.
[3]曾志成.两种不同桩锚支护体系受力机理的数值研究[D].长安大学，2014.
[4]位俊俊.桩身刚度对超长单桩竖向承载特性影响研究[D].河南大学，2013.
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