某超大基坑擋土墻與土體相互作用的數(shù)值分析

王 梅

(1.泰山學院 機械與工程學院，山東 泰安 271000；2.同濟大學 土木工程學院 地下建筑與工程系，上海 200092)

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某超大基坑擋土墻與土體相互作用的數(shù)值分析

王 梅1,2

(1.泰山學院 機械與工程學院，山東 泰安 271000；2.同濟大學 土木工程學院 地下建筑與工程系，上海 200092)

以某超大基坑為例，借助FLAC3D有限差分軟件建立考慮土體、地下連續(xù)墻、結構梁板等共同作用的三維模型，研究墻體產(chǎn)生側向位移時基坑外主動土壓力的變化趨勢墻體發(fā)生鼓型側移時，基坑外主動土壓力呈“R”分布；并對影響圍護擋墻結構側移和主動土壓力分布的幾個參數(shù)(內(nèi)摩擦角、墻土摩擦角、擋土墻入土深度,以及基坑長寬比等)進行敏感性分析，并歸納出變化規(guī)律：土體內(nèi)摩擦角和黏聚力對擋土墻側移影響較大，隨著內(nèi)摩擦角和黏聚力的增大，擋土墻上的主動土壓力和墻體側移逐漸減小；擋土墻入土深度對擋墻的主動土壓力影響不明顯，而對擋墻側移有一定影響。隨著擋墻插入深度增大，上部墻體側移逐漸增大；而下部墻體卻相反，當插入比在1.2左右時，墻體側移最小。在開挖面以上，隨著基坑長寬比增大，擋墻上主動土壓力逐漸減??；而在基坑開挖面以下，特別在靠近擋土墻底部范圍內(nèi)，隨著基坑長寬比增大，擋墻上的主動土壓力強度逐漸增大。

基坑；共同作用；側移；土壓力；長寬比

1 研究背景

近年來，隨著基坑工程開挖面積的逐漸增大，深度越來越深，面對的周圍環(huán)境也越來越復雜，基坑開挖過程中，當圍護結構的變形和受力超過容許范圍時，就會造成基坑失穩(wěn)，對基坑周圍環(huán)境造成不利影響[1-2]。因此,進行基坑設計時，采用數(shù)值分析軟件模擬施工過程對基坑工程的安全性和穩(wěn)定性進行預分析變得尤為重要[3]。Lin等[4]研究了一個挖深為10 m的方形基坑邊界范圍對基坑變形的影響。Roboski[5]分析基坑邊緣到模型邊界不同距離對基坑變形的影響。徐中華[6]研究56 m×56 m的基坑開挖時對基坑變形的影響。侯永茂[7]研究格形地下連續(xù)墻的性狀。

上述學者研究時選用的基坑平面尺寸較小，基坑長度都在100 m以下。王梅等[8]研究了超大基坑開挖對地表沉降的影響，但沒考慮基坑開挖對主動土壓力和側移的影響。隨著基坑平面的增大，基坑的性狀會怎樣，還沒有相關的文獻報道。本文以上海某超大基坑為例，借助FLAC3D有限差分軟件建立考慮土體、地下連續(xù)墻、結構梁板等共同作用的三維模型，研究墻體產(chǎn)生側向位移時基坑外主動土壓力的變化趨勢；并對影響圍護擋墻結構側移和主動土壓力分布的幾個參數(shù)(如內(nèi)摩擦角、墻土摩擦角、擋土墻入土深度及基坑長寬比等)進行敏感性分析，并歸納出變化規(guī)律。

2 計算模型的選取

超大基坑的平面尺寸為250 m×190 m，平面形狀近似為矩形，基坑的最大開挖深度為13.6 m，圍護結構采用鉆孔灌注樁，樁徑平均1 100 mm，樁長約為28 m，并分別在基坑挖深1,5,9 m處設置鋼筋混凝土水平支撐?？紤]模型的對稱性，取1/4基坑進行分析；模型本構采用修正劍橋模型；采用樁單元來模擬鉆孔灌注樁圍護結構與土體之間的相互作用，水平支撐采用梁單元，立柱及立柱樁采用樁單元并和水平支撐在相連的節(jié)點處剛接?；硬捎贸Ｒ?guī)逆作法施工，根據(jù)支撐的施工特點分為4個施工階段：第1階段是基坑開挖至1 m處設置第1道鋼筋混凝土支撐；第2階段是基坑開挖至5 m處設置第2道鋼筋混凝土支撐；第3階段是開挖至9 m處設置第3道支撐；第4階段是開挖至基底13.6 m處。各土層計算參數(shù)見表1，計算模型見圖1。圖1中藍色網(wǎng)格代表土體，靠近藍色土體的紅色網(wǎng)格表示擋土墻，綠色網(wǎng)格代表立柱樁，紫色代表三層水平支撐。

表1 土層計算參數(shù)

圖1 計算模型(取1/4基坑進行分析)

3 數(shù)值模擬參數(shù)確定

按照上節(jié)的計算模型及劃分的施工階段，借助FLAC3D數(shù)值分析軟件，可以得到對應不同階段的擋土墻側移變化和擋土墻后的主動土壓力分布，見圖2。

圖2 各階段的擋土墻側移和主動土壓力分布

由圖2(a)可以看出，前3個施工階段由于支撐非常及時，擋土墻的側移較小，對應的擋土墻最大側移不超過10 mm，在第4個施工階段擋土墻側移逐漸加大，呈鼓形變位模式，擋土墻最大側移為42 mm，出現(xiàn)在基坑開挖面上部約1 m處。由圖2(b)可知，基坑施工前3個階段的主動土壓力強度變化不大，僅在基坑底部隨著基坑進一步開挖對應的主動土壓力強度有所減小，這與擋土墻的側移曲線是相對應的。第4階段時主動土壓力分布強度變化較大，在擋土墻上部發(fā)生拱效應。圖3為第4階段基坑開挖完成后擋土墻的實測側移曲線與數(shù)值計算結果的對比，可以看出：數(shù)值計算中出現(xiàn)最大側移的位置不在基坑開挖面上，而是有所提高；但整體來看，擋土墻數(shù)值計算得出的側移曲線與實測結果基本一致，說明本文數(shù)值計算所選取參數(shù)是正確、合理有效的。

圖3 基坑開挖完成后擋墻的實測側移與數(shù)值計算對比

圖4 內(nèi)摩擦角對擋土墻側移和主動土壓力分布的影響

4 影響因素分析

4.1 內(nèi)摩擦角φ的影響

為研究擋土墻后土體內(nèi)摩擦角變化對擋土墻土壓力及側移的影響，取基坑平面尺寸為L×D=250 m×190 m，開挖深度H=13.6 m。內(nèi)摩擦角對墻體側移和主動土壓力的影響見圖4。

由圖4(a)可看出，土體內(nèi)摩擦角的變化對擋土墻的側移影響較大，特別是擋土墻頂部的側移。隨著內(nèi)摩擦角的增大，墻體側移逐漸減小。而從圖4(b)可看出，主動土壓力強度分布呈“R”形，在基坑開挖面附近主動土壓力出現(xiàn)轉折?？傮w而言，隨著土體內(nèi)摩擦角的增大，擋土墻上的主動土壓力逐漸減小。

4.2 黏聚力的影響

取基坑平面尺寸為L×D=250 m×190 m，基坑開挖深度H=13.6 m。變化土體的黏聚力，分析不同黏聚力取值對擋土墻側移和主動土壓力強度的影響。側移、土壓力分析結果見圖5。

圖5 黏聚力對擋土墻側移和主動土壓力的影響

由圖5(a)可以看出：土體黏聚力的變化對擋土墻的側移影響也較大，特別是擋土墻頂部的側移；隨著黏聚力的增大，墻體側移逐漸減小。而從圖5(b)可以看出，主動土壓力強度分布呈“R”形，在基坑開挖面附近主動土壓力出現(xiàn)轉折；總體而言，隨著土體黏聚力的增大，擋土墻上的主動土壓力是逐漸減小的。

4.3 圍護擋墻高度的影響

取基坑平面尺寸為L×D=250 m×190 m，基坑開挖深度H=13.6 m，變化擋土墻高度分別為22，24，26，28，30 m，分析不同擋墻高度對擋土墻側移和主動土壓力強度的影響。擋土墻側移、土壓力計算結果如圖6所示。

圖6 擋土墻高度對側移和主動土壓力的影響

由圖6(a)可以看出：擋土墻高度對擋土墻的側移有一定的影響；保持基坑開挖深度不變，隨著擋土墻高度的增加，在擋土墻上部墻體側移隨擋墻高度增大而逐漸增大；而在擋土墻下部卻相反，隨墻體高度增加、墻體側移逐漸減小，如H=30 m時墻體側移是最小的。因此在基坑工程擋土墻設計時要選擇合適的高度，從而使擋墻高度最小的同時得到最好的穩(wěn)定性。由圖6(b)可以看出，主動土壓力強度分布呈“R”形；隨著擋土墻高度的變化，擋土墻上的土壓力變化并不明顯。

4.4 基坑長寬比

為研究基坑長寬比L/D變化對擋土墻側移和土壓力的影響， 取基坑開挖深度為H=13.6 m， 基坑長度為100 m， 變化基坑寬度使得基坑長寬比L/D分別為1.0， 1.3， 2.0， 5.0， 擋土墻側移、 主動土壓力數(shù)值計算結果如圖7所示。 由圖7(a)可以看出： 長寬比變化對擋土墻的側移影響較大， 特別是擋土墻頂部側移； 隨著長寬比的增大， 墻體側移逐漸減小。 這說明， 方型基坑的空間效應更明顯。 從圖7(b)可以看出： 主動土壓力強度分布呈“R”形， 在基坑開挖面附近主動土壓力出現(xiàn)轉折。 總體而言， 在基坑開挖面以上， 隨著基坑長寬比增大， 擋土墻上的主動土壓力是逐漸減小的； 而在基坑開挖面以下， 特別在靠近擋土墻的底部范圍內(nèi)， 隨著基坑長寬比增大， 擋土墻上的主動土壓力強度逐漸增加。

圖7 基坑長寬比對擋土墻側移和主動土壓力的影響Fig.7 Effectofaspectratioofexcavationpitonlateraldisplacementandactiveearthpressure

5 結 語

本文采用數(shù)值模擬軟件，對超大基坑擋土墻與土體之間的相互作用進行了研究，得出如下結論：

(1) 土體內(nèi)摩擦角和黏聚力對擋土墻側移影響較大，隨著內(nèi)摩擦角和黏聚力的增大，擋土墻上的主動土壓力和墻體側移逐漸減小。

(2) 擋土墻入土深度變化，對擋土墻上的主動土壓力影響不明顯，對擋土墻的側移有一定影響。隨著擋土墻插入深度增加，擋土墻上部的墻體側移逐漸增大；而在擋土墻下部卻相反，隨墻體入土深度增加，墻體側移逐漸減小，當插入比在1.2左右時，墻體側移最小，因此基坑工程擋土墻設計時要選擇合適的插入比。

(3) 分析了基坑長寬比對主動土壓力的影響，在開挖面以上，隨著基坑長寬比增大，擋土墻上主動土壓力逐漸減小；而在基坑開挖面以下，特別在靠近擋土墻底部范圍內(nèi)，隨著基坑長寬比增大，擋土墻上的主動土壓力強度逐漸增大。

[1] 劉國彬,王衛(wèi)東. 基坑工程手冊(第二版)[M]. 北京:中國建筑工業(yè)出版社,2009.

[2] 應宏偉,楊永文.杭州深厚軟黏土中某深大基坑的性狀研究[J]. 巖土工程學報, 2011, 33(12): 1838-1846.

[3] 孫書偉,林 杭,任連偉. FLAC3D在巖土工程中的應用[M]. 北京:中國水利水電出版社,2011.

[4] LIN D G, CHUNG T C, PHIENWEJ N. Quantitative Evaluation of Corner Effect on Deformation Behavior of Multi-strutted Deep Excavation in Bangkok Subsoil[J]. Geotechnical Engineering, 2003, 34(1):41-57.

[5] ROBOSKI J F. Three-dimensional Performance and Analyses of Deep Excavations[D].Evanston, Illinois:Northwestern University, 2004.

[6] 侯永茂. 軟土地層中格形地下連續(xù)墻圍護結構性狀研究[D].上海:上海交通大學, 2010.

[7] 徐中華. 上海地區(qū)支護結構與主體地下結構相結合的深基坑變形性狀研究[D].上海:上海交通大學,2007.

[8] 王 梅,李鏡培. 超大型基坑地下連續(xù)墻逆作法施工引起的地表沉降[J].港工技術,2012, 49(4): 51-53, 67.

(編輯：劉運飛)

Numerical Simulation on Interaction Between Retaining Wall andSoil Mass of a Large Excavation Pit

WANG Mei1, 2

(1.College of Machinery and Engineering, Taishan University, Tai’an 271000, China;2.Department of Geotechnical Engineering, College of Civil Engineering, Tongji University,Shanghai 200092, China)

With a deep excavation pit as an example, FLAC3Dis employed to simulate the trends of active earth pressure in the presence of lateral displacement of retaining wall in consideration of the joint action among retaining wall, beam and soil mass. The active earth pressure distributes in “R” shape when drum-type displacement of retaining wall occurs. Furthermore, the influences of several parameters (including internal friction angle, cohesion, embedded depth of retaining wall, aspect ratio of excavation pit) on the lateral displacement and active earth pres-sure are analyzed. Results reveal that internal friction angle and cohesion of the soil have great influences on the lateral displacement of retaining wall. With the increase of internal friction angle and cohesion, the active earth pressure and the lateral displacement of retaining wall decrease gradually. The embedded depth of retaining wall has no obvious effect on active earth pressure, but affects the lateral displacement: the lateral displacement of the upper retaining wall increases gradually when the embedded depth of retaining wall is increasing; while for the lower part of the retaining wall, the regularity is the opposite, with the lateral displacement reaching the minimum when insert ratio is about 1.2. Above the excavation face, the active earth pressure on the retaining wall decreases gradually with the increase of aspect ratio; while below the excavation face, especially near the bottom of the retaining wall, the active earth pressure on the retaining wall gradually increases with the increase of aspect ratio.

excavation pit; joint action; lateral displacement; earth pressure; aspect ratio

2015-11-11；

2016-01-19

國家自然科學基金資助項目(51408398)；山東省重點研發(fā)計劃項目(2015GSF117031);泰山學院引進人才科研啟動基金項目(Y012014012)

王 梅(1976-)，女，山東省泰安市人，講師，博士，主要從事?lián)跬翂碚撆c試驗方面的研究，(電話)0538-6715553(電子信箱)may_666@yeah.net。

10.11988/ckyyb.20150963

2017,34(1):77-80，86

TU47

A

1001-5485(2017)01-0077-04