基于破壞接近度的深基坑穩(wěn)定性研究

摘 "要：為探究深基坑在開挖過程中的變形與破壞規(guī)律，并實(shí)現(xiàn)對基坑安全性的定量評估，采用FLAC^3D數(shù)值模擬軟件，結(jié)合破壞接近度理論，對基坑開挖過程中土體應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行系統(tǒng)分析，精確量化基坑周邊土體的損傷程度及其影響范圍。研究結(jié)果表明：基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形呈現(xiàn)出明顯的“兩端較小、中部較大”的特點(diǎn)；而地表沉降則表現(xiàn)為典型的“凹槽”形態(tài)；利用破壞接近度指標(biāo)可以直觀地反映巖土體在施工期間的破壞進(jìn)程及發(fā)展趨勢，區(qū)分不同區(qū)域受到的影響程度。研究結(jié)論為量化分析基坑施工風(fēng)險(xiǎn)提供理論參考。

關(guān)鍵詞：深基坑；穩(wěn)定性；破壞接近度；變形

中圖分類號：TU476.3 """"""""""""""""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A"""""""""""""""文章編號：1008-0562（2024）06-0648-08

Stability analysis of deep foundation pit based on failure approach index

YAO Jiali^1，3，"YAO Huayan^1*，"CHENG Xiaobo¹， ZHANG Zhanrong²，"ZHANG Yan²

（1. School of Civil and Hydraulic Engineering， Hefei University of Technology， Hefei 230009， China;

2. China Railway Siyuan"Survey and Design Group Company Limited， Wuhan 430063， China;

3."The Sixth Design Institute，"Shanghai Municipal Engineering"Design Institute Group Company Limited， Hefei 230031， China）

Abstract："To investigate the deformation and failure patterns of deep foundation pit during the excavation process and quantitatively assess the safety of the excavation， the stress state of the excavation soil was analyzed using FLAC^3D"software and the failure approach index （FAI） theory. This analysis quantified the extent and range of damage to the surrounding soil of the excavation. The results indicate that the deformation of the retaining piles around the excavation exhibits a “small at both ends， large in the middle” characteristic， while the ground surface settlement deformation presents a “trough” shape. The failure approach index can intuitively reflect the degree of damage and evolutionary patterns of the rock and soil masses during excavation， quantifying the impact scope of excavation construction. The research conclusions provide a theoretical reference for quantifying the risk of foundation pit construction.

Key words： deep foundation pit; stability; failure approach index; deformation

0""引言

在大規(guī)?；庸こ讨校臃€(wěn)定性評價(jià)是基坑設(shè)計(jì)與施工需要考慮的重要問題，對基坑的安全施

工以及變形控制有著重要的意義。

近年來，越來越多的學(xué)者運(yùn)用不同的理論和數(shù)值模擬軟件對基坑開挖穩(wěn)定性進(jìn)行研究。程康等^[1]通過分析杭州超深大基坑的實(shí)測數(shù)據(jù)，得到基坑變形、內(nèi)力變化的一般規(guī)律，并結(jié)合杭州的16個基坑實(shí)例，總結(jié)出用開挖面積來計(jì)算墻體最大側(cè)移的

經(jīng)驗(yàn)公式，為相似基坑的變形計(jì)算提供參考。李濤等^[2]推導(dǎo)了深基坑內(nèi)支撐拆除過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平變形計(jì)算方法，并與現(xiàn)場監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。劉波等^[3]重點(diǎn)關(guān)注非等深基坑的開挖變形，模擬偏壓狀態(tài)下的基坑開挖，獲得基坑變形規(guī)律并指導(dǎo)施工。任建喜等^[4]、張子龍等^[5]通過模擬全蓋挖法、先盾后井半蓋挖法下基坑的開挖過程，獲得了復(fù)雜工法下基坑的變形規(guī)律，并提出施工過程中的控制重點(diǎn)。WANG等^[6]采用FLAC^3D軟件，研究鋼支撐不同垂直位置對深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，揭示了多支撐條件下圍護(hù)樁的變形情況。LIU等^[7]通過數(shù)值模擬，研究TRD水泥土攪拌墻及基坑周圍土體的變形特征，為新工藝的應(yīng)用提供參考。部分學(xué)者研究了基坑周邊存在管線^[8-9]、隧道^[10-11]、橋梁^[12-13]等構(gòu)筑物情況下，基坑開挖時的穩(wěn)定性及其對周邊環(huán)境的影響，為基坑施工安全提供重要參考。

在模擬基坑工程開挖過程中，數(shù)值模擬方法通過塑性區(qū)來表示巖土體的破壞狀態(tài)，無法對周圍巖土體未進(jìn)入塑性狀態(tài)的危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行有效劃分，難以準(zhǔn)確獲得開挖過程中巖土體的破壞程度以及巖土安全狀態(tài)的演化規(guī)律。為了更直觀、更全面地評價(jià)巖土的危害程度，文獻(xiàn)[14]和文獻(xiàn)[15]在屈服接近度（YAI）^[16]的基礎(chǔ)上，提出了破壞接近度（failure approach index，F(xiàn)AI）的定義，推導(dǎo)出FAI的計(jì)算公式。文獻(xiàn)[17]和文獻(xiàn)[18]結(jié)合具體的隧道和邊坡工程實(shí)例，分析得出FAI在表達(dá)應(yīng)力集中程度、巖體損傷程度和穩(wěn)定性分區(qū)方面理論上是合理的。然而，F(xiàn)AI尚未應(yīng)用于基坑工程施工，無法對基坑施工過程形成有效的指導(dǎo)。

本文將FAI理論引入深基坑工程中，并采用FLAC^3D軟件分析基坑開挖過程中的變形規(guī)律。結(jié)合FAI和基坑土體的應(yīng)力狀態(tài)，對基坑周圍土體的損傷程度和基坑開挖的范圍進(jìn)行量化分析，為類似工程的安全施工和風(fēng)險(xiǎn)控制提供參考。

1 "破壞接近度基本原理

破壞接近度是綜合評價(jià)巖土體危險(xiǎn)性程度的定量指標(biāo)，采用一個空間連續(xù)的狀態(tài)變量來評價(jià)整個巖土體區(qū)域的穩(wěn)定程度。文獻(xiàn)[14]和文獻(xiàn)[15]通過塑性剪應(yīng)變定義了評價(jià)材料變形破壞過程中損傷程度的指標(biāo)，稱之為破壞度，并結(jié)合屈服接近度概念^[16]，定義了綜合指標(biāo)，即破壞接近度。在Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則下，破壞接近度為

，""（1）

式中：為屈服接近度的相補(bǔ)參數(shù)，，Y_YAI為屈服接近度；為塑性剪應(yīng)變；為極限塑性剪應(yīng)變。

在Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則下，屈服接近度可表示為

，（2）

式中：為應(yīng)力張量的第一不變量；為偏應(yīng)力張量的第二不變量；為應(yīng)力羅德角，°；為黏聚力，kPa；為內(nèi)摩擦角，°。

在工程計(jì)算中，一般可以通過F_FAI將巖土體劃分為4個區(qū)域^[14，17]：F_FAI≥2.0為破壞區(qū)；1.0≤F_FAI＜2.0為開挖的損傷區(qū)（塑性區(qū)）；0.8≤F_FAI＜1.0為開挖擾動區(qū)；0≤F_FAI＜0.8為低應(yīng)力區(qū)。

2 "工程概況及模型建立

2.1 "工程概況

以沈陽地鐵3號線某中間站為研究對象，該基坑為長條形，采用內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)及灌注樁的支護(hù)方式。該基坑總體分為標(biāo)準(zhǔn)段和盾構(gòu)井加寬段，開挖總長度為257.7"m。其中，標(biāo)準(zhǔn)段開挖寬度為20.8"m，開挖深度為16.99"m；盾構(gòu)井段開挖寬度為25.2"m，開挖深度為18.59"m。圍護(hù)樁直徑皆為800"mm，標(biāo)準(zhǔn)段樁間距為1"200 mm，樁長為23.4"m；盾構(gòu)井段樁間距為1"000"mm，樁長為25.4"m。支撐體系采用1道800"mm×800"mm的鋼筋混凝土支撐，以及2道直徑為609"mm、壁厚為16"mm的鋼管支撐。基坑首道混凝土支撐平面見圖1。

基坑場地為第四系全新統(tǒng)渾河高漫灘及古河道沖積層，該區(qū)域上部地層主要為粉質(zhì)黏土、砂礫石，下部為礫砂、卵石、圓礫地層，圖1中剖面Ⅰ支撐以及對應(yīng)地層關(guān)系見圖2。

2.2 "計(jì)算模型建立

（1）基坑模型

利用FLAC^3D進(jìn)行建模計(jì)算時，不僅要考慮基坑的開挖區(qū)域，還要考慮基坑開挖的影響范圍，避免模型過小給計(jì)算結(jié)果帶來明顯誤差。一般情況下，基坑開挖對周邊的影響距離為基坑開挖深度的3～5倍^[19]。根據(jù)基坑的幾何尺寸，確定該車站深基坑的計(jì)算模型大小為437"m×205"m×60"m（長×寬×高），整體模型見圖3。

（2）本構(gòu)模型

土體的本構(gòu)模型采用巖土工程領(lǐng)域中常用的M-C彈塑性模型，該模型適用于松散或膠結(jié)的顆粒狀材料、土體、巖石等材料。采用1模型對開挖部分進(jìn)行模擬。根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告，土體的計(jì)算參數(shù)見表1。

在實(shí)際的工程中，考慮到腰梁、冠梁等結(jié)構(gòu)對圍護(hù)樁的作用，鉆孔灌注樁的受力情況與地下連續(xù)墻類似^[20]。將圍護(hù)樁按照等效剛度原則分別等效為0.62"m、0.58"m厚的地連墻，并采用實(shí)體單元模擬。等效公式見式（3）?；炷林闻c鋼支撐采用梁結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行模擬。則地連墻等效厚度為

，"""""""""（3）

式中：為圍護(hù)樁直徑，m；為樁體凈距，m。

圍護(hù)樁采用C30混凝土，冠梁和第一道混凝土支撐采用C30混凝土，鋼支撐采用直徑為609"mm、壁厚為16"mm的鋼管支撐。圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)見表2。

（3）邊界條件及計(jì)算工況

模型四周僅約束邊界法向位移，底部水平邊界采用固定約束，上平面無任何約束?？紤]施工機(jī)械及材料堆載的影響，在基坑邊緣10"m范圍內(nèi)施加向下均布載荷，大小為20"kPa。根據(jù)基坑明挖法施工順序，確定相應(yīng)的模擬過程，計(jì)算工況見表3。

3 "計(jì)算結(jié)果分析

3.1 "基坑開挖過程中的變形分析

（1）圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移

基坑在開挖過程中，坑內(nèi)土體被移除，圍護(hù)樁向基坑內(nèi)部產(chǎn)生位移，最大水平位移發(fā)生在端頭井長邊的中部，即圖1中ZQ3點(diǎn)。圍護(hù)樁水平位移變化見圖4。

由圖4可知，隨著基坑開挖深度的增加，圍護(hù)樁的水平位移增大，整體變形呈中間大、兩頭小的形態(tài)，原因是首道混凝土支撐約束了樁頂位移，圍護(hù)樁下部嵌固在較硬的砂卵石地層中，導(dǎo)致圍護(hù)樁兩端水平位移較小；由于內(nèi)支撐的支護(hù)作用，調(diào)整了整個支護(hù)體系的剛度，使圍護(hù)樁的水平位移在不同深度呈不均勻分布，最終圍護(hù)樁水平位移大致呈現(xiàn)“弓”形。隨著基坑開挖深度的增加，圍護(hù)樁最大水平變形部位隨著開挖進(jìn)行逐漸下移，開挖完成后，最大位移點(diǎn)在圍護(hù)樁頂下部15"m左右，約為基坑開挖深度的5/6，最大水平位移為12.12"mm。最大水平位移約為H的0.067%，其中H為基坑開挖深度，與文獻(xiàn)[21]得到的圍護(hù)樁水平位移最大值為H的0.04%～0.24%的結(jié)論基本吻合。

（2）基坑外地表沉降

圖1中ZQ3點(diǎn)處地表沉降變化見圖5。由圖5可知，隨著基坑開挖深度的增加，地表沉降明顯增大，地表沉降最大值為14.37"mm。由于受內(nèi)支撐的約束，圍護(hù)樁頂部位移較小，使得坑外緊鄰墻體處地表沉降較小。此外，圍護(hù)樁外側(cè)的土體與支護(hù)樁接觸面之間的摩擦力在一定程度上制約土體下沉，因此地表最大沉降并未出現(xiàn)在墻后，而是隨著與基坑邊緣距離的增大而增大，在距離基坑邊緣約10"m處達(dá)到最大值，之后隨著離基坑邊緣距離的增加沉降值又逐漸減小，最后逐步趨于0，整個沉降曲線大致呈“凹槽”形分布。地表沉降最大值約為H的0.079%，與文獻(xiàn)[19]、文獻(xiàn)[22]根據(jù)大量砂卵石地層地鐵車站基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)得出的地表沉降最大值約為H的0.034%～0.316%的結(jié)果相近。

3.2 "基于破壞接近度的基坑開挖穩(wěn)定性分析

模擬開挖過程時，通過FLAC^3D軟件的內(nèi)置FISH語言，獲得基坑在不同開挖深度下深層土體的破壞接近度分布。工況4下端頭井長邊中部斷面Ⅰ（位置見圖1）的破壞接近度分布與基坑塑性區(qū)分布見圖6，基坑標(biāo)準(zhǔn)段中部斷面Ⅱ的破壞接近度分布與基坑塑性區(qū)分布見圖7。破壞接近度大于等于1的區(qū)域和FLAC^3D計(jì)算的塑性區(qū)大致相同，均集中在基坑側(cè)壁，表明破壞接近度的分析較為合理。在未進(jìn)入塑性狀態(tài)的彈性區(qū)域，相比于塑性區(qū)分布，破壞接近度展示了更加豐富的信息，能夠?qū)υ搮^(qū)域進(jìn)行損傷程度的定量劃分。

不同工況下端頭井長邊中部斷面Ⅰ的破壞接近度分布見圖8。在基坑開挖深度增大的過程中，破壞接近度較大的區(qū)域基本分布在基坑側(cè)壁及圍護(hù)樁底部區(qū)域。隨著開挖深度增大，基坑圍護(hù)樁后鄰近土體破壞接近度由0.6、0.7迅速增長到1.0，表明基坑側(cè)壁后鄰近土體在開挖后期已經(jīng)進(jìn)入塑性狀態(tài)，力學(xué)性能已經(jīng)劣化。破壞接近度大于0.8的區(qū)域（即開挖擾動區(qū)）在開挖過程中迅速擴(kuò)展，最終連通基坑側(cè)壁區(qū)域和圍護(hù)樁底部區(qū)域，形成更大的開挖擾動區(qū)。

為了更準(zhǔn)確地確定深基坑開挖對周邊環(huán)境的影響區(qū)域及影響程度，結(jié)合3.1節(jié)的計(jì)算結(jié)果，將各測點(diǎn)的地表沉降δ_V除以基坑最大沉降量δ_Vmax的絕對值、距基坑邊緣距離d除以基坑開挖深度H，并以

此為基礎(chǔ)繪制基坑地表沉降的無量綱圖，初步確定基坑開挖對地表沉降的影響分區(qū)，結(jié)果見圖9。圖9中，A～D分別為強(qiáng)影響區(qū)、較強(qiáng)影響區(qū)、弱影響區(qū)、無影響區(qū)。

由圖9可以看出，在距離基坑邊緣0～1.2H內(nèi)，地表沉降量先增加后減??；在距離基坑邊緣0.5H處，地表沉降量達(dá)到最大值；在距離基坑側(cè)壁1.2H處，地表沉降量與基坑邊緣接近，且地表沉降的減小速率明顯變?。辉诰嚯x基坑邊緣1.2H～1.7H內(nèi)，沉降量從最大沉降量的30%左右減小為最大沉降量的10%左右，此時地表沉降受基坑開挖的影響較強(qiáng)；在距離基坑邊緣2.5H外的區(qū)域，地表沉降的減小速率趨于平緩，隨著距基坑側(cè)壁距離的增加，地表沉降量逐漸趨近于0。

由此可將基坑開挖對地表沉降的影響分區(qū)劃分如下：0～1.2H為基坑開挖的強(qiáng)影響區(qū)；1.2H～1.7H為較強(qiáng)影響區(qū)；1.7H～2.5H為弱影響區(qū)；2.5H以外區(qū)域?yàn)闊o影響區(qū)。

結(jié)合圖9和圖8（d），得到基于破壞接近度的基坑開挖影響分區(qū)，見圖10。圖10中基坑開挖的強(qiáng)影響分區(qū)邊界幾乎和破壞接近度計(jì)算得到的F_FAI≥0.8的區(qū)域相匹配，故可將F_FAI≥0.8的區(qū)域定義為強(qiáng)影響區(qū)域，強(qiáng)影響區(qū)從基坑底部開始，以一條弧線逐漸擴(kuò)散至地表距基坑邊緣1.2H處。較強(qiáng)影響區(qū)從基坑圍護(hù)樁底部開始，以一條弧線逐漸擴(kuò)散至地表距基坑邊緣1.7H處。較強(qiáng)影響區(qū)邊界和破壞接近度計(jì)

算得到的F_FAI=0.75的區(qū)域邊界有較好的一致性，故可將0.75≤F_FAI＜0.8的區(qū)域定義為較強(qiáng)影響區(qū)域。弱影響區(qū)則為基坑圍護(hù)樁底部的水平線、2.5H所在位置的豎直線所劃定的區(qū)域。2.5H以外的土體為無影響區(qū)域。對于基坑工程的施工，地層變形對周邊環(huán)境或建筑物會產(chǎn)生不利的影響，需要嚴(yán)格控制地層沉降變形，取F_FAI=0.75作為開挖擾動區(qū)下限更合理。

對圖10進(jìn)行簡化，獲得基坑開挖對周圍土體的影響分區(qū)示意，見圖11。圖11中，A～D分別為強(qiáng)影響區(qū)、較強(qiáng)影響區(qū)、弱影響區(qū)、無影響區(qū)。A區(qū)域邊界為長軸、短軸分別為1.2H和H的橢圓弧；B區(qū)域邊界為長軸、短軸分別為1.7H和L（圍護(hù)樁長）的橢圓??；C區(qū)域邊界為長、寬為2.5H和L的長方形。

根據(jù)上述分析，針對處于不同影響區(qū)域內(nèi)的建筑物，建議采用不同的控制措施，具體建議措施如下：建筑物位于強(qiáng)影響區(qū)時，當(dāng)其受基坑開挖影響較大時，可釆用注漿加固等方法控制其變形；建筑物位于較強(qiáng)影響區(qū)時，施工過程中必須加強(qiáng)監(jiān)控量測工作；建筑物位于弱影響區(qū)時，根據(jù)建筑物自身的健康狀況，適當(dāng)布置一些測點(diǎn)或者不進(jìn)行監(jiān)測；建筑物位于無影響區(qū)時，不釆取控制措施。

4 "結(jié)論

結(jié)合工程實(shí)例，采用FLAC^3D軟件，模擬了基坑開挖過程中的變形規(guī)律，利用破壞接近度理論對基坑土體的應(yīng)力狀態(tài)和危險(xiǎn)水平進(jìn)行評價(jià)，得出以下結(jié)論。

（1）通過FLAC^3D軟件獲得基坑開挖時的變形規(guī)律，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形曲線呈“弓”形，最大水平位移為12.12"mm，地表沉降變形曲線呈“凹槽”形，最大沉降點(diǎn)在距基坑邊緣約10"m處，地表沉降最大值為14.37"mm。

（2）破壞接近度能有效表達(dá)塑性區(qū)的分布，可以反映基坑開挖過程中巖土體的損傷程度和演化規(guī)律，表明破壞接近度方法對于深基坑工程較為適用。

（3）通過計(jì)算結(jié)果確定砂卵石地層深基坑開挖對周邊土體的影響分區(qū)。將基坑開挖的影響區(qū)域按照基坑深度劃分為強(qiáng)影響區(qū)、較強(qiáng)影響區(qū)、弱影響區(qū)、無影響區(qū)。

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