表3 各方案数值模拟结果数据
Tanble 3 The data of every numerical simulation result
由数值模拟结果可知：
1）通过与上文数据比较，可验证数值模拟结果的可靠性。同时也证明在控制基坑变形方面，内支撑结构的确较被动区加固更优
2）从桩身变形情况来看，内支撑可有效控制桩顶位移，两道内撑方案较二级阶梯方案缩小了近40%。而被动区加固可有效控制靠近坑底两侧的桩身变形，矩形式加固方案较一道内撑方案缩小了近78%。究其原因主要是因为内支撑直接联系在支护桩悬臂段，从侧面看两者形成“门”式结构支撑开挖后的基坑，故对基坑两侧支护桩尤其是悬臂段控制较好。而被动区加固则主要改良了坑底土质，使强度提高，故坑底两侧的桩身变形更小。
3）从坑底隆起情况来看，几种方案效果类似。但内支撑方案的最大变形更小，而被动区加固方案对坑底两侧土体的控制效果更佳。
4）从坑外土体变形情况来看，内支撑效果更好，两道内撑方案较二级阶梯方案缩小了近26%。这是由于内支撑提高了悬臂段结构整体刚度，故能有效控制坑外地表附近土体变形。
5）对比不同形式的被动区加固，矩形式的最好，一级阶梯其次，二级阶梯再次。但三者数据差别微小，故在符合规范要求保证安全的情况下，采用阶梯式被动区加固形式，可适当降低造价，节约成本。
5）对比两种内支撑方案，两道内支撑由于设置了第一层在桩顶附近故可更好地控制支护桩顶位移，使位移减小了20%左右。
4 结论
1） 武汉地区存在深厚淤泥质软土层，在基坑工程中尤其当开挖坑底出露该土层时需着重注意。
2）采用被动区加固及内支撑方案都可有效保证基坑工程的安全，但不同方案各有特点、优劣。如被动区加固可有效改善坑底的结构与土体变形，但要注意开挖悬臂段及坑底坑外未加固区域土体的变形情况。内支撑方案可有效改善支护桩悬臂段结构及土体变形，但要注意坑底回弹变形。故在确定方案时需针对场地工程地质条件，周边环境条件并考虑经济、工期等因素综合选取。施工时要做好实时监测。
3）不同被动区加固形式产生的效果不同，在保证质量的情况下选取适当加固形式如阶梯式，可以降低造价，节约成本。
4）多层内支撑较单层内支撑效果更好，主要体现在控制支护桩悬臂段变形上。
5）被动区加固方案仅改变土体性质，故支护桩身内力分布仍符合悬臂支护桩一般规律。但内支撑方案由于支撑力作用，将改变支护桩桩身内力分布，最大弯矩点发生移动，在结构配筋时需要注意该差异。
参考文献：
[ 1 ] 张宇捷，李俊才，陈志宁等..软土基坑中被动区加固对周围环境的影响.施工技术，2009.11:91—93
The impact on the surrounding environment.Reinfor-
rcement in passive zonereinforcement of soft soil fo- undation pit impact on the surrounding enviroment in soft soil in passive area. Zyujie Lijuncai Chen zhinin
construction technique.，2009.11:91—93
[ 2 ] 邱黎，黄健. 旋挖灌注桩+钢筋混凝土内支撑深基坑支护体系在软土地质中的应用.施工技术，2012-S00
Reinforced concrete supporting system of deep foundation pit support in soft soilgeological
application.Qiu li, Hhuang jian, construction techniq-
ue,2012-S00
[ 3 ] 建筑基坑支护技术规程JGJ120-2012
[ 4 ] 基坑工程技术规程（湖北）DB42/159—2004
[ 5 ] 郑俊杰，章荣军，丁烈云等.基坑被动区加固的位移控制效果及参数分析[J].岩石力学与工程学报, 2010, 29(5): 1042–1051.
Analysis of displacement control effects and parameter of passive zone. Zhen junjie,Zhang rongjun,Ding lieyun Chinese Journal of rock mechanics and Engineering2010, 29(5): 1042–1051.
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武汉软土地区两种支护形式的差异分析
发布时间：2018-06-11
[摘 要]以武汉软土地区某典型基坑工程为背景，分别采用坑内被动区加固及内支撑两种支护形式进行设计计算，利用PLAXIS数值模拟软件建立模型进行分析。结果表明，从控制结构内力与变形情况来看，不同形式的被动区加固与内支撑方案均对应不同结果，且都存在优化空间。被动区加固中，矩形式最好，一级阶梯其次，二级阶梯再次，使用时要注意支护桩悬臂段变形；内支撑中两道内支撑比一道内支撑更优，使用时要注意坑底回弹变形情况。整体而言内支撑比被动区加固稳定性好，引起的结构变形更小。
[关键词]软土；基坑支护；被动区加固；内支撑；数值模拟
[关键词]软土；基坑支护；被动区加固；内支撑；数值模拟
0 引言
近年来，武汉市发展迅速。伴随各建筑工程兴建，相应基坑支护的设计与施工也取得了较大发展，不仅在技术上寻求创新，管理上也逐步纳入规范化的轨道。武汉地区存在较深厚的淤泥质软土层。该土层强度低，压缩性大，在基坑工程中需着重注意，若处理不当，极易引起工程事故。
大量工程经验表明，在武汉软土地区采用被动区加固和内支撑结构作为基坑支护方案是切实有效的。被动区加固可有效改良坑内土体性质，由此减小支护结构的内力与变形[1]；而内支撑则通过将支护结构联系成为一个整体，增强其刚度，控制了相应的变形[2]。二者各有优劣，被动区加固施工简单，工期短，但由于加固区域一般较大因此费用较高，故采用合理加固形式提高加固效果是其目前亟待解决的问题。内支撑支护效果好，但施工工期长，需一定养护时间其强度才能显现，且拆撑换撑施工复杂，故提高其结构利用率，探究不同支撑布局形式的效果是十分有必要的[4]。
本文针对武汉软土地区某基坑通过对比矩形式、一级阶梯式、二级阶梯式被动区加固方案以及一道、两道内支撑结构设计方案，按照规范计算相应支护结构内力与变形趋势，采用数值模拟技术比较验证，最终确定两种支护形式的差异，并分析说明产生差异的原因。
1 工程概况
1.1 工程概况
工程拟建主体建筑10栋11层住宅楼，场区
呈规则三角形，地上总建筑面积67480.07m2，地下室总建筑面积22381 m2，采用预应力管桩基础。地下室基坑为不规则多边形，周长约922m，
近年来，武汉市发展迅速。伴随各建筑工程兴建，相应基坑支护的设计与施工也取得了较大发展，不仅在技术上寻求创新，管理上也逐步纳入规范化的轨道。武汉地区存在较深厚的淤泥质软土层。该土层强度低，压缩性大，在基坑工程中需着重注意，若处理不当，极易引起工程事故。
大量工程经验表明，在武汉软土地区采用被动区加固和内支撑结构作为基坑支护方案是切实有效的。被动区加固可有效改良坑内土体性质，由此减小支护结构的内力与变形[1]；而内支撑则通过将支护结构联系成为一个整体，增强其刚度，控制了相应的变形[2]。二者各有优劣，被动区加固施工简单，工期短，但由于加固区域一般较大因此费用较高，故采用合理加固形式提高加固效果是其目前亟待解决的问题。内支撑支护效果好，但施工工期长，需一定养护时间其强度才能显现，且拆撑换撑施工复杂，故提高其结构利用率，探究不同支撑布局形式的效果是十分有必要的[4]。
本文针对武汉软土地区某基坑通过对比矩形式、一级阶梯式、二级阶梯式被动区加固方案以及一道、两道内支撑结构设计方案，按照规范计算相应支护结构内力与变形趋势，采用数值模拟技术比较验证，最终确定两种支护形式的差异，并分析说明产生差异的原因。
1 工程概况
1.1 工程概况
工程拟建主体建筑10栋11层住宅楼，场区
呈规则三角形，地上总建筑面积67480.07m2，地下室总建筑面积22381 m2，采用预应力管桩基础。地下室基坑为不规则多边形，周长约922m，
表1 土层物理力学参数
Table 1 Physical and mechanical properties of soil strata
Table 1 Physical and mechanical properties of soil strata
| 土层名称 | 厚度/m | γ/（kN·m-3） | Es/Mpa | 泊松比 | c/kPa | φ/（°） |
| 素填土 | 0.5 | 18.0 | 4.0 | 0.40 | 10 | 8 |
| 粘土 | 1.6 | 18.3 | 3.88 | 0.42 | 13 | 9 |
| 淤泥质粘土夹粉土 | 6.2 | 17.3 | 2.53 | 0.46 | 8 | 5 |
| 砂质粘土 | 6.0 | 18.2 | 3.97 | 0.41 | 13 | 9 |
| 粘土 | 2.2 | 18 | 11.55 | 0.34 | 50 | 14 |
| 砂质粘土 | 4.5 | 18.7 | 4.38 | 0.38 | 15 | 10 |
总开挖面积38667 m2。
1.2 工程地质条件
场地处于汉水Ⅰ级阶地前缘与Ⅱ级阶地交汇处，属冲积平原区类型。地基土层可划分为4个层组，第1层组为人工填土堆积层，第2层组为第四系全新统的粘性土，第3层组为第四系上更新统冲积成因的粘土，砂性土，第4层组为第四系上更新统冲积成因的密实砾石。坑底主要出露第2层组中的淤泥质粘土，其含水率高，具高压缩性，抗剪强度低，应当重视。相应土层参数如表1所示（表中γ为重度，Es 为压缩模量，c为粘聚力，φ为内摩擦角）
2 方案设计
2.1 坑内被动区加固方案
排桩结合坑内被动区加固支护形式，支护桩径1.1m，桩间距1.4m，桩长18m，被动区加固为矩形式，地质剖面及设计尺寸如图1所示。
图1 被动区加固方案地质剖面及设计尺寸
Fig.1 Geological section and design size in
strengthened soils in passive zone
2.2 内支撑方案
排桩加内支撑支护方案，支护桩径1.1m，桩间距1.4m，桩长18m，采用一道、两道内支撑支护形式，地质剖面及设计尺寸如图2、图3所示。
图2 一道内支撑支护方案地质剖面及设计尺寸
Fig.2 Geological section and design size of
structure scheme with one interior support
图3 两道内支撑支护方案地质剖面及设计尺寸
Fig.3 Geological section and design size of
structure scheme with two interior supports
3 计算分析与数值模拟
3.1 计算分析
根据《建筑基坑支护技术规程》相关规定[3-4]进行计算，各方案影响结构内力及结构变形结果如图4、图5、图6、表2所示
图4 各设计方案桩顶位移对比
Fig.4 The contrast of soldier piles’
displacement in every design
图5 各设计方案桩身弯矩对比
Fig.5 The contrast of moments
in every design
图6 各设计方案桩身剪力对比
Fig.6 The contrast of shearing
force in every design
表2各设计方案计算结果
Table 2 The calculation of every design
由结果可得：
1）内支撑方案较被动区加固方案更优，引起结构内力及变形更小。
2）对比内支撑与被动区加固方案，前者可极大减小桩顶位移，控制桩身最大弯矩，减小量均可达到50%左右。但从控制桩身最大剪力来看两者效果类似。
3）比较一道与两道内支撑方案，两道内支撑能进一步减小桩顶位移，但无法继续减小桩身最大弯矩与最大剪力。
4）被动区加固方案中，最大弯矩点位于桩身距桩顶1/2至2/3处左右，符合目前对悬臂支护桩桩身内力分布的认识。但布置内支撑后，由于支撑力作用，桩身最大弯矩减小，并由图5可知，最大弯矩点也发生移动，且变化规律与布撑数量及位置均有关系。
3.2 数值模拟
利用数值模拟软件进行计算，土层参数参考表1，被动区加固土体按摩尔库伦模型取Es为5.0Mpa，c=60kPa，φ=0°，为简化模型方便计算，假设①各土层界面呈水平；②忽略冠梁，支护桩顶按自由端约束计算；③不考虑基坑降水；④默认开挖过程即时完成[5]。建立模型后进行相应计算，得到结果如下列图及表所示。
图7 矩形式被动区加固数值模拟结果
Fig.7 The numerical simulation result of strengthened soils in rectangular passive zone
图8一道内支撑方案数值模拟结果
Fig.8 The numerical simulation result of structure scheme with one interior support
图9两道内支撑方案数值模拟结果
Fig.9 The numerical simulation result of structure scheme with two interior supports
为分析不同被动区加固形式产生效应，现建立一级、两级阶梯式被动区加固模型进行计算，相应结构尺寸与计算结果如下图所示
图10 一级阶梯式被动区加固形式
Fig.10 a form of one stept in strengthened
soils in passive zone
图11 二级阶梯式被动区加固形式
Fig.11 a form of two stepts in strengthened
soils in passive zone
图12一级阶梯式被动区加固数值模拟结果
Fig.12 The numerical simulation result of one stept in
strengthened soils in passive zone
图13二级阶梯式被动区加固数值模拟结果
Fig.13 The numerical simulation result of two stepts in
strengthened soils in passive zone
图 14 各方案桩身位移对比结果
Fig.14 The comparision result of
displacement in every design
图 15 各方案坑底隆起位移对比结果
Fig.15 The comparision result of
the bottom displacement in every design
图 16 各方案坑外土体变形位移对比结果
Fig.16 The comparision result of the outside soil deformation in every design
1.2 工程地质条件
场地处于汉水Ⅰ级阶地前缘与Ⅱ级阶地交汇处，属冲积平原区类型。地基土层可划分为4个层组，第1层组为人工填土堆积层，第2层组为第四系全新统的粘性土，第3层组为第四系上更新统冲积成因的粘土，砂性土，第4层组为第四系上更新统冲积成因的密实砾石。坑底主要出露第2层组中的淤泥质粘土，其含水率高，具高压缩性，抗剪强度低，应当重视。相应土层参数如表1所示（表中γ为重度，Es 为压缩模量，c为粘聚力，φ为内摩擦角）
2 方案设计
2.1 坑内被动区加固方案
排桩结合坑内被动区加固支护形式，支护桩径1.1m，桩间距1.4m，桩长18m，被动区加固为矩形式，地质剖面及设计尺寸如图1所示。
图1 被动区加固方案地质剖面及设计尺寸
Fig.1 Geological section and design size in
strengthened soils in passive zone
2.2 内支撑方案
排桩加内支撑支护方案，支护桩径1.1m，桩间距1.4m，桩长18m，采用一道、两道内支撑支护形式，地质剖面及设计尺寸如图2、图3所示。
图2 一道内支撑支护方案地质剖面及设计尺寸
Fig.2 Geological section and design size of
structure scheme with one interior support
图3 两道内支撑支护方案地质剖面及设计尺寸
Fig.3 Geological section and design size of
structure scheme with two interior supports
3 计算分析与数值模拟
3.1 计算分析
根据《建筑基坑支护技术规程》相关规定[3-4]进行计算，各方案影响结构内力及结构变形结果如图4、图5、图6、表2所示
图4 各设计方案桩顶位移对比
Fig.4 The contrast of soldier piles’
displacement in every design
图5 各设计方案桩身弯矩对比
Fig.5 The contrast of moments
in every design
图6 各设计方案桩身剪力对比
Fig.6 The contrast of shearing
force in every design
表2各设计方案计算结果
Table 2 The calculation of every design
| 桩顶最大位移/mm |
桩身最大弯矩 /（kN·m） |
桩身最大剪力/kN | |
| 被动区加固方案 | 71 | 1237 | 304 |
| 一道内支撑方案 | 47 | 519 | 277 |
| 两道内支撑方案 | 30 | 632 | 263 |
由结果可得：
1）内支撑方案较被动区加固方案更优，引起结构内力及变形更小。
2）对比内支撑与被动区加固方案，前者可极大减小桩顶位移，控制桩身最大弯矩，减小量均可达到50%左右。但从控制桩身最大剪力来看两者效果类似。
3）比较一道与两道内支撑方案，两道内支撑能进一步减小桩顶位移，但无法继续减小桩身最大弯矩与最大剪力。
4）被动区加固方案中，最大弯矩点位于桩身距桩顶1/2至2/3处左右，符合目前对悬臂支护桩桩身内力分布的认识。但布置内支撑后，由于支撑力作用，桩身最大弯矩减小，并由图5可知，最大弯矩点也发生移动，且变化规律与布撑数量及位置均有关系。
3.2 数值模拟
利用数值模拟软件进行计算，土层参数参考表1，被动区加固土体按摩尔库伦模型取Es为5.0Mpa，c=60kPa，φ=0°，为简化模型方便计算，假设①各土层界面呈水平；②忽略冠梁，支护桩顶按自由端约束计算；③不考虑基坑降水；④默认开挖过程即时完成[5]。建立模型后进行相应计算，得到结果如下列图及表所示。
图7 矩形式被动区加固数值模拟结果
Fig.7 The numerical simulation result of strengthened soils in rectangular passive zone
图8一道内支撑方案数值模拟结果
Fig.8 The numerical simulation result of structure scheme with one interior support
图9两道内支撑方案数值模拟结果
Fig.9 The numerical simulation result of structure scheme with two interior supports
为分析不同被动区加固形式产生效应，现建立一级、两级阶梯式被动区加固模型进行计算，相应结构尺寸与计算结果如下图所示
图10 一级阶梯式被动区加固形式
Fig.10 a form of one stept in strengthened
soils in passive zone
图11 二级阶梯式被动区加固形式
Fig.11 a form of two stepts in strengthened
soils in passive zone
图12一级阶梯式被动区加固数值模拟结果
Fig.12 The numerical simulation result of one stept in
strengthened soils in passive zone
图13二级阶梯式被动区加固数值模拟结果
Fig.13 The numerical simulation result of two stepts in
strengthened soils in passive zone
图 14 各方案桩身位移对比结果
Fig.14 The comparision result of
displacement in every design
图 15 各方案坑底隆起位移对比结果
Fig.15 The comparision result of
the bottom displacement in every design
图 16 各方案坑外土体变形位移对比结果
Fig.16 The comparision result of the outside soil deformation in every design
表3 各方案数值模拟结果数据
Tanble 3 The data of every numerical simulation result
| 单位/mm | 矩形式 | 一级阶梯 | 二级阶梯 | 一道支撑 |
两道 支撑 |
| 整体最大变形 | 75.42 | 76.37 | 76.40 | 69.45 | 69.87 |
| 桩身最大变形 | 56.38 | 58.57 | 60.34 | 42.74 | 33.94 |
| 坑底最大变形 | 75.42 | 76.37 | 76.40 | 69.45 | 69.87 |
| 坑外土最大变形 | 64.04 | 63.97 | 63.98 | 55.73 | 47.21 |
1）通过与上文数据比较，可验证数值模拟结果的可靠性。同时也证明在控制基坑变形方面，内支撑结构的确较被动区加固更优
2）从桩身变形情况来看，内支撑可有效控制桩顶位移，两道内撑方案较二级阶梯方案缩小了近40%。而被动区加固可有效控制靠近坑底两侧的桩身变形，矩形式加固方案较一道内撑方案缩小了近78%。究其原因主要是因为内支撑直接联系在支护桩悬臂段，从侧面看两者形成“门”式结构支撑开挖后的基坑，故对基坑两侧支护桩尤其是悬臂段控制较好。而被动区加固则主要改良了坑底土质，使强度提高，故坑底两侧的桩身变形更小。
3）从坑底隆起情况来看，几种方案效果类似。但内支撑方案的最大变形更小，而被动区加固方案对坑底两侧土体的控制效果更佳。
4）从坑外土体变形情况来看，内支撑效果更好，两道内撑方案较二级阶梯方案缩小了近26%。这是由于内支撑提高了悬臂段结构整体刚度，故能有效控制坑外地表附近土体变形。
5）对比不同形式的被动区加固，矩形式的最好，一级阶梯其次，二级阶梯再次。但三者数据差别微小，故在符合规范要求保证安全的情况下，采用阶梯式被动区加固形式，可适当降低造价，节约成本。
5）对比两种内支撑方案，两道内支撑由于设置了第一层在桩顶附近故可更好地控制支护桩顶位移，使位移减小了20%左右。
4 结论
1） 武汉地区存在深厚淤泥质软土层，在基坑工程中尤其当开挖坑底出露该土层时需着重注意。
2）采用被动区加固及内支撑方案都可有效保证基坑工程的安全，但不同方案各有特点、优劣。如被动区加固可有效改善坑底的结构与土体变形，但要注意开挖悬臂段及坑底坑外未加固区域土体的变形情况。内支撑方案可有效改善支护桩悬臂段结构及土体变形，但要注意坑底回弹变形。故在确定方案时需针对场地工程地质条件，周边环境条件并考虑经济、工期等因素综合选取。施工时要做好实时监测。
3）不同被动区加固形式产生的效果不同，在保证质量的情况下选取适当加固形式如阶梯式，可以降低造价，节约成本。
4）多层内支撑较单层内支撑效果更好，主要体现在控制支护桩悬臂段变形上。
5）被动区加固方案仅改变土体性质，故支护桩身内力分布仍符合悬臂支护桩一般规律。但内支撑方案由于支撑力作用，将改变支护桩桩身内力分布，最大弯矩点发生移动，在结构配筋时需要注意该差异。
参考文献：
[ 1 ] 张宇捷，李俊才，陈志宁等..软土基坑中被动区加固对周围环境的影响.施工技术，2009.11:91—93
The impact on the surrounding environment.Reinfor-
rcement in passive zonereinforcement of soft soil fo- undation pit impact on the surrounding enviroment in soft soil in passive area. Zyujie Lijuncai Chen zhinin
construction technique.，2009.11:91—93
[ 2 ] 邱黎，黄健. 旋挖灌注桩+钢筋混凝土内支撑深基坑支护体系在软土地质中的应用.施工技术，2012-S00
Reinforced concrete supporting system of deep foundation pit support in soft soilgeological
application.Qiu li, Hhuang jian, construction techniq-
ue,2012-S00
[ 3 ] 建筑基坑支护技术规程JGJ120-2012
[ 4 ] 基坑工程技术规程（湖北）DB42/159—2004
[ 5 ] 郑俊杰，章荣军，丁烈云等.基坑被动区加固的位移控制效果及参数分析[J].岩石力学与工程学报, 2010, 29(5): 1042–1051.
Analysis of displacement control effects and parameter of passive zone. Zhen junjie,Zhang rongjun,Ding lieyun Chinese Journal of rock mechanics and Engineering2010, 29(5): 1042–1051.