基坑開挖變形與支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究

張永剛 雷生強(qiáng) 楊凌云

（1．德陽市旌合建設(shè)工程有限公司，四川 德陽 618000；2．中顧國際工程咨詢有限公司，四川 成都 610000；3．中國電建集團(tuán)成都院建設(shè)管理部，四川 成都 610000）

0 前言

我國軟土分布廣泛，受軟土特殊性質(zhì)影響，修建工程時(shí)通常會(huì)遇到軟土下陷，變形的影響。許多學(xué)者針對(duì)工程中的軟土問題開展了相關(guān)研究，張超翔等人[1]采用理論分析、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、數(shù)值模擬等方法，研究了基坑開挖時(shí)，土體卸載對(duì)周邊建筑的影響。研究結(jié)果表明，數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果相吻合，基坑開挖對(duì)地基沉降和坡頂位移產(chǎn)生影響，須加強(qiáng)基坑側(cè)壁水平位移監(jiān)測(cè)，并加固坡頂。馬玉飛等人[2]用數(shù)值模擬的方法研究了降水對(duì)基坑支護(hù)措施的影響，研究結(jié)果認(rèn)為，基坑邊緣一定范圍內(nèi)沉降顯著，且增加錨索數(shù)量或提高錨索強(qiáng)度可有效控制基坑位移。童建勇[3]采用有限元方法，分析了基坑降水引起的變形以及其余因素對(duì)基坑變形的影響，最后得出結(jié)論，在施工過程中，地表沉降變形先變大后變小，外部孔隙水壓力呈漏斗狀變化，且整體變形隨淤泥質(zhì)軟土厚度增加而增加。

現(xiàn)有研究主要集中在基坑的變形規(guī)律以及支護(hù)措施的理論分析，少有學(xué)者從支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移著手，研究支護(hù)措施的穩(wěn)定性。該文以某軟土地基開挖基坑為研究對(duì)象，采用Flac3d數(shù)值模擬軟件，研究了基坑開挖后的基坑變形與支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

1 基坑工程概況

某工程位于四川省成都市?；哟箝_挖深度為28m，場(chǎng)地內(nèi)土層依次為填土、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土和弱風(fēng)化安山玢巖。場(chǎng)地內(nèi)地下水為上層滯水與基巖裂隙水，主要貯存于上部填土層與基巖裂隙中，地下水位較低。基坑支護(hù)方案選型根據(jù)基坑所處的環(huán)境、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)及基坑開挖深度，經(jīng)計(jì)算分析、工程類比、技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，該基坑采用地下連續(xù)墻。復(fù)雜的環(huán)境條件也對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)和位移提出了愈來愈嚴(yán)格的限制，就要求工程技術(shù)人員在不斷發(fā)展、創(chuàng)立新的支護(hù)理論和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的同時(shí)，進(jìn)行嚴(yán)格檢驗(yàn)與監(jiān)測(cè)，以保證安全、順利地施工。

該開挖基坑主要分布土體與地層有：填土、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土和弱風(fēng)化安山玢巖。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)以及室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定，確定該基坑組成成分的物理力學(xué)參數(shù)，見表1。

表1 物理力學(xué)參數(shù)表

在基坑模擬開挖時(shí)，分4步設(shè)置內(nèi)支撐。在基坑開挖至深度5 m時(shí)，設(shè)置第一道混凝土內(nèi)支撐，當(dāng)基坑開挖至深度11 m時(shí)，設(shè)置第二道鋼支撐，當(dāng)開挖深度至17 m時(shí)，設(shè)置第三道鋼支撐，最后開挖至22 m深度時(shí)，設(shè)置第四道鋼支撐。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

由于該地區(qū)地層的巖層傾角較小，因此在模擬時(shí)將地層設(shè)置成水平巖層，以簡化數(shù)值模擬計(jì)算量。根據(jù)實(shí)際工點(diǎn)地勘報(bào)告及工點(diǎn)開挖設(shè)計(jì)資料，建立數(shù)值模型如圖1所示（根據(jù)對(duì)稱性原理，取1/2基坑既基坑的左半邊進(jìn)行數(shù)值計(jì)算即可）。其中基坑開挖深度為28 m，開挖寬度為22 m，基坑總長度為70 m，考慮邊界效應(yīng)的同時(shí)，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)以及前人研究結(jié)果，將模型尺寸設(shè)置為180m×95m×40m。建立網(wǎng)格時(shí)，加密基坑附近網(wǎng)格，可提高模型計(jì)算精度，適當(dāng)稀疏邊界網(wǎng)格以提高運(yùn)算速度。模型采用底面全約束，側(cè)邊界采用法向位移約束，頂面不采取約束條件，最終建立模型共計(jì)有17822個(gè)單元和19838個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖1 計(jì)算模型圖

2.2 模型選擇及參數(shù)取值

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)地下連續(xù)墻結(jié)合四道內(nèi)支撐的組合支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行基坑加固。其中第一道支撐采用混凝土材料，第二、三和四道支撐采用鋼支撐。數(shù)值模擬時(shí)，采用實(shí)體單元模擬地下連續(xù)墻，用梁單元模擬內(nèi)支撐，支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)表

2.3 計(jì)算結(jié)果與分析

2.3.1 基坑變形分析

基坑開挖完成后，回彈變形云圖如圖2所示，可以看出，受開挖卸荷作用影響，基坑底部產(chǎn)生了較大的回彈變形，數(shù)值達(dá)到336 mm，基坑底部向下回彈變形逐漸減少，在基坑底部向下約9.5 m處不再出現(xiàn)回彈變形，變形云圖呈現(xiàn)“下凸形”，而由于基坑兩側(cè)土體沒有受到豎直向上的應(yīng)力，因此沒有產(chǎn)生回彈變形。圖3為基坑沉降變形云圖，由圖可知整個(gè)地基沉降位移呈左右對(duì)稱分布，最大沉降點(diǎn)位于基坑側(cè)壁往外24 m處，數(shù)值約為4.3 mm。由基坑位移的數(shù)值模擬結(jié)果分析可知，基坑整體處于較穩(wěn)定狀態(tài)，而基坑整體基坑底部的回彈變形較大，實(shí)際工程中應(yīng)進(jìn)一步采取合適的處理措施，約束基坑底部的豎向變形。

圖2 基坑回彈變形云圖

圖3 基坑沉降位移云圖

圖4為基坑水平位移云圖，由圖可知，基坑水平位移在數(shù)值上呈左右對(duì)稱分布，最大水平位移出現(xiàn)在基坑底部，數(shù)值約為42 mm，且水平位移沿著基坑內(nèi)壁往外逐漸減少。基坑內(nèi)壁受連續(xù)墻支護(hù)作用，水平位移得到較好的約束，最大位移小于基坑規(guī)范要求的最大水平位移50 mm，滿足工程安全要求。由于基坑底部最大水平位移已達(dá)到規(guī)范安全要求的84%，因此在實(shí)際工程中，可針對(duì)基坑底部增加連續(xù)墻的材料強(qiáng)度，維持基坑底部的穩(wěn)定性。

圖4 基坑水平位移云圖

2.3.2 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)位移分析

圖5為連續(xù)墻位移，從圖中可知，連續(xù)墻位移特點(diǎn)為基坑底部位移最大，且主要表現(xiàn)為水平位移，豎向位移較小。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因主要是連續(xù)墻受基坑開挖作用影響，基坑土體應(yīng)力重分布，導(dǎo)致連續(xù)墻受到較大水平擠壓應(yīng)力，因此，實(shí)際工程中，應(yīng)加強(qiáng)擋墻水平位移監(jiān)測(cè)，防止出現(xiàn)擋墻破裂導(dǎo)致基坑失穩(wěn)現(xiàn)象。

圖5 連續(xù)墻位移云圖

模擬基坑四道內(nèi)支撐的水平位移可知，第二道內(nèi)支撐產(chǎn)生水平位移最大，約為13.9 mm，緊接著是第一道混凝土支撐，數(shù)值約為10.6 mm，其次是第三道和第四道支撐，最大位移分別為9.8 mm和5 mm，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因主要是支撐材料的不同和支撐埋藏深度不同。此外，四道支撐的位移分布特點(diǎn)均為兩邊大，中間小，這也符合模型的對(duì)稱效應(yīng)。

模擬基坑四道支撐的豎向位移可知，四道支撐從基坑頂部至底部，支撐豎向位移逐漸減小，第一道混凝土支撐豎向位移最大，約為3.3mm，這一特點(diǎn)與基坑土體的豎向位移特點(diǎn)一致，因此在實(shí)際工程中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注第一道支撐的豎向位移和第二道支撐的水平位移。

綜合分析基坑變形以及內(nèi)支撐位移結(jié)果可知，該研究所采用的支護(hù)方案達(dá)到了工程安全要求，并有效地控制基坑變形，但基坑底部位移仍較大，可采取更高強(qiáng)度的連續(xù)墻與內(nèi)支撐對(duì)基坑底部進(jìn)行支護(hù)。

2.3.3 數(shù)值模擬有效性分析

在基坑的左右測(cè)線設(shè)置數(shù)個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并將監(jiān)測(cè)位移與數(shù)值模擬位移進(jìn)行對(duì)比?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬位移的變化規(guī)律基本保持一致，其中第一步開挖階段產(chǎn)生位移相對(duì)較小，僅為0.5mm左右，原因可能是基坑開挖卸荷應(yīng)力還沒得到完全釋放，第二步和第三步開挖產(chǎn)生的位移較大，約為3mm，最后一步開挖產(chǎn)生的位移較小，僅為0.5mm。由此可見實(shí)際工程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注第二、三步開挖過程，應(yīng)加強(qiáng)該施工階段的位移監(jiān)測(cè)，也可以在開挖時(shí)采用更高強(qiáng)度的內(nèi)支撐，防止出現(xiàn)側(cè)壁垮塌。而監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果數(shù)值上相近，誤差僅為4%，且位移規(guī)律基本一致，說明該文數(shù)值模擬具有一定的可行性和有效性。

3 結(jié)論

該文依托某基坑開挖實(shí)例，采用FLAC 3D有限元軟件，分析了開挖后基坑的變形特征以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。得到的研究結(jié)果如下：1）基坑開挖后，側(cè)壁的水平位移明顯大于豎向位移，基坑底部有約336mm的回彈變形，實(shí)際工程施工時(shí)，應(yīng)及時(shí)加固基坑底部，并設(shè)置內(nèi)支撐約束側(cè)壁水平位移。2）基坑開挖后，第一道支撐的豎向位移和第二道支撐的水平位移明顯較大，且內(nèi)支撐的位移表現(xiàn)為中間小兩邊大的特點(diǎn)，實(shí)際工程中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)連續(xù)墻底部位移以及第一、二道支撐的水平位移，防止出現(xiàn)內(nèi)壁側(cè)向變形垮塌。3）基坑內(nèi)壁頂部位移的數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果基本保持一致，隨著基坑進(jìn)一步開挖，位移逐漸增加。二者誤差約為4%，驗(yàn)證了該文數(shù)值模擬的有效性。