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【摘 要】深基坑的支护工程是工程建设中的重点与难点，对基坑的变形进行有效的控制，可以保障基坑安全性与可靠性。本文通过有限元分析的方法，对深基坑支护设计的影响因素加以分析。首先，进行了真三轴测向卸载应力路径试验。在此基础之上，对深基坑支护设计的影响因素进行了分析，并提出了基坑变形控制的相应对策。
【关键词】深基坑；支护设计；有限元分析
The Finite Element Analysis of Deep Foundation Pit Supporting Design Factors
【Abstract】Deep foundation pit supporting project is the emphases and difficulty of the construction, to effectively control deformation of foundation pit, can guarantee foundation pit safety and reliability. This paper, by using the method of finite element analysis to analysis the influence factors of deep foundation pit supporting design. First of all, the unloading stress path of direction finding true triaxial test. On this basis, the influence factors of deep foundation pit supporting design are analyzed, and put forward the corresponding measures of deformation control.
【Keywords】Deep foundation; Supporting design; Finite element analysis
【中图分类号】TU47 【文献标识码】A 【文章编号】1002-8544（2017）06-0059-03
1.前言
我国城镇化进程加快的同时，也使城市的人口数量急剧增多，城市的空间更加地拥挤，对于土地的需求不断增加，但实际可用土地资源却日益减少。所以，在城市中高层建筑以及超高层建筑越来越多，同时人们也更加关注建筑物地下空间的使用。现阶段，我国城市中地下工程的数量不断增加，例如，大量地下车库、地下商场等开工建设。而在高层建筑以及地下工程的建设过程中，必然会涉及到深基坑工程，深基坑的支护也相应地受到了人们的重视，越来越多的学者开始对深基坑支护的影响因素进行分析与研究。现阶段，最为重要的分析工具是通过有限元法对深基坑支护影响因素进行分析。不过，采用有限元方法对深基坑支护进行分析时，要求土工参数必须较为精确。而若要获得相对精确的土工参数，需要进行三轴试验。不过，在工程设计过程中，大多数工程都不会进行三轴试验，都是通过套用一些相似地层的参数，从而使有限元分析方法所得出的结果不具有较高的准确性。因此，有必要对深基坑支护设计中的影响因素进行有限元分析研究，建立可靠的模型参数，使深基坑支护设计具有更为可靠的依据。
2.真三轴测向卸载应力路径试验
（1）土所具有的应力-应变性所表现出的关系并非是线性关联的，土的形变除了和最开始以及最终所受到的应力有关联，同时也会和应力的作用路径存在很大的关联性。通过实践证明，采用各异的应力路径，试验获得的土应力-应变关系是各不相同的。现阶段，我国在进行应力-应变曲线研究时，大多数是采用普通三轴试验对卸荷机理进行研究，而此种方法无法得到相对精确的数据。所以，此次采用真三轴试验的方法，利用ZSY-1型试验仪器，来更加准确地获得，侧向卸荷作用之下的土应力-应变参数。此次试验所产用的土质为某深基坑工程之中的原状粘土，该深基坑工程的土层分布是：上层为3m左右的黄褐色粘土，中层为17m左右的灰色粘土，下层是灰色淤泥质粘土。该区域的地下水位维持在地表以下的1.4m～2.7m之间，属于潜水类型。地下水的补给多是通过地表径流而来。所采取的土试样在饱和处理之后，依据50kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa、250kPa、300kPa等不同的围压对土等向的固结处理。在对不同的试样维持特定的竖向压力情况下，控制土试样某一侧不发生形变，而在相对的一侧通过分级卸荷的方式进行试验，对土在平面的应变作用之下侧面卸荷所得到的数据进行收集、处理与分析，从而得到不同的关联曲线。此次不仅对土体进行了真三轴试验，也同时做了普通三轴试验，通过对比分析，得出：采用真三轴试验时，土体对应的应力-应变关系，在固结压力不断增大时，其应变情况逐步地由硬化型而向软化型发生转化，如图1所示。其中曲线①、曲线②、曲线③、曲线④、曲线⑤分别代表围压为300Kpa、250Kpa、200Kpa、150Kpa、100Kpa时的应力应变曲线。
图2 普通三轴卸荷试验应力-应变关系曲线
因为在中间主应力作用之下，所得到的应力-应变曲线明显呈渐陡趋势。同时，土体的极限应变也逐渐随之减小。这表明了，若是中间主应力和大主应力以及小主应力不相同情况之下，试样可以承载更大的载荷作用。不过，土体发生破坏时，所产生的应变会随之减小。
（3）土体在进行真三轴试验时，若是固结压力有所降低，孔隙的水压力和正压力可以看成是线性变化的关系。在土体的固结压力不断加大时，土体会逐渐的表现出剪缩的特性。而在固结压力处于相对小的情况下，土体表现出较强的剪胀性。
3.有限元分析方法在深基坑工程中的应用
建筑基坑工程通常是一些不规则的结构组合，具有相对强烈的空间效应。而在基坑发生形变方面，大量实践证明，采用二维进行基坑形变的计算，要比采用三维对基坑的形变进行计算时，转角位置的形变所得出的计算结果要多出15%左右。不过，对于基坑中其余的一些结构进行形变计算，两种计算方法不具有太大的差异性。实践证明，很多的基坑工程出现失稳问题，多是由于基坑拐角位置所设置的支护结构出现失效问题。所以，若把基坑的形变计算以二维方式进行，是相对安全可靠的。所以，在此通过二维非线性有限元分析方法，对基坑工程的形变情况加以分析。在基坑结构中，包含有地下连续墙、桩基、拉杆、支撑等结构，结构多是采用钢结构或是钢混结构形式，能够将其看成是均质性的弹性构件，此种类型的结构本构关系满足胡克定律。
在对土体进行加载的时候，初级阶段能够将土体当成是线性弹性结构，在加载应力不断加大时，土体自身会发生屈服，逐步的由线性弹性结构转变为弹塑性结构。此时，土体不仅会发生弹性形变，同时也会发生塑性形变。对于弹塑性结构，应当采用非线性的弹性形变模型，如此才可以更加准确地表现土体发生应力-应变时所存在的规律性。
4.深基坑支护设计的影响因素分析
在基坑施工过程中，进行土方开挖作业时，势必影响到基坑自身的稳定性，同时也会对支撑结构造成一定的影响，使支撑结构以及基坑附近的地表出现一定的形变。所以，若是处于建筑相对密集分布的区域，进行基坑工程的施工时，要求基坑应具备较高的稳定性。而全面分析基坑支护设计中的影响因素，能够在设计过程中避免一些基坑失稳问题的发生，同时可以确保基坑施工中采用更为科学与合理的方法，以使基坑的形变得以有效的控制。
4.1 基坑工程简介
某工程项目为广场工程，其中有广场、公寓、停车场等多个建筑物，地下部分共三层，基坑的形状非常不规则。在对基坑开挖时，采用先支撑后开挖的方法，土方开挖共分为四层，基坑的围护是依靠地下连续墙体和三层钢混框架作为主要支护结构。
4.2 影响因素分析
在基坑支护设计时，对基坑形变产生影响的因素非常多，其主要包含有基坑所具有的形状以及深度、所采用的围护墙具有的刚度和围护墙的入土深度、基坑支护的内支撑、基坑支撑设计的方位以及开挖区域的土体加固情况等。
4.2.1 围护墙所具有的刚度造成的影响分析
围护墙的刚度很大程度上和围护墙所具有的厚度有关。所以，在此把围护墙的墙体厚度值设定为0.6m、0.8m、1.0m、1.2m四个等级分别进行分析。对围护墙刚度对基坑支护设计影响分析时，所选用的其余参数均一定。经过试验发现，采用围护墙结构由0.8m变为1.0m过程中，墙体发生水平位移的距离显著的变小，在围护墙厚度到达1.0m时，墙体发生水平位移的距离更加的小。所以，通过加大围护墙厚度的方法，能够使墙体发生水平位移的距离有所缩小。不过，当围护墙的厚度值再加大时，其对位移的影响效果不太明显。并且，若是加大了围护墙的厚度值，也会导致整个工程的成本投入有所增加。所以，若是在围护墙到达设计及标准要求的前提下，单纯的依靠加大围护墙厚度的方法，以缩小墙体位移是不合理的。
4.2.2 基坑开挖宽度所造成的影响
此次试验取基坑的开挖宽度值分别为原基坑开挖宽度值的0.5倍、1.0倍、1.5倍共三个级别分别分析，保证其余的参数值固定。经过试验得出，当基坑开挖宽度不断加宽时，墙体发生水平位移的距离也会随之加大。而若是开挖的宽度逐渐减小，墙体发生水平位移的距离也会随之减小。所以，进行基坑开挖作业时，要想更好的保障墙体安全性，应当尽量的减小基坑开挖的宽度值。而且，基坑的长度与宽度比例逐渐增加时，最短的墙体发生水平位移的距离也会随之加大，它们之间存在着线性变化的关系。
4.2.3 基坑中土体加固处理所造成的影响
在基坑的被动区域之中，对土地进行加固处理，能够有效的改善基坑所具有的稳定性，还可以使基坑的形变情况得以改善。在进行土体的加固处理时，应当控制好加固区域的形状、大小、深度以及所采用的土体加固处理方法。若基坑中被动区域中土体所具有的刚度值有所增加，则墙体发生水平位移距离也会明显的缩小，同时，底端所发生的位移也会相对减小。所以，通过对基坑中被动区域内土体进行加工处理，能够有效减少墙体发生位移距离。因此，采用这种方法来改善基坑支护的效果是极为有利的，同时也无须太多的成本投入。
4.2.4 插入深度所造成的影响
在基坑的支护设计过程中，围护墙插入土中的深度会在很大程度上影响到基坑的稳定性。很多的基坑工程发生安全事故，是由于在设计时，未能把围护墙的插入深度设定合理，使围护墙入土深度较浅，最终使基坑出现坍塌事故。此次试验把围护墙的插入深度设定成原插入深度值得1.3倍、1.0倍以及0.6倍，而其他的相关参数维持固定值。经过试验得出，当围护墙的插入深度由之前插入深度的0.6倍转换为1.0倍时，墙体所形成的水平位移距离出现了极为显著的缩小。不过，在围护墙的插入深度为之前插入深度的1.3倍时，所形成的水平位移并未发生较大的改变。经过大量实践证明，确保地基无隆起、无失稳等问题时，即围护墙的插入深度符合标准的最低要求时，围护墙的插入深度和其所形成的水平位移并没有较大的关联性。不过，应当注意最终明确所使用的支护方案以后，个别的施工单位为了可以获得更大的利润，会私自少用支护结构，会使围护墙的插入深度无法满足相应的支护要求，从而使整个支护结构失去应有的稳定性与安全性。
4.3 基坑变形控制对策
在深基坑工程设计与施工过程中，会涉及很多方面的内容，属于系统性工程。而所有的基坑安全事故的发生，均是由于不同的因素所作用而导致的。不过，我们如果可以更加全面、正确的了解到基坑发生形变的机理以及影响基坑形变的有关因素，依据科学的理论对深基坑支护结构进行设计，控制好深基坑施工中的所有环节，一定可以确保基坑支护的稳定性、安全性以及经济性。不仅应当全面分析深基坑支护设计过程中存在的影响因素，同时进行深基坑支护作业过程中，也应当依照工程所在地的地质、水文等条件，并结合工程的自身特点，而制定科学的基坑支护方案。同时，可以通过制定下列相关对策，以达到有效控制基坑变形的目的。
（1）恰当地提高支护结构所具有的刚度。可以通过增加桩基混凝土材料的标号、扩大桩基的直径、加大围护墙的厚度等方法，以防止基坑出现较大的侧向位移。不过，若是支护结构所具有的刚度过大时，所发挥的效用也并没有太大的改观，同时也会使支护工程的成本投入过大。
（2）在设计中一定要确保围护墙的插入深度满足要求，不然极易发生“踢脚”问题，使整个支护结构的侧向位移明显加大。不过，若是围护墙的插入深度已经达到了最小插入深度的要求时，再加大插入深度也不会对减小位移起到多大的作用。
（3）深基坑的施工时，被动区域之中的地基土会对基坑的平移产生非常大的影响。若是在施工之前，对被动区域之中的地基土加以改良与加固处理，会使基坑的平移距离明显的缩小，同时也会有效避免基坑底部发生隆起问题。而且，对地基土进行加固处理，所投入的成本也较少，用于改善基坑形变是非常有利的。
5.结语
我国社会经济取得了快速地发展，有效推动了城镇化进程，不少的城市开始大量建设高层、超高层以及地下建筑，深基坑的支护设计也随之发展成为了研究的热点。而现阶段，对基坑支护的研究大多是通过有限元方法完成，且主要是以二维形式。不过，在基坑工程不断向更深、更大的方向发展过程中，通过三维有限元方法进行基坑支护的分析也逐渐被广泛应用，应当加以重视。深基坑支护是工程建设中极为重要的内容之一，基坑支护作业的安全性会对建筑工程的安全性产生极大的影响。而对于不同影响基坑支护安全性的因素进行分析，可以有助于我们制定更加具体与科学的防范策略，从而使基坑的变形得以有效的控制，以更好地控制深基坑施工的质量，同时确保施工安全的人身安全，防止施工中安全事故的发生。
参考文献
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论文作者:沈滨
论文发表刊物:《建筑知识》2017年6期
论文发表时间:2017/6/16
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