支护桩-混凝土内支撑支护基坑开挖地表沉降影响因素分析

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摘要：本文结合工程实例，对支护桩-混凝土内支撑支护基坑开挖地表沉降影响因素从三个方面进行了研究分析，具有较强的理论性和价值，供参考。

关键词：支护桩-混凝土；内支撑支护；基坑；沉降；影响因素；分析

Abstract: combining with practical engineering, the retaining pile-in concrete supporting of foundation pit supporting the ground surface settlement from three aspects influencing factors are analyzed, and has strong theoretical and value, for reference.

Keywords: retaining pile-concrete; Interior support support; Foundation pit; Settlement; Influencing factors; analysis

中图分类号：TV551.4文献标识码：A文章编号：

1基本计算条件概述

深基坑工程是当前岩土工程中的热点和难点问题之一，如何有效控制基坑变形，使基坑工程既安全又经济，是人们一直探索的课题。而深基坑开挖地表沉降的估算研究又是这一课题的一个难度方向。影响深基坑开挖地表沉降的因素很多，如基坑开挖深度，支护桩刚度，支撑刚度，嵌岩深度和钢支撑预加应力等。

某地铁李村站（例1）的基本计算条件为：基坑开挖宽度20m，开挖深度12m，采用钻孔灌注桩和内支撑的支护形式，钻孔灌注桩直径1000mm，桩长14.4m（插入比0.2），间距300mm。内支撑为钢管时，钢管直径609mm，壁厚16mm，共2道，第1道位于桩顶，第2道距桩顶6.5m，内支撑水平间距6.0m；每根钢管内支撑预加力为168kN。混凝土内支撑时，支撑截面取800mm×1000mm，支撑水平间距8.0m，支撑位置和钢管内支撑相同。地下水位位于地表下5.0m。土体本构模型为HS模型（硬化土模型）。

该地铁河西站（例2）的基本计算条件为：基坑开挖宽度为20m，开挖深度为16m，采用钻孔灌注桩和内支撑的支护形式，钻孔灌注桩直径1000mm，桩间距300mm，桩长19.2m（插入比0.2）。钢管内支撑时，钢管直径609mm，厚度16mm，共3道，第一道支撑位于桩顶，第2道和第3道支撑位置分别距桩顶6m和12m，内支撑间距6.0m，每根钢管内支撑预加力为168kN。混凝土内支撑时，支撑截面取800mm×1000mm，支撑水平间距8.0m，支撑位置和钢管内支撑相同。地下水位位于地表下5.0m。土体本构模型为HS模型。

为了便于分析各因素的影响规律，开挖底面位于岩层顶面，岩层性质选择弹性模量E=6000MPa和E=450MPa两种类型为基准计算值，岩体体本构模型为摩尔-库伦模型，岩层的两组参数如表1所示。

表1岩层参数

2支护桩刚度的影响

除钢管内支撑外，其余计算条件保持不变，只将钢管内支撑变为截面为800mm×1000mm的钢筋混凝土支撑，支撑横向间距为8.0m。支护桩桩径分别取0.8m，1.0m，1.1m和1.2m，桩净距300mm，岩层弹性模量取值同钢管内支撑。

分别以实例1岩层弹性模量450MPa和实例2岩层弹性模量为6000MPa为例分析支护桩刚度对支护桩变形和地表沉降的影响。支护桩水平位移和地表沉降的数值计算结果分别如图1和图2所示，图例中数字代表支护桩刚度。

图1实例1不同支护桩刚度条件下计算结果对比

由图1(a)可知，支护桩刚度为361kN/m2时，支护桩水平位移最大值10.9mm，最大值位置距桩顶6.0m，约为0.5H；支护桩刚度为766kN/m2时，支护桩水平位移最大值7.5mm，最大值位置距桩顶6.5m，约为0.54H；支护桩刚度为1049kN/m2时，支护桩水平位移最大值6.5mm，最大值位置距桩顶6.5m，约为0.54H；支护桩刚度为1401kN/m2时，支护桩水平位移最大值5.7mm，最大值位置距桩顶7m，约为0.58H。

由图1(b)可知，支护桩刚度为361kN/m2时，基坑地表沉降最大值7.2mm，距基坑边4.87m，约为0.41H；支护桩刚度为766kN/m2时，基坑地表沉降最大值4.4mm，距基坑边5.27m，约为0.44H；支护桩刚度为1049kN/m2时，基坑地表沉降最大值3.6mm，距基坑边5.27m，约为0.44H；支护桩刚度为1401kN/m2时，基坑地表沉降最大值3.0mm，距基坑边5.66m，约为0.47H。

图2 实例2不同支护桩刚度下计算结果对比

由图2(a)可知，支护桩刚度为593kN/m2时，支护桩水平位移最大值15.2mm;支护桩刚度为1258 kN/m2时，支护桩水平位移最大值10.1mm；支护桩刚度为1724 kN/m2时，支护桩水平位移最大值8.5mm；支护桩刚度为2302 kN/m2时，支护桩水平位移最大值7.3mm。水平位移最大值位置距桩顶约9.5m，约为0.59H。

由图2(b)可知，支护桩刚度为593 kN/m2时，基坑地表沉降最大值8.7mm；支护桩刚度为1258 kN/m2时，基坑地表沉降最大值5.7mm支护桩刚度为1724 kN/m2时，基坑地表沉降最大值4.8mm；支护桩刚度为2302kN/m时，基坑地表沉降最大值4.1mm。地表沉降最大值位置距基坑边5.94m，约为0.37H。

支护桩刚度对桩水平位移和地表沉降影响如图3所示。

图3 支护桩刚度对桩水平位移和地表沉降影响示意图

由图3可知，支护桩刚度的改变对桩水平位移和地表沉降的影响十分显著，随着支护桩刚度的增大，桩水平位移和地表沉降逐渐减小。当支护桩刚度增大到2000kN/m2以后，桩水平位移和地表沉降减小速率趋于平缓，所以支护桩刚度不宜大于2000 kN/m2。

3内支撑刚度的影响

混凝土支撑取内支撑刚度分别为，，，等4组参数进行计算。分别以实例1桩径1.0m和实例2桩径1.0m为例分析内支撑刚度对支护桩变和地表沉降的影响。实例1和实例2岩层弹性模量分别为450MPa和6000MPa岩层弹性模量。支护桩水平位移和地表沉降的数值计算结果分别如图4和图5所示，图例中数字代表内支撑刚度。

图4实例1不同内支撑刚度下计算结果对比

从图4（a)可以得，内支撑刚度为150MN/m2时，桩水平位移最大值为8.4mm；内支撑刚度为300 MN/m2时，桩水平位移最大值7.5mm；内支撑刚度为450 MN/m2时，桩水平位移最大值7.3mm；内支撑刚度为600 MN/m2时，桩水平位移最大值7.1mm。桩水平位移最大值位置距桩顶6.5m，约为0.54H。内支撑刚度在300 MN/m2以后，桩水平位移变化已不明显。

从图4(b)可得，内支撑刚度为150 MN/m2时，基坑地表沉降最大值4.9mm；内支撑刚度为300 MN/m2时，基坑地表沉降最大值4.6mm；内支撑刚度为450 MN/m2时，基坑地表沉降最大值4.2mm；内支撑刚度为600 MN/m2时，基坑地表沉降最大值4.1mm。地表沉降最大值位置距基坑边约为5.27m，约为0.44H。

图5实例2不同内支撑刚度下计算结果对比

从图5(a)可得，内支撑刚度为150MN/m2时，桩水平位移最大值为11.4mm；内支撑刚度为300 MN/m2时，桩水平位移最大值10.1mm；内支撑刚度为450 MN/m2时，桩水平位移最大值9.6mm；内支撑刚度为600 MN/m2时，桩水平位移最大值9.3mm。桩水平位移最大值位置距桩顶10m，约为0.63H。内支撑刚度在300 MN/m2后，桩水平位移减小速率趋于平缓。

从图5(b)可得，内支撑刚度为150 MN/m2时，基坑地表沉降最大值6.5mm；内支撑刚度为300 MN/m2时，基坑地表沉降最大值5.7mm；内支撑刚度为450 MN/m2时，基坑地表沉降最大值5.4mm；内支撑刚度为600 MN/m2时，基坑地表沉降最大值5.3mm。地表沉降最大值位置距基坑边约为6.39m，约为0.40H。

内支撑刚度对支护桩水平位移和基坑地表沉降影响如图6所示，它表示岩层弹性模量为450MPa的例1。

图6内支撑刚度对支护桩水平位移和地表沉降影响示意图

从图4-18中可以看出，随着混凝土内支撑刚度的增大，支护桩水平位移和地表沉降逐渐减小，在内支撑刚度值达到450MN/m2一定后，变形值减小速率趋于平缓，所以，混凝土内支撑刚度不宜大于450MN/m2。

4支护桩嵌固深度的影响

混凝土内支撑时，支护桩嵌固深度的影响分析思路同钢管内支撑，插入比计算范围还是0.1~0.5，以0.1为一个增量步长，分别计算0.8m桩径和1.0m桩径时嵌固深度的支护桩的影响，桩净距为300mm。

分别以实例1桩径0.8m和实例2桩径1.0m为例分析嵌固深度对支护桩变形和地表沉降的影响。实例1和实例2岩层弹性模量都为450MPa。支护桩水平位移和地表沉降的数值计算结果分别如图7和图8所示，图例中数字代表插入比。

图7实例1不同嵌固深度下计算结果对比

从图7(a)可得，插入比为0.1时，桩水平位移最大值为11.8mm，在插入比增加到0.2以后，桩水平位移最大值始终在10.7mm左右。桩水平位移最大值位置距桩顶6m，约为0.5H。

从图7(b)可得，支护桩桩径为0.8m，插入比为0.1时，基坑地表沉降最大值8mm，此后再增大插入比，地表沉降约为7mm，地表沉降最大值随着插入比的增大变化不大。地表沉降最大值位置距基坑边约为4.87m，约为0.40H。

图8实例2不同嵌固深度下计算结果对比

从图8(a)可得，支护桩桩径为1.0m，插入比为0.1时，桩水平位移最大值为13.8mm，此后随着插入比的增加，桩水平位移最大值始终在12.3mm左右。桩水平位移最大值位置距桩顶11m，约为0.68H。

从图8(b)可得，支护桩桩径为1.0m，插入比为0.1时，基坑地表沉降最大值7.5mm，此后随着插入比的增加，地表沉降约为6.4mm。地表沉降最大值位置距基坑边约为6.83m，约为0.43H。

嵌固深度对桩水平位移和地表沉降的影响如图9所示，它在图中表示例1，岩层弹性模量为450MPa，支护桩桩径为0.8m。

图9 嵌固深度对桩水平位移和地表沉降影响示意图

由图9可知，随着嵌固深度的增加，桩水平位移和地表沉降值逐渐降低，但当插入比达到0.25以后，桩水平位移和地表沉降值减小速率趋于零，插入比再增大对控制支护桩水平位移和地表沉降作用不明显，所以插入比不宜大于0.25。而且较深的嵌固深度也将增大施工难度，但是基坑开挖深度较大时，为保证支护桩的稳定性也可适当增加嵌固深度。

参考文献：

【1】周沈华,杨有海,王随新.深基坑开挖对周边地表沉降影响因素分析[J].土工基础2008,(4)

【2】王静静,张明义,刘俊伟,赵洪福.深基坑变形机理及变形维护理论[J].工业建筑,20038(增刊)

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。