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摘要：在深基坑开挖过程中，基坑支护结构除满足自身强度要求外，还须满足变形要求，将基坑周边土体的变形控制在允许范围之内。本文采用单因素分析法分析支护结构设计参数对基坑变形的影响，结合具体工程，采用有限差分分析软件FLAC3D对各个单项因素进行模拟分析。总结了各个因素对基坑变形影响的大小和规律，对控制基坑变形提供了一些可供工程参考的结论。
关键词：深基坑；支护结构；设计参数；影响因素； FLAC3D
中图分类号：TV551.4文献标识码： A 文章编号：
0引言
近年來，随着城市化进程的快速发展，地下空间的开发利用向大型化、深层化方向发展。随之产生了大量的深基坑支护设计与施工问题，并成为当前基础工程的热点与难点。基坑工程的设计已经从强度控制转向变形控制,因此基坑开挖过程中不仅要保证自身稳定，还要控制支护结构和其周围土体的变形，以尽量减小对周围环境的影响 [1] 。然而，影响基坑变形的影响因素众多，参数选取不当往往引发工程事故，造成重大经济损失。因此，深入探究诸多因素对基坑变形的影响具有重要的工程意义和实际价值。
影响基坑变形的因素很多，包括：（1）土体的物理力学参数如土的变形模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角和重度等；（2）支护结构设计因素如桩体刚度及入土深度、锚索预应力、支撑系统等；（3）施工因素如开挖顺序与方法、挖撑次序、降水、地面超载与施工振动情况与基坑暴露时间等。在这些影响因素中，基坑所处地段的地质情况是既定的，即地质因素无法选择，而设计因素和施工因素是可控因素。据统计，因设计因素造成的基坑事故占到46%。因此本文采用单因素分析法着重分析设计因素对基坑变形的影响，即其它参数固定，而只改变一个参数进行分析计算。本文将采用这种方法，运用有限差分分析软件FLAC3D结合具体工程对各个单项因素进行模拟分析，得出支护结构设计参数对基坑变形的影响。
2工程概况
某工程拟建平面移动式6层地下停车库，开挖面积约846平方米，深度约15米。由于基坑周边紧邻高层建筑物及交通干道，地下管线错综复杂，对环境保护要求高，因此本基坑支护采用桩锚支护的方式，直立开挖。采用长螺旋钻孔压灌桩，桩径0.6米，桩距1.2米，桩长18.0米，设三层锚索，采用一桩一锚形式，桩间喷射混凝土。
3模型的建立[2,3]
本文为了减少计算量，模型只取了支护体的一段，FLAC3D计算模型自基坑开挖边缘到边界的距离取为50m，模型的深度方向取35m，以尽量减小模型边界条件对基坑变形的影响。岩土材料使用Mohr-Coulomb模型。开挖涉及的土层有八层。
边界条件假设为：约束所有Y方向的位移；土体两侧约束X方向的位移，允许发生竖向的位移；土体底部约束X、Y、Z三个方向的位移。地面超载取q=15kPa，计算时将土体和支护桩的自重应力考虑在内，取重力加速度为。
本基坑模型采用brick单元创建，模拟中支护结构采用FLAC内置的结构单元，锚索利用cable单元设置，桩采用pile单元设置。模拟时将锚索端头部位和桩的连接段定义为刚性连接，将支护桩的底部也定义为刚性连接。基坑支护结构图如图1所示。
图1基坑支护结构图
4计算结果的分析
4.1桩体刚度的影响分析
桩体刚度的变化主要取决于桩的直径。本文进行FLAC3D数值分析时，桩直径分别取为0.4m、0.6m、0.8m、1.0m和1.2m来计算，其它计算参数不变，以基坑开挖结束时情况为例进行分析，研究桩体刚度对桩体水平位移的影响，计算结果见图2。
图2不同桩径的桩体最大水平位移
由图3可以看出：桩的直径的增加对桩体位移的影响效果显著。当桩径从0.4m增加到0.8m时，桩体水平位移明显减小.。当桩径从0.8m增大到1.2m时，支护桩水平位移也在减小，但减小的幅度降低。这表明适当增加桩体刚度可以在一定程度上减小墙体的水平位移，但通过增大桩体刚度来减小桩体水平位移是有一定范围的，过度增大桩的直径会造成不必要的浪费。所以在桩强度符合基坑变形要求的情况下，以增加桩刚度为主来减小基坑变形的做法并不是很合理。通常的做法应该是在满足桩体刚度的前提下，通过寻找其他方法来控制和减小基坑变形。
4.2 桩体入土深度的影响分析
桩体入土深度是基坑支护设计中的一个非常重要的指标[4,5]，有不少基坑事故就是由于桩体入土深度不足导致的。围护结构的入土深度不仅对基坑整体稳定性和抗隆起稳定性有影响，而且和基坑支护成本有密切关系。桩体入土深度影响到基坑周围土体特别是深层土体的滑移。
本文基坑的桩体入土深度为3m，本文在分析模型中桩的入土深度取为1m、3m、5m和7m，即其余计算参数不变，在基坑开挖结束时所得桩体最大水平位移见图3。
图3桩体入土深度和桩体最大水平位移的关系
从图中可以看出，入土深度从1m增加到3m时，桩体最大位移明显减少，但在5m~7m之间变化不大。因此在保证基坑稳定性及基底不隆起的情况下，单靠增加桩体入土深度的性价比是比较低的。
5.3锚索预应力的影响分析
预应力锚索是基坑支护中经常用到的控制基坑变形的有效方法，它的作用在于减小了坑内被动区土压力，增加了主动区土压力，提高了基坑的稳定性。下面就以本基坑为例，观察预应力锚索对桩体水平位移的影响。对锚索施加30 KN、60 KN、90 KN和120 KN四种不同的预应力，计算桩体的水平位移。图4为不同大小的预应力作用下的桩体最大水平位移图。
图4 不同预应力下的桩体最大水平位移
通过图4可以看出：
（1）预应力对抑制桩体最大位移效果显著，桩体最大水平位移和预应力成线性关系。
（2）桩体最大位移随着预应力的增加逐渐减小，但当基坑开挖深度加大时，施加过大的预应力，会使浅部接触面的土压力削减，使预应力锚索失去作用。由此可见，预应力锚索是减少桩体变形的有效方法，但同时在工程实际中要合理的选择预应力的大小，提高工程效益，不造成浪费。
6结论
（1）在桩体刚度和入土深度符合要求的情况下，再继续增加桩体刚度和入土深度的作用不大，从经济角度考虑，尽量选用小直径的桩以及合适的入土深度。在基坑设计时要综合考虑多方面的因素，做到面面俱到；
（2）锚索预应力对抑制桩体最大位移效果显著，桩体最大水平位移和预应力成线性关系，但当基坑开挖深度加大时，施加过大的预应力，会使浅部接触面的土压力削减，使预应力锚索失去作用，所以在工程实际中要合理的选择预应力的大小，提高工程效益；
（3）在以上定量计算分析的基础上，总结了各个因素对基坑变形影响的大小和规律。这可以在基坑设计时做到心中有数,避免事故的发生。同时对研究支护结构变形的控制对策，提供了一些可供工程参考的结论。
参考文献：
[1] 刘建航，侯学渊．基坑工程手册[M]．北京：中国建筑工业出版社，1997
[2] 彭文斌.FLAC实用教程.机械工业出版社.
[3] 唐辉明，宴鄂川，胡新丽.工程地质数值模拟的理论与方法[M].武汉：中国地质大学出版社，2001.
[4] 章根德. 土的本构模型及其工程应用.北京:科学出版社， 1995.
[5] 陈伟唐，孟雄陈，如桂. 深基坑工程变形控制. 北京:中国建筑工业出版社， 2006.
[6] 谭跃虎，吉同筠.软土深挖基坑中挡墙侧向变形分析与计算.岩土工程学报，1995，17（4）：71-76 1995
关键词：深基坑；支护结构；设计参数；影响因素； FLAC3D
中图分类号：TV551.4文献标识码： A 文章编号：
0引言
近年來，随着城市化进程的快速发展，地下空间的开发利用向大型化、深层化方向发展。随之产生了大量的深基坑支护设计与施工问题，并成为当前基础工程的热点与难点。基坑工程的设计已经从强度控制转向变形控制,因此基坑开挖过程中不仅要保证自身稳定，还要控制支护结构和其周围土体的变形，以尽量减小对周围环境的影响 [1] 。然而，影响基坑变形的影响因素众多，参数选取不当往往引发工程事故，造成重大经济损失。因此，深入探究诸多因素对基坑变形的影响具有重要的工程意义和实际价值。
影响基坑变形的因素很多，包括：（1）土体的物理力学参数如土的变形模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角和重度等；（2）支护结构设计因素如桩体刚度及入土深度、锚索预应力、支撑系统等；（3）施工因素如开挖顺序与方法、挖撑次序、降水、地面超载与施工振动情况与基坑暴露时间等。在这些影响因素中，基坑所处地段的地质情况是既定的，即地质因素无法选择，而设计因素和施工因素是可控因素。据统计，因设计因素造成的基坑事故占到46%。因此本文采用单因素分析法着重分析设计因素对基坑变形的影响，即其它参数固定，而只改变一个参数进行分析计算。本文将采用这种方法，运用有限差分分析软件FLAC3D结合具体工程对各个单项因素进行模拟分析，得出支护结构设计参数对基坑变形的影响。
2工程概况
某工程拟建平面移动式6层地下停车库，开挖面积约846平方米，深度约15米。由于基坑周边紧邻高层建筑物及交通干道，地下管线错综复杂，对环境保护要求高，因此本基坑支护采用桩锚支护的方式，直立开挖。采用长螺旋钻孔压灌桩，桩径0.6米，桩距1.2米，桩长18.0米，设三层锚索，采用一桩一锚形式，桩间喷射混凝土。
3模型的建立[2,3]
本文为了减少计算量，模型只取了支护体的一段，FLAC3D计算模型自基坑开挖边缘到边界的距离取为50m，模型的深度方向取35m，以尽量减小模型边界条件对基坑变形的影响。岩土材料使用Mohr-Coulomb模型。开挖涉及的土层有八层。
边界条件假设为：约束所有Y方向的位移；土体两侧约束X方向的位移，允许发生竖向的位移；土体底部约束X、Y、Z三个方向的位移。地面超载取q=15kPa，计算时将土体和支护桩的自重应力考虑在内，取重力加速度为。
本基坑模型采用brick单元创建，模拟中支护结构采用FLAC内置的结构单元，锚索利用cable单元设置，桩采用pile单元设置。模拟时将锚索端头部位和桩的连接段定义为刚性连接，将支护桩的底部也定义为刚性连接。基坑支护结构图如图1所示。
图1基坑支护结构图
4计算结果的分析
4.1桩体刚度的影响分析
桩体刚度的变化主要取决于桩的直径。本文进行FLAC3D数值分析时，桩直径分别取为0.4m、0.6m、0.8m、1.0m和1.2m来计算，其它计算参数不变，以基坑开挖结束时情况为例进行分析，研究桩体刚度对桩体水平位移的影响，计算结果见图2。
图2不同桩径的桩体最大水平位移
由图3可以看出：桩的直径的增加对桩体位移的影响效果显著。当桩径从0.4m增加到0.8m时，桩体水平位移明显减小.。当桩径从0.8m增大到1.2m时，支护桩水平位移也在减小，但减小的幅度降低。这表明适当增加桩体刚度可以在一定程度上减小墙体的水平位移，但通过增大桩体刚度来减小桩体水平位移是有一定范围的，过度增大桩的直径会造成不必要的浪费。所以在桩强度符合基坑变形要求的情况下，以增加桩刚度为主来减小基坑变形的做法并不是很合理。通常的做法应该是在满足桩体刚度的前提下，通过寻找其他方法来控制和减小基坑变形。
4.2 桩体入土深度的影响分析
桩体入土深度是基坑支护设计中的一个非常重要的指标[4,5]，有不少基坑事故就是由于桩体入土深度不足导致的。围护结构的入土深度不仅对基坑整体稳定性和抗隆起稳定性有影响，而且和基坑支护成本有密切关系。桩体入土深度影响到基坑周围土体特别是深层土体的滑移。
本文基坑的桩体入土深度为3m，本文在分析模型中桩的入土深度取为1m、3m、5m和7m，即其余计算参数不变，在基坑开挖结束时所得桩体最大水平位移见图3。
图3桩体入土深度和桩体最大水平位移的关系
从图中可以看出，入土深度从1m增加到3m时，桩体最大位移明显减少，但在5m~7m之间变化不大。因此在保证基坑稳定性及基底不隆起的情况下，单靠增加桩体入土深度的性价比是比较低的。
5.3锚索预应力的影响分析
预应力锚索是基坑支护中经常用到的控制基坑变形的有效方法，它的作用在于减小了坑内被动区土压力，增加了主动区土压力，提高了基坑的稳定性。下面就以本基坑为例，观察预应力锚索对桩体水平位移的影响。对锚索施加30 KN、60 KN、90 KN和120 KN四种不同的预应力，计算桩体的水平位移。图4为不同大小的预应力作用下的桩体最大水平位移图。
图4 不同预应力下的桩体最大水平位移
通过图4可以看出：
（1）预应力对抑制桩体最大位移效果显著，桩体最大水平位移和预应力成线性关系。
（2）桩体最大位移随着预应力的增加逐渐减小，但当基坑开挖深度加大时，施加过大的预应力，会使浅部接触面的土压力削减，使预应力锚索失去作用。由此可见，预应力锚索是减少桩体变形的有效方法，但同时在工程实际中要合理的选择预应力的大小，提高工程效益，不造成浪费。
6结论
（1）在桩体刚度和入土深度符合要求的情况下，再继续增加桩体刚度和入土深度的作用不大，从经济角度考虑，尽量选用小直径的桩以及合适的入土深度。在基坑设计时要综合考虑多方面的因素，做到面面俱到；
（2）锚索预应力对抑制桩体最大位移效果显著，桩体最大水平位移和预应力成线性关系，但当基坑开挖深度加大时，施加过大的预应力，会使浅部接触面的土压力削减，使预应力锚索失去作用，所以在工程实际中要合理的选择预应力的大小，提高工程效益；
（3）在以上定量计算分析的基础上，总结了各个因素对基坑变形影响的大小和规律。这可以在基坑设计时做到心中有数,避免事故的发生。同时对研究支护结构变形的控制对策，提供了一些可供工程参考的结论。
参考文献：
[1] 刘建航，侯学渊．基坑工程手册[M]．北京：中国建筑工业出版社，1997
[2] 彭文斌.FLAC实用教程.机械工业出版社.
[3] 唐辉明，宴鄂川，胡新丽.工程地质数值模拟的理论与方法[M].武汉：中国地质大学出版社，2001.
[4] 章根德. 土的本构模型及其工程应用.北京:科学出版社， 1995.
[5] 陈伟唐，孟雄陈，如桂. 深基坑工程变形控制. 北京:中国建筑工业出版社， 2006.
[6] 谭跃虎，吉同筠.软土深挖基坑中挡墙侧向变形分析与计算.岩土工程学报，1995，17（4）：71-76 1995