復雜地層條件下深基坑支護方案的數(shù)值模擬研究

劉淵 郭鵬飛

作者簡介：劉?淵（1982—），高級工程師，主要從事公路工程施工管理工作。

為研究復雜地層條件下深基坑的變形特征及支護方法，文章以某地鐵站深基坑為例，基于Plaxis3D有限元數(shù)值軟件，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測點實測數(shù)據(jù)，探究了深基坑支護結(jié)構(gòu)的變形特征以及地表沉降規(guī)律，并對深基坑內(nèi)部的鋼筋混凝土力學性能進行了分析。主要得到以下結(jié)論：（1）支護結(jié)構(gòu)承受的土壓力不斷增加，土壓力使得支護結(jié)構(gòu)向外變形，產(chǎn)生水平方向的位移；（2）支護結(jié)構(gòu)的位移方向均趨向于基坑內(nèi)側(cè)，矩形基坑長邊圍護墻的側(cè)向位移普遍大于短邊連續(xù)墻的側(cè)向位移，中點處連續(xù)墻的側(cè)向位移大于角點處連續(xù)墻的側(cè)向位移；（3）鋼筋混凝土支撐隨著開挖深度的增加，支撐軸力也隨之增加，在基坑開挖至底部時，支撐承擔力大于80%，充分發(fā)揮了支撐作用。該研究可為復雜地層條件下深基坑的支護方案提供參考。

深基坑施工；Plaxis 3D有限元數(shù)值軟件；支護結(jié)構(gòu)；變形特征

U231A582014

0?引言

改革開放以來，隨著我國城市建設項目規(guī)模的不斷擴大，市區(qū)建筑的可用面積日益減少，出現(xiàn)了地鐵車站和地鐵軌道、地下停車場、地下商場等多種民用和工用地下建筑。這些建筑往往涉及十分復雜的基坑工程，而這些基坑工程大部分需要在建筑密集的市區(qū)進行施工，不僅要在復雜的地層條件下保證基坑開挖時自身的安全穩(wěn)定性，也要盡量減少基坑工程對周邊既有建筑物產(chǎn)生的不良影響，避免因基坑失穩(wěn)造成的巨大社會經(jīng)濟損失。因此，研究在復雜地層條件下深基坑的支護方案顯得尤為關鍵。

近些年來，國內(nèi)外研究學者針對深基坑開挖的支護方案展開了大量的研究。目前對深基坑支護研究多采用數(shù)值分析方法（如PLAXIS 3D、ABAQUS、FLAC 3D等軟件）。李亞［1］將系數(shù)收縮法運用到基坑沉降表達式中，對地層補償法進行了優(yōu)化，并結(jié)合實際工程，分析了基坑支護結(jié)構(gòu)的剛度和巖土體力學參數(shù)對基坑變形和沉降的影響。楊敏［2］通過擬合曲線研究基坑沉降與支護結(jié)構(gòu)位移的關系，結(jié)果表明：基坑周圍的地表沉降與支護結(jié)構(gòu)的位移呈線性關系。傅理文等［3］基于J2EE架構(gòu)，對基坑監(jiān)測系統(tǒng)進行分析，搭建了較為完整的基坑監(jiān)測平臺。Ou C Y等［4］通過改變劍橋模型和雙曲線模型對土體力學參數(shù)進行修正，結(jié)果表明：不排水的數(shù)值模擬方法適用于短時間的基坑開挖，而較長時間的基坑開挖適合排水的模擬方法。李四維等［5］通過PLAXIS 3D有限元軟件對某地鐵的深基坑工程進行研究，分析了基坑變形與基坑尺寸、支護深度以及周圍環(huán)境的關系，結(jié)果表明：澆筑了底板的基坑能有效減少基坑底部隆起和地表沉降的現(xiàn)象。周秋娟等［6］通過ABAQUS有限元軟件對某深基坑進行模擬，并結(jié)合模型試驗數(shù)據(jù)進行對比，結(jié)果表明蠕變現(xiàn)象在基坑周邊的土體中較為明顯。

在復雜地層的地下空間開發(fā)過程中，深基坑開挖是保證其穩(wěn)定性最重要的一環(huán)，基坑的質(zhì)量水平將直接決定上部建筑的使用壽命和安全性。因此，保證在復雜地層條件下的深基坑支護結(jié)構(gòu)的質(zhì)量水平具有十分重要的意義。本文基于前人對深基坑工程的研究基礎上，結(jié)合某地鐵車站的深基坑工程，通過數(shù)值模擬的方法，分析了在復雜地層條件下深基坑支護結(jié)構(gòu)的位移和力學性能。

1?工程概況

研究區(qū)位于某地鐵站，因周邊的建筑規(guī)劃以及地下管線的影響，基坑的整體形狀呈矩形，基坑的開挖面積約為8 000 m2，周長約為500 m，平均開挖深度約為25 m，自動升降電梯處基坑開挖深度可達27 m?；游挥谑袇^(qū)中心，建筑分布密集，周圍環(huán)境復雜，有復雜且密集分布的市政工程管線網(wǎng)等?；游髂蟼?cè)約20 m的位置既有建筑（高層辦公大樓），對基坑的變形控制有嚴格的要求；在基坑東側(cè)15 m的范圍內(nèi)靠近城市交通干道，交通車流量大；在基坑北側(cè)10 m的范圍內(nèi)臨近另一條城市地鐵線路。

經(jīng)過地質(zhì)勘查與室內(nèi)試驗，基坑開挖范圍內(nèi)的土層為西南地區(qū)典型的軟土地層，主要包含流塑粉質(zhì)黏土、軟塑粉質(zhì)黏土、流塑淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，由于地下水位較高，這些軟土飽和度高，具有可塑性強和強度低等特點。在基坑工程開挖時，地層容易受到開挖擾動的影響，穩(wěn)定性較差，土體會產(chǎn)生大量流變以及垮塌現(xiàn)象，嚴重影響基坑的安全穩(wěn)定性以及周邊的建筑物。

本基坑工程為滿足基坑自身的安全穩(wěn)定性，降低周圍軟土層受開挖產(chǎn)生的擾動以及地層沉降，同時考慮基坑工程對周邊建筑物的影響，基坑的支護采用地下連續(xù)墻的結(jié)構(gòu)形式。地下連續(xù)墻剛度較大，厚度為850 mm，布設深度設計為40 m，墻體內(nèi)部設置有4層鋼筋混凝土作為支撐，第1層支撐深度約為2.5 m，第二層支撐深度約為7.5 m，第三層支撐深度約為14.3 m，第四層支撐深度約為17.2 m。

2?有限元模型的建立

2.1?Plaxis 3D有限元軟件介紹

Plaxis 3D是由荷蘭PLAXIS B.V.公司旗下的一款針對巖土工程的有限元分析軟件，擁有較先進的DIANA的有限元分析內(nèi)核，其非線性分析能力能出色解決在溶洞、隧道、邊坡等各類巖土工程上所遇到的難題，支持十余種本構(gòu)模型以及多種自定義模型。通過Plaxis 3D軟件中的不同計算模塊可以對深基坑開挖過程中支護結(jié)構(gòu)的變形特征和力學性能進行研究，如圖1所示為Plaxis 3D軟件的建模過程。

2.2?細觀參數(shù)的確定

細觀參數(shù)對Plaxis 3D軟件的模擬結(jié)果的準確性影響較大，而軟件并不包含細觀參數(shù)與宏觀參數(shù)的定量關系，因此土體力學參數(shù)及力學指標根據(jù)野外調(diào)查報告以及室內(nèi)試驗進行確定，如表1所示為巖土體力學參數(shù)及力學指標［7］。

2.3?本構(gòu)模型的確定

本文采用HSS作為土體的本構(gòu)模型。HSS模型為小應變模型，能充分考慮到土體在變形時產(chǎn)生的硬化效應，同時可以模擬土體剪切時在微小范圍內(nèi)剪切模量的衰減現(xiàn)象。通過HSS作為本構(gòu)模型，可以合理模擬深基坑在開挖時支護結(jié)構(gòu)和土層的變形［8］。

在HSS模型中，土層的泊松比統(tǒng)一采用0.20，剛度應力水平相關冪指數(shù)m均為0.8。土體本構(gòu)關系采用式（1）～（4）進行描述。

2.4?模型構(gòu)建及分析步設定

2.4.1?模型構(gòu)建

三維立體模型如圖2所示，按照實際工程的深基坑尺寸進行建模，在東西方向為矩形基坑的短邊，長度約為100 m，南北方向為矩形基坑的長邊，長度約為150 m，基坑尺寸滿足開挖影響范圍的要求。模型的長度為250 m，寬度為200 m，高度為60 m。

2.4.2?分析步設定

按照實際工程中基坑開挖的順序，分5層開挖，土體開挖后立即進行支撐和底板施工。有限元模型中基坑開挖步驟如圖3所示。

3?數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1?基坑位移特征

為了確保本文的研究成果在實際工程運用中的可靠性，提取了工程現(xiàn)場的連續(xù)墻位移監(jiān)測數(shù)據(jù)，與數(shù)值模擬結(jié)果進行對比分析。5個開挖階段的連續(xù)墻位移監(jiān)測結(jié)果如圖4～8所示。

根據(jù)圖4、圖5可知，在開挖初期，基坑的變形受開挖深度的影響較小，這是因為連續(xù)墻的支撐剛度較大，在開挖深度較小的情況下，支護結(jié)構(gòu)所承受的荷載較小，基坑周邊的土體未發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，水平位移并不明顯；而在第二層開挖階段，基坑受開挖深度的影響較大，這是因為隨著開挖深度的增加，基坑內(nèi)部的土體高度低于基坑外側(cè)的土體，隨著高度差值不斷增加，基坑內(nèi)外側(cè)所受的壓力差距也不斷增加，土體會對連續(xù)墻產(chǎn)生主動土壓力，隨著壓力增加，連續(xù)墻的上部結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生向外側(cè)的變形，由此發(fā)生較明顯的水平位移。由圖5可知，約4～5.5 m的開挖深度區(qū)間有曲線變化的現(xiàn)象。

根據(jù)圖6～8可知，基坑的地下連續(xù)墻的上部結(jié)構(gòu)會向基坑的外側(cè)發(fā)生變形，隨著開挖深度的不斷增加，支護結(jié)構(gòu)的位移數(shù)值有明顯增大的趨勢，并整體趨向于基坑內(nèi)側(cè)，且基坑的最大位移都接近開挖面。在開挖至第五層約23 m的深度時，基坑水平位移模擬數(shù)值與監(jiān)測數(shù)值出現(xiàn)了較大的偏差。根據(jù)項目調(diào)查報告顯示，該階段施工時，該地區(qū)有連續(xù)降雨的情況，推測降雨導致地下水位上升，使基坑支護結(jié)構(gòu)發(fā)生了急劇增大的位移。

通過數(shù)值模擬曲線與工程實際檢測曲線結(jié)合分析可知：隨著開挖深度不斷增加，基坑的最大水平位移值會逐漸下移，使模擬與實測結(jié)果的曲線整體在左右兩端小，中間較為突出，呈“水滴”型，說明支護結(jié)構(gòu)能夠很好地限制基坑發(fā)生變形位移；地下連續(xù)墻的水平位移由上到下呈不斷增加的趨勢，在9～12 m有突出的變化點，顯示了混凝土支撐對地下連續(xù)墻變形限制的作用，本文所建立的數(shù)值模型可以很好地預測基坑開挖過程中支護結(jié)構(gòu)的變形。

數(shù)值模擬與實際監(jiān)測支護結(jié)構(gòu)的水平位移變化規(guī)律是相同的，但存在較小的偏差，分析原因為：在建模過程中，將基坑模型的部分結(jié)構(gòu)、土層的厚度等問題進行了一定的簡化，通過項目報告以及室內(nèi)試驗確定的土體參數(shù)以及物理指標不能精確反映出當?shù)氐乃牡刭|(zhì)條件；數(shù)值模擬并未考慮地表水及地下水的變化影響；施工期間的荷載變化也會對基坑的變形產(chǎn)生一定的影響。

3.2?地表變形特征

如圖9所示為深基坑地下連續(xù)墻側(cè)向的地表沉降數(shù)值模擬位移云圖。由圖9可知，地表的沉降隨著與基坑支護結(jié)構(gòu)的距離增加先增大后減小，直到忽略不計。

如圖10所示為數(shù)值模擬與工程實測的地表沉降曲線圖。結(jié)合圖9分析可知，矩形地下連續(xù)墻長邊的地表沉降大于短邊的地表沉降，沉降的最大值出現(xiàn)在長邊，且隨著支護結(jié)構(gòu)的增長，地表沉降范圍逐漸增加。這表明，支護結(jié)構(gòu)越長，其抵抗地表沉降的能力越低。在施工時，要對長度較大的支護結(jié)構(gòu)采取優(yōu)化措施，可采取隔斷處理的方法減小支護結(jié)構(gòu)的長度，或者給連續(xù)墻增加橫向的支撐設施，以提高支護結(jié)構(gòu)的剛度，進而減小地表的沉降。

矩形基坑角點處的地表沉降明顯小于長邊中點處的沉降，且通過比較四個角點的沉降值可發(fā)現(xiàn)，矩形基坑直角處的角點地表沉降小于鈍角處的角點地表沉降，角點角度越小，地表產(chǎn)生的沉降越小，表明直角角點比鈍角角點有更大的剛度，因此在進行深基坑工程設計時，可對適當減小基坑角點的大小，進行施工優(yōu)化。

3.3?支護結(jié)構(gòu)的力學性能研究

本文對深基坑施工過程中的四道支撐進行了軸力測量，以研究鋼筋混凝土內(nèi)支撐的力學性能，結(jié)果見表2。由表2可知，除第1道支撐的軸力在開挖至7.5 m時與開挖2.5 m處的軸力相比略微下降外，其余支撐隨著開挖深度的增加，混凝土支撐的軸力也不斷增加。在開挖深度達到第三層的14.3 m后，4道支撐的支撐比例顯著提高，當開挖至底板處時，各個支撐達到了最大軸力值，分別為3 688.24 kN、1 826.37 kN、2 547.83 kN和1 371.95 kN，其支撐比例均＞80%，表明基坑內(nèi)部的鋼筋混凝土支撐充分發(fā)揮了支撐作用。

4?結(jié)語

本文以某地鐵站深基坑工程為例，基于Plaxis 3D軟件，對復雜地層條件下的深基坑支護方案進行研究，分析了深基坑位移、支護結(jié)構(gòu)以及地表的變形特征，同時驗證了混凝土支撐的力學性能。

得到如下主要結(jié)論：

（1）隨著深基坑開挖深度的不斷增加，土體對支護結(jié)構(gòu)的土壓力會不斷增加，支護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生向外側(cè)的變形，導致其產(chǎn)生水平方向的位移。

（2）支護結(jié)構(gòu)的位移方向均趨向于基坑內(nèi)側(cè)，矩形基坑長邊圍護墻的側(cè)向位移普遍大于短邊連續(xù)墻的側(cè)向位移，中點處連續(xù)墻的側(cè)向位移大于角點處連續(xù)墻的側(cè)向位移。

（3）矩形基坑角點處的地表沉降明顯小于長邊中點處的沉降，角點角度越小，地表產(chǎn)生的沉降越小。

（4）隨著開挖深度的增加，鋼筋混凝土支撐軸力也隨之增加，在基坑開挖至底部時，支撐承擔力＞80%，充分發(fā)揮了支撐作用。

參考文獻

［1］李?亞.基坑周圍土體位移場的分析與動態(tài)控制［D］.上海：同濟大學，1999.

［2］楊?敏，盧俊義.基坑開挖引起的地面沉降估算［J］.巖土工程學報，2010，32（12）：1 821-1 828.

［3］傅理文，彭?淵，翁?湛，等.深基坑安全監(jiān)測與預警平臺的開發(fā)與應用［J］.地下空間與工程學報，2018，14（S1）：423-429.

［4］Ou C Y，Lai C H.Finite-element analysis of deep excavation in layered sandy and clayey［J］.Canadian Geotechnical Journal，1994，31（2）：204-214.

［5］李四維，高華東，楊鐵燈.深基坑開挖現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬分析［J］.巖土工程學報，2011，33（S1）：291-298.

［6］周秋娟，陳曉平，徐光明.軟土基坑離心模型試驗及數(shù)值模擬研究［J］.巖石力學與工程學報，2013，32（11）：2 342-2 348.

［7］Peck R B.Advantages and limitations of the observational method in applied soil mechanics［J］.Géotechnique，1969，19（2）：171-187.

［8］Wang J H，Xu Z H，Wang W D.Wall and ground movements due to deep excavations in shanghai soft soils［J］.Journal of Geotechnical & Geoenvironmental Engineering，2010，136（7）：985-994.