砂卵石地层圆形深基坑支护结构土压力

摘要：在以砂卵石地层为主的成都平原地区，近年来圆形深基坑工程逐渐出现，但一直无适宜的支护结构土压力的确定方法，对土压力分布特征尚不清楚。运用弹塑性数值模拟方法，充分考虑桩土变形协调关系，确定了成都地区砂卵石地层的圆形深基坑支护结构上土压力的分布规律，呈现出在围护桩中下部偏大的近似三角形分布模式，平均值小于Rankine主动土压力。开展了模型试验研究，针对试验模型，数值计算值与试验值分布规律整体上具有相似性，二者较为接近，说明了数值计算结果具有一定的合理性。

关键词：砂卵石地层；圆形深基坑；土压力；数值模拟；模型试验

中图分类号：TU470

文献标志码：A

文章编号：1674-4764（2013）04-0089-05

圆形深基坑因其内部空间大等突出优点而越来越多地出现在工程实践中，但目前的圆形深基坑工程大多集中在软土地区，且主要采用地下连续墙作为围护结构[1-2]。近几年来，伴随着经济的发展，以砂卵石地层为主的成都平原地区也逐渐出现了圆形深基坑工程。典型实例为目前中国西南地区最深的德阳二重厂热处理车间新增淬火炉装置深基坑工程，其开挖深度达到37.4 m，采用钢筋混凝土排桩与钢腰梁构成的排桩框架支护结构，基坑直径约为12 m。对于软土地区采用地下连续墙支护的圆形深基坑，已有许多学者研究了相关计算方法[3-12]，主要表现为基于平面弹性地基梁或三维弹性地基板的圆形地下连续墙算法，对相应实际工程问题的分析与解决提供了重要参考依据，但是对于砂卵石地层中采用排桩框架结构支护的圆形深基坑，因在地层条件、支护结构类型等方面与前者存在很大差异，决定了其不能简单套用前者的相关方法。同时，圆形基坑与普通的矩形基坑有很大的不同，圆形基坑属于典型的空间问题，且需要充分考虑基坑周围土体与支护结构之间存在变形协调关系[13-14]，而按普通的矩形基坑中选取典型地层剖面的平面应变问题求解方法，对圆形基坑并不适合。另外，根据中国《建筑基坑支护规程（JGJ120—2012）》及四川省地方标准《成都地区建筑深基坑工程安全技术规范（DB51/T5072—2011）》，对基坑围护结构的侧向位移限制均较高[15-16]。因而，对于砂卵石地层中的圆形深基坑排桩框架支护结构，在整个开挖支护过程中，支护结构产生的侧移不足以使其后侧土体达到极限平衡状态。实际上，围护桩后的土体是处于非极限状态的，对于在坑底以上作用于围护桩后的土压力，也不适合采用传统的Rankine主动土压力理论计算确定。有鉴于此，有必要针对砂卵石地层圆形深基坑排桩框架支护结构的具体实际情况进行研究，并充分考虑桩土变形协调关系，以合理确定实际作用于围护桩上的土压力及其分布规律。

张家国，等：砂卵石地层圆形深基坑支护结构土压力

1分析模型

如图1所示的某排桩框架结构支护的圆形深基坑，基坑净内径为12 m，坑深33 m。围护桩直径12 m，浇筑C30混凝土。桩顶设置冠梁，宽度为12 m，高度为0.8 m。内支撑采用环形箱梁，共设置4道，设置深度分别为7、14、20、26 m，其中前3道支撑尺寸为400 mm×300 mm×14 mm×14 mm（宽×高×壁厚×壁厚），后一道支撑尺寸为600 mm×550 mm×16 mm×16 mm（宽×高×壁厚×壁厚）。排桩墙由28根排桩在平面上以1.5 m等间距排列，桩长40 m，嵌固深度7.0 m。基坑周围地层由上至下依次粉土（0～3 m）、中密卵石（3～18 m）、密实卵石（18～33 m）、泥岩（33 m以下），各地层土体的主要参数如表1所示。

采用Flac3D进行数值模拟，对地层采用理想弹塑性本构模型和Mohr-Coulomb强度准则，并采用非关联流动法则；对围护桩、冠梁、腰梁均采用线弹性模型模拟。模型左右两侧面距基坑中轴线距离为5倍坑径，采用水平位移约束；底端距桩底0.5倍桩长，采用水平与竖向双向位移约束。如此建立的数值分析模型如图2所示。

2计算结果

取施作第1～4道腰梁后、开挖到坑底这5种典型工况的开挖底面以上桩侧土压力计算结果，如图3所示。

可见，桩后侧土压力均具有随深度逐渐增大的特征，在靠近开挖面附近土压力有急剧增大的特点，各工况下桩后土压力在某种程度上均可近似简化成三角形分布模式。同时，在开挖施工过程中，每道腰梁施工完成后，桩后土压力主要在上下两道腰梁之间有显著增大，在上一道腰梁以上的部分几乎没有变化。在开挖到坑底的工况也有类似特征。这说明各道腰梁起到良好的支撑作用，以致于后续的开挖施工对其上面的部分影响很小。

3.4试验结果及分析

如图7所示的分步开挖施工过程中，坑底以上桩侧土压力分布图。可见，对于坑底以上部分，在加第4道腰梁之前的各工况下，桩侧土压力随着深度增加具有逐渐增大的特点，在施作第4道腰梁及其以后的工况下，桩侧土压力在基坑深度2/3以下位置沿深度逐渐有所减小，但幅度不大。在开挖深度较浅（约为坑深一半及其以上）的情况下，桩侧土压力沿深度几乎呈线性增长；但在开挖到3/5坑深以后，桩下部的增长幅度开始逐渐降低，桩侧土压力呈增幅递减的非线性增长分布。这可能是由于在开挖深度较浅时，基坑周围土体卸荷量相对较小，开挖深度范围内的坑周土体变形近似接近于弹性变化特征，土压力随深度呈线性增大，但当开挖深度较深时，基坑周围土体卸荷量相对较大，尤其在开挖底面附近，而上部土体因压应力较小仍呈现一定的弹性变形特征，但开挖底面附近土体因压应力较大则呈一定的塑性变形特征，因而沿着整个开挖深度桩侧土压力不再呈连续线性变化。同时，在第4道腰梁施作以前，同一位置的土压力随着开挖进行逐渐发生较为显著的变化，尤其是桩的中上部位置，这是由于桩的中上部变形相对较大，使得土压力得到一定程度的释放。在开挖到坑底时，坑底以上近坑底位置桩后土压力达到约2.0 kPa。

针对试验模型，根据前述的数值模拟方法可得，在开挖到坑底时刻，坑底以上部分桩侧土压力分布如图8所示。由同一图中所示的试验结果对比可见，本文模拟计算值与试验值分布规律整体上具有相似性，土压力整体上均随深度增加逐渐增大；采用本文方法计算的土压力值比试验值平均超出约20%，且在坑深2/3以下计算值与试验值差别较大，可能是由于数值模型的误差以及模型桩与土体参数的离散性和某些试验误差所致。另外，对比图8中的静止土压力和Rankine主动土压力结果还可看出，本文方法得到结果比Rankine主动土压力平均约小30%。总体而言，本文计算结果与试验值较为接近，且与传统算法之间也具有良好的可比性，这些均说明了模拟计算结果具有一定的合理性，即图3所示的开挖施工过程中桩后土压力分布模式较符合实际。

4结论

圆形深基坑因其诸多优点逐渐应用于成都平原地区（以砂卵石地层为主），然而经典的朗肯土压力及库仑土压力理论并不适用于此类侧移较小的基坑支护结构分析。本文采用数值模拟和模型试验方法研究，主要得到如下结论：

1）可以利用有限差分数值模拟的方法近似计算在开挖施工过程中圆形深基坑围护桩后的土压力，在开挖施工过程中，每道腰梁施工完成后，桩后土压力主要在上下两道腰梁之间有显著增大，在上一道腰梁以上的部分几乎没有变化，各道腰梁起到了良好的支撑作用。

2）砂卵石地层圆形深基坑桩后土压力，总体表现为随深度增加而逐渐增大的特征，在靠近开挖面附近土压力有急剧增大的特点，各工况下桩后土压力在某种程度上均可近似简化成三角形分布模式，土压力平均小于Rankine主动土压力，约为Rankine主动土压力的70%。

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