浅谈基坑悬臂支护结构侧摩阻力对结构稳定性影响

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1、浅谈基坑悬臂支护结构侧摩阻力对结构稳定性影响　　[摘要]本文针对悬臂支护结构，研究了其侧摩阻力分布及其对结构稳定性的影响。首先，采用规范方法对基坑进行稳定性计算；第二，采用数值方法、函数拟合研究了不同开挖深度下支护结构两侧的摩阻力分布规律，及其产生的抗倾覆力矩；第三，对比分析了侧摩阻力对支护结构稳定性的影响。所得结论具有一定的学术和实用意义。[关键词]悬臂支护结构侧摩阻力稳定性有限元基坑中图分类号：TD3文献标识码：A1前言近年来随着我国深基坑工程的日益增多，如何对基坑进行安全有效地支护成为了重要的工程课题。悬臂支护结构是基坑支护广泛采用的结构型式，传统的

2、悬臂支护结构稳定性分析仅考虑主、被动土压力的作用[1][2]，而基坑开挖后的悬臂支护结构会在两侧受到基坑内外侧土体作用的侧摩阻力，其亦会对支护结构的稳定性产生一定的影响[3]。因此，支护结构侧摩阻力对其稳定性的影响尚需要进一步的研究。7因此，本文主要探讨不同开挖深度下支护结构侧摩阻力的大小与分布，并与土体的嵌固作用进行对比，并对其支护结构稳定性的影响进行分析。2土体参数与计算模型某工程的基坑为24×35m，计划开挖深度6m，基坑底处于地下水位以上，采用密排悬臂支护桩，地面无堆载，桩土摩擦系数0.3。该基坑所在土体为均质砂土，土重度为21kN/m3，泊松比为

3、0.25，压缩模量4MPa，内摩擦角23°，粘聚力为0kPa；支护桩桩径0.8m，桩长14m。将密排悬臂桩支护简化为平面应变问题，在基坑长边中部取计算剖面。选取开挖深度为1m、3m及6m时的三种工况，利用有限元软件ANSYS建立模型进行分析。计算深度取两倍支护桩埋深，即28m；计算宽度取支护桩两侧各20m，约束土体侧面与底面的法向自由度并施加重力荷载。3采用规范方法的基坑稳定分析按照规范中抗倾覆力矩的计算方法[1]，可知开挖侧被动土压力公式为：(1)式中：ppk─支护结构内侧的被动土压力强度标准值(kPa)；σpk─支护结构内侧的土中竖向应力标准值(kPa

4、)；Kp─被动土压力系数；c、─土的粘聚力(kPa)、内摩擦角(°)。7对于1m、3m、6m的基坑开挖深度，由公式（1）计算开挖侧支护结构所受的被动土压力，进而求得抗倾覆力矩分别为：Mp1=17552.2kN·m、Mp3=10633.6kN·m及Mp6=4090.5kN·m。按照规范中倾覆力矩的计算方法[1]，可知基坑外侧主动土压力公式为：(2)式中：pak─支护结构外侧的主动土压力强度标准值(kPa)；σak─支护结构外侧的土中竖向应力标准值(kPa)；Ka─主动土压力系数。对于1m、3m、6m的基坑开挖深度，由公式（2）计算基坑外侧支护结构所受的主动土

5、压力，进而求得倾覆力矩为：Ma=4207.4kN·m。按照规范中的稳定性验算公式[1]，可知安全系数为：（3）式中：Kem─嵌固稳定安全系数；Eak、Epk─基坑外侧主动土压力、基坑内侧被动土压力合力的标准值(kN)；za、zp─主、被动土压力合力作用点分别至挡土构件底端的距离(m)；Mpi─基坑开挖深度为i时的抗倾覆力矩标准值(kN·m)；Ma─倾覆力矩标准值(kN·m)。7不计入侧摩阻力的影响，将各开挖深度下的抗倾覆力矩与倾覆力矩代入（3）式，可得各开挖深度下的安全系数分别为：Kem1=4.17、Kem3=2.53、Kem6=0.97。可见当开挖深度为

6、6m时，安全系数值已低于1，说明支护结构此时存在倾覆危险。4考虑侧摩阻力的基坑稳定分析4.1侧摩阻力分布及其抗倾覆力矩通过有限元分析，可得出基坑不同开挖深度下分别作用于支护结构基坑开挖侧与基坑外侧的摩阻力分布，分别如图2、图3所示，其中作用方向沿支护结构侧面向上者为正值，反之为负。图2各开挖深度支护结构开挖侧所受摩阻力如图2所示，在各个开挖深度下，支护结构开挖侧所受的摩阻力沿深度方向均呈先增大后减小的趋势，且摩阻力的最大值随着开挖深度的增加不断增大。将图2中的各摩阻力分布曲线进行三次函数拟合，可得出各开挖深度下支护结构开挖侧的摩阻力分布函数：将以上各式沿深

7、度积分，可得出开挖深度为1m、3m与6m时，支护结构开挖侧所受的由摩阻力产生的抗倾覆力矩分别为：167.5kN·m、307kN·m及252.6kN·m。当开挖深度为1m及3m时，支护结构开挖侧摩阻力产生的抗倾覆力矩呈增长态势，而当开挖深度为6m时，其值开始下降，说明由支护结构开挖侧摩阻力产生的抗倾覆力矩会随着开挖深度的增加而先增长后下降，这与支护结构在土中的嵌固部分长度有关[4]。7与开挖侧情况相类似，支护结构在基坑外侧所受的摩阻力沿深度方向亦呈先增大后减小的趋势，但在支护结构的顶端和低端，变化速率较开挖侧更高。摩阻力的最大值同样随着开挖深度的增加而增大，

8、如图3所示。图3各开挖深度支护结构基坑外侧所受摩阻力将图3中的各摩