深基坑地連墻支護結(jié)構(gòu)變形的有限元分析

孫興遠，劉亞文，梁進軍，王飛，徐金玉

（解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇 南京 210007）

1 概 述

在城市地下空間開發(fā)和高層建筑物的建設(shè)過程中，產(chǎn)生了大量深基坑工程，其規(guī)模和深度不斷增加。基坑工程是當(dāng)前大家非常關(guān)注的巖土工程熱點，深基坑開挖的影響因素甚多，難度極大[1～4]?；娱_挖不僅要保證基坑本身的安全與穩(wěn)定，而且要有效控制基坑周圍土體水平移動、豎直沉降等。實踐表明[5]，在基坑開挖過程中改變了原有土體的應(yīng)力場以及地下水等環(huán)境因素，由此而引發(fā)諸多的環(huán)境巖土工程問題及工程事故，不僅危及工程安全，造成巨大的人員傷亡和經(jīng)濟損失，而且影響城市道路交通、供電供氣、通訊等，引起社會不安。為了保證周邊建筑物的安全與正常使用,基坑設(shè)計和施工過程中必須嚴格控制對周邊環(huán)境的影響。本文結(jié)合南京梅子洲過江通道連接線—青奧軸線地下交通系統(tǒng)等相關(guān)工程J2區(qū)YK10+615～YK10+650里程段開挖實例，采用有限元軟件MIDAS/GTS建立三維模型，對該里程段基坑開挖過程進行了數(shù)值模擬，討論基坑開挖對鄰近土體影響。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

南京市梅子洲過江通道接線工程-奧軸線地下交通系統(tǒng)及相關(guān)工程是2014年青奧會的主要配套工程之一。擬開挖J2區(qū)YK10+615～YK10+650里程段基坑長約313m，施工方法為明挖順作法，采用φ800地連墻作為基坑開挖時的支護結(jié)構(gòu)，且不參與主體結(jié)構(gòu)受力。基坑跨度約45m，開挖深度為14.3m～15.3m，地連墻深27.5m,格構(gòu)柱下的φ1000鉆孔灌注樁長約12.5m。本里程段共設(shè)4道橫撐，第一道為1m×1m的混凝土支撐，2-4層支撐采用φ609mm（δ＝16mm）@3m的鋼管。為增加支護結(jié)構(gòu)的橫向剛度，橫向設(shè)置了兩道立柱間距3m。

2.2 計算參數(shù)的選取

各物理參數(shù)及土層變化嚴格按照原設(shè)計圖及地質(zhì)勘察報告取值，部分不詳參數(shù)按相關(guān)規(guī)范選取，具體參見表1。為了便于建模，對某些力學(xué)參數(shù)相近的土層進行近似合并（圖1）。

2.3 三維數(shù)值模型的建立

基坑開挖深度為16.25m、寬度為45m。為盡量減小人為邊界對計算結(jié)果的影響，計算模型（圖1）水平方向取至基坑范圍外40m，豎直方向從墻底底向下取19.5m。基坑開挖范圍內(nèi)單元采用1m大小的四邊形單元，開挖范圍外采用1m～5m大小的四邊形單元，混凝土支撐及橫撐采用桁架單元模擬，總計劃分單元1902個。模型邊界條件為：左、右邊界x 方向位移為0；下邊界x、y、z 方向位移均為0；前后邊界y 方向位移為0。

2.4 分析計算

基坑開挖在充分考慮時間、空間效應(yīng)的前提下，分層開挖、先支撐后開挖、每次開挖規(guī)定深度、嚴禁超挖的原則，隨挖隨撐，做好基坑排水，減少坑底暴露時間[6]。分部開挖，設(shè)地連墻和樁、坑底不加固等。為了滿足基坑開挖施工需要，每道一道支撐離開挖面總有一定距離(本工程為0.5m)。考慮實際施工過程，共劃分7個計算工況（以樁頂作為標高0.00m）。

①計算工況1：初始地應(yīng)力平衡。把原狀土激活，計算初始地應(yīng)力，位移清零。

②計算工況2：施作地連墻，施加地面超載（-20kPa）。

③計算工況3：初始開挖1m雜填土（-1.0m）。

④計算工況4：施作混凝土八角支撐及主支撐、混凝土連系梁，開挖至第1道支撐下0.5m（-5.2m）。

⑤計算工況5：施作第1道鋼支撐及鋼圍檁并施加設(shè)計的預(yù)應(yīng)力，開挖至第2道支撐下0.5m(-9m)。

⑥計算工況6：施作第2道鋼支撐及鋼圍檁并施加設(shè)計的預(yù)應(yīng)力，開挖至第2道支撐下0.5m(-12.75m)。

土層、支護結(jié)構(gòu)物理力學(xué)指標及幾何尺寸 表1

⑦計算工況7：施作第3道鋼支撐及鋼圍檁并施加設(shè)計的預(yù)應(yīng)力，開挖至坑底（-16.25m）。

計算中分析過程采用的是累加模型，即每個施工階段都繼承了上一個施工階段的分析結(jié)果，并累加了本施工階段的分析結(jié)果。上一個施工階段中結(jié)構(gòu)體系與荷載的變化都會影響到后續(xù)階段的分析結(jié)果。

2.5 模擬結(jié)果與分析

對于基坑工程，土體是產(chǎn)生荷載的主要來源，但同時也是支撐體系的一部分，支護結(jié)構(gòu)的變形不僅影響基坑的穩(wěn)定性，也會使土體所受到的荷載和分布形態(tài)發(fā)生改變；由于基坑土方開挖卸載作用改變了原有的應(yīng)力狀態(tài)，必然會導(dǎo)致支護結(jié)構(gòu)發(fā)生變形。圖2為不同工況下支護結(jié)構(gòu)沿深度的變形情況。提取各工況下模型的整體水平位移云圖如圖3所示。

結(jié)合圖2、圖3可知：

①基坑開挖的深度與地連墻的水平位移變化量近似呈正比，地連墻水平位移隨著開挖深度的增加而增加[7]。地連墻的在最后一次開挖結(jié)束后出現(xiàn)水平位移最大值。

②現(xiàn)對各工況下墻體水平位移的變化情況作對比分析，可知:支護結(jié)構(gòu)的變形呈現(xiàn)“兩頭大、中間小”，這與常見多支撐圍護結(jié)構(gòu)變形規(guī)律吻合[8]，驗證了該計算模型的可行性。其中第一步開挖后，墻體在頂部位移處產(chǎn)生的水平位移較大，此時圍護結(jié)構(gòu)受力形式類似一根懸臂梁；第二步開挖后，墻體的位移分布形態(tài)有了一定變化，最大位移值點出現(xiàn)于開挖面以下4～5m處；第三步、第四步開挖后，隨著鋼支撐的架設(shè)完畢，墻體最大水平位移點逐漸向基坑下部移動，形成基坑中下部變形量最大的態(tài)勢，所以應(yīng)該在中下部位置加強監(jiān)測且要減少土體的暴露時間，鋼支撐架設(shè)要及時。

3 計算值與實測值的對比

作為起支護作用的地連墻，對其位移情況的實時監(jiān)測，對于基坑、周邊建筑物、地下管線的穩(wěn)定等具有非常重要的意義；必須使其最大位移不超過最大容許值[9]?，F(xiàn)選取地連墻附近測斜點CX3的監(jiān)測值，將其與計算值作對比。

由圖4可知，隨著開挖深度的增大，支護結(jié)構(gòu)的水平位移不斷增加，且計算值與實測值基本一致，說明本模型基本準確，參數(shù)選取合理。但計算值較實測值偏大，可能是由于基坑開挖前已打入一定數(shù)量的工程樁等，使坑底得到了一定程度的加固，但本次模擬中未能考慮這些因素的影響。

4 結(jié) 論

本文針對J2區(qū)YK10+615～YK10+650里程段基坑應(yīng)用有限元軟件MIDAS/GTS進行三維有限元模擬分析，并與實測數(shù)據(jù)對比，可得如下結(jié)論。

①基坑開挖的深度與地連墻的水平位移變化量呈正比，地連墻水平位移隨著開挖深度的增加而增加。地連墻在最后一次開挖結(jié)束后出現(xiàn)水平位移最大值。

②支護結(jié)構(gòu)的變形呈現(xiàn)“兩頭大、中間小”，這與常見多支撐圍護結(jié)構(gòu)變形規(guī)律吻合。

③通過與實測數(shù)據(jù)的對比得出有限元模擬結(jié)果與實際監(jiān)測值相差不大，結(jié)果較為可靠可以反映實際情況，此模型具有可行性，比較符合實際，對實際工程有一定的指導(dǎo)意義。

④本次基坑數(shù)值模擬未考慮地下水的影響，關(guān)于地下水對于基坑圍護結(jié)構(gòu)以及周邊環(huán)境的影響有待進一步研究。

[1]江曉峰,劉國彬,張偉立,等.基于實測數(shù)據(jù)的上海地區(qū)超深基坑變形特征研究[J].巖土工程學(xué)報,2010(S2).

[2]劉寶琛.綜合利用城市地面及地下空間的幾個問題[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，1999(1).

[3]張建全.北京某深基坑工程施工監(jiān)測與成果分析[J].工程勘察,2010(2).

[4]楊光華.深基坑支護結(jié)構(gòu)的實用計算方法及其應(yīng)用[J].巖土力學(xué),2004(12).

[5]秦前波,方引晴.基坑開挖及上蓋荷載對下臥隧道結(jié)構(gòu)的影響分析[J].建筑結(jié)構(gòu),2012(6).

[6]胡斌,郭利娜,李方成，等.武漢地鐵名都站深基坑圍護結(jié)構(gòu)水平變形分析與仿真模擬研究[J].工程勘測,2012(8).

[7]吳佩軫,王明俊,彭嚴儒,等.連續(xù)壁變形行為探討［A］.第七屆大地工程學(xué)術(shù)研究討論會[C].1997.

[8]劉燕,劉國彬,孫曉玲,等.考慮時空效應(yīng)的軟土地區(qū)深基坑變形分析[J].巖土工程學(xué)報,2006(S1).

[9]劉杰,吳超平,錢德玲,等.基坑開挖引起下部地鐵隧道變形控制研究[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2012(2).