深基坑工程施工模擬研究與應用

中國建筑第四工程局有限公司珠海分公司 深圳 518109

1 工程概況

莆田萬達廣場總用地面積93 300 m2，總建筑面積約50 800 m2。本工程基坑分為大商業(yè)區(qū)和住宅樓區(qū)2個相對獨立的基坑，2個基坑通過中間寬18 m的土體隔開，大商業(yè)區(qū)基坑面積42 000 m2，周長1 020 m，深11.0～18.0 m，住宅樓區(qū)基坑面積32 000 m2，周長920 m，深9.4～17.4 m。

2 基坑工程支護形式

根據(jù)該場地的工程地質、水文地質、周邊環(huán)境、場地現(xiàn)狀等條件，采用灌注樁、旋噴樁、預應力錨桿、土釘墻等支護形式，具體如下：

1）在大商業(yè)區(qū)的東側、西側和北側，開挖深度較大，為9～18 m，采用灌注樁結合1～2道預應力錨索的支護方式，上部按1∶0.4放坡并采用土釘墻支護。

2）除了住宅樓區(qū)的北側外，其他側開挖深度相對較淺，為8～9 m，采用單支點排樁的支護方式，上部按1∶0.4放坡噴錨。

3）在大商業(yè)區(qū)基坑與住宅區(qū)基坑之間的窄長形土條部分（距離約為18 m），采用兩側PHC管樁、冠梁+拉筋的支護方式。

本文以工程最深處的大商業(yè)區(qū)采用灌注樁+2道預應力錨索的支護段作為研究對象，灌注樁為φ1 000 mm＠1 500 mm ，預應力錨桿為φ25＠1 300 mm的一級精軋螺紋鋼。

3 模擬分析

借助有限元分析軟件PLAXIS，對基坑開挖期間土體隨基坑開挖深度的變形進行分析，對最大位移點發(fā)生的位置變化的趨勢等作出一般規(guī)律性的總結，這些理論性的研究對以后基坑支護體系的選型、計算和施工有一定的借鑒作用[1,2]。

3.1 PLAXIS有限元程序簡介

PLAXIS是1種有限元計算軟件，通過建立模型，可以對巖土工程中單元體的變形和穩(wěn)定性進行分析。它可以通過構造先進的模型來模擬土壤的非線性和時間依賴行為，也可以處理土壤中流體靜力學和非流體靜力學氣孔壓力，該程序應用性強、界面友好、建模簡單、方便直觀、計算功能強大，能自動進行網(wǎng)格剖分，重要部位網(wǎng)格可以細分，以提高準確度。

3.2 建模分析

本工程基坑是由大商業(yè)區(qū)和住宅區(qū)2個相對獨立的基坑組成，2個基坑通過中間寬18 m的土體隔開，由于住宅區(qū)基坑地下只有1層，開挖較淺；大商業(yè)區(qū)地下2層，基坑開挖深度9～18 m，相對較深。

我們以大商業(yè)區(qū)基坑為研究對象進行建模。大商業(yè)區(qū)基坑平面尺寸類似于長方形：325.8 m×75.6 m。根據(jù)鉆探揭露，場地地下水初見水位埋深為2.30～4.40 m，混合穩(wěn)定水位埋深為2.00～4.20 m，受季節(jié)性變化影響，本場地常年水位變幅約為2.00 m[3,4]。

3.3 模型的邊界選取

基坑的整體類似于長方形，我們只需選取模型的一半進行分析模擬。根據(jù)大商業(yè)區(qū)的基坑尺寸，選取寬170 m、長35 m的土體作為模型研究。假設位移的計算邊界條件為：模型的左、右邊界水平方向位移為零；豎直方向允許發(fā)生變形；模型下邊界任意方向的變形均為零。

3.4 材料參數(shù)的選取

根據(jù)基坑的尺寸和形狀，采用15結點三角形單元進行計算，使模擬和計算的結果更加接近現(xiàn)場實際情況。在深基坑計算的理論基礎上用板單元代替擋土墻進行模擬和分析；模擬計算過程中涉及到的相關土體參數(shù)和支護樁參數(shù)見表1和表2。

表1 土體計算參數(shù)

表2 圍護樁計算參數(shù)

3.5 有限元模型

在建立有限元模型時，圍護樁可簡化成地下連續(xù)墻分析，冠梁可簡化成多跨連續(xù)梁。對于荷載選取我們按20 kPa計算，離基坑邊2 m以外，選取相關寬度為10 m。建立模型如圖1、圖2所示[5,6]。

圖1 計算模型

圖2 網(wǎng)格劃分示意

3.6 基坑土方開挖階段模擬

根據(jù)現(xiàn)場實際進度情況，我們將開挖過程分為以下幾步：灌注樁、旋噴樁和冠粱的施工→第1次開挖（開挖到-2.00 m位置），設置第1道錨桿→第2次開挖（開挖到-6.50 m處），設置第2道錨桿和腰梁→第3次開挖（開挖到基坑底處）[7]。

3.7 基坑開挖過程土體有效應力和位移

由圖3、圖4可以看出：隨著基坑土方的開挖，擾動了土體初始應力場，導致土體應力重新分布。在初始荷載加載以及鄰近建筑物重力的影響下，基坑內(nèi)側土體的有效應力伴隨著基坑開挖深度的增加也逐漸增加，在樁頂及基坑底部周圍出現(xiàn)最大區(qū)域的有效應力分布，其值接近于45 kN/m2，在規(guī)范的要求范圍內(nèi)。

圖3 基坑開挖到-6.50 m處土體有效應力

圖4 基坑開挖到坑底標高處土體有效應力

通過對基坑開挖過程中的水平位移（圖5、圖7）進行分析，我們可以看出，在開挖至第1道錨桿之前，因為基坑上部的放坡和利用土釘墻放坡支護，整個土體的結構相對較穩(wěn)定，因開挖的深度較淺，土體壓力較小，所以由此產(chǎn)生的位移較小，僅為6.20 mm。第2次開挖時，支護樁頂?shù)奈灰茷?6.00 mm，因為已在-2.00 m位置設置了1道錨桿，此時，整個基坑處于穩(wěn)定狀態(tài)。開挖到基底標高位置時，樁頂最大位移達到25.12 mm。這一結果符合擋土樁沿基坑深度變化的規(guī)律，即：支護樁水平位移樁頂大、樁底小，基本上沿深度呈線性變化，并且隨深部土方開挖，支護樁水平位移有較大增加[8]。

基坑開挖過程中土體豎向位移如圖6、圖8所示，在基坑土方開挖過程中，由于土體周圍環(huán)境的改變，土體之間的相互作用力也出現(xiàn)從之前的平衡狀態(tài)到重新再平衡的一個過程，土體的變化會導致其形成一個沉降區(qū)，經(jīng)過模擬發(fā)現(xiàn)該沉降區(qū)主要在基坑上部5～7 m的位置。累計沉降最大值為4 cm。隨著后期土體的穩(wěn)定，土體周圍再次達到平衡后，土體的沉降值較小，變化較緩和，逐漸趨向于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5 基坑開挖到-6.50 m位置土體X方向位移

圖6 基坑開挖到-6.50 m位置土體Y方向位移

圖7 基坑開挖到基底土體X方向位移

圖8 基坑開挖到基底土體Y方向位移

3.8 開挖過程支護樁彎矩

在開挖至第1道錨桿之前，整個土體的結構相對較穩(wěn)定，土體壓力較小，此時支護樁產(chǎn)生的彎矩較小，圖9為基坑開挖到-11.00 m位置圍護樁彎矩，可以看出此時支護樁最大彎矩為77.2 kN·m位于基坑底部；當基坑開挖到坑底時（圖10），支護樁最大彎矩達到620 kN·m，發(fā)生在基坑中部附近[9]。

4 結語

本文通過PLAXIS有限元模擬基坑開挖過程中土體有效應力和位移的變化，表明在土方開挖過程中，支護樁的水平位移變化是樁頂大、樁底小，基本上沿深度呈線性變化，并且隨深部土方的開挖，支護樁水平位移有較大增加。當基坑開挖到坑底時，支護樁最大彎矩發(fā)生在基坑中部附近，此時支護樁最大彎矩達到620 kN·m，從而證明本工程基坑支護所選擇的的支護樁加預應力錨桿形式滿足設計及規(guī)范要求。

圖9 基坑開挖到-11.00 m位置圍護樁彎矩

圖10 基坑開挖到坑底圍護樁彎矩