基坑工程開挖支護的數值計算分析

楊震偉

(杭州市鐵路投資有限公司，浙江杭州 310021)

隨著我國經濟的迅猛發展以及城市規模的快速擴張，深大基坑越來越多地出現在城市建設中。在復雜地質條件下，不同支護設計形式和開挖方式引起土體變形和支護系統應力調整的情況極為復雜，使得深大基坑開挖過程中基坑開挖穩定和安全問題十分突出。

目前，基坑工程中常用的分析方法可以分為兩類:①行業和地方基坑設計規程采用豎向彈性地基梁法［1-2］;②基于連續介質力學的數值分析方法，如有限元法、有限差分法等。豎向彈性地基梁法難以對土體與圍護結構組成的相互作用的整體結構進行內力及變形分析，因此越來越多的基坑工程采用數值分析方法對基坑開挖過程進行模擬計算，如鄭永來等［3］以上海M8線環海路站北風井基坑工程為背景，采用FLAC3D軟件模擬基坑的開挖過程，郭海燕等［4］結合青島萬邦基坑工程的設計和施工，以平面彈塑性有限元模擬該基坑的開挖和支護過程。此外，丁永春等［5］、趙海燕等［6］均采用不同軟件及方法對基坑進行過有限元模擬計算。

本文結合某地鐵基坑工程的設計和施工，采用Mohr-Coulomb彈塑性本構模型，利用ABAQUS大型數值計算軟件模擬計算基坑的開挖支護過程，分析非對稱土層基坑開挖過程中基坑變形及支護體系的內力變化規律，為該基坑設計及現場施工提供參考。

1 Mohr-Coulomb塑性模型

Mohr-Coulomb破壞和強度準則在巖土工程中的應用十分廣泛，大量的巖土工程設計計算都采用Mohr-Coulomb強度準則。

Mohr-Coulomb強度準則假定，當作用在某一點的剪應力等于該點的抗剪強度時，該點發生破壞，剪切強度與作用在該面的正應力呈線性關系。Mohr-Coulomb的強度準則為

式中，τ為剪切強度，σ為正應力，φ為材料的內摩擦角，c為材料的黏聚力。

傳統的Mohr-Coulomb模型的屈服面存在尖角導致塑性流動方向的不唯一性，造成數值計算的繁瑣和收斂緩慢。為避免這種問題，ABAQUS采用的本構模型是傳統Mohr-Coulomb屈服準則的擴展，該模型選用連續光滑的流動勢函數(Menetery Ph etc，1995)，其形狀在子午面上為雙曲線，在π平面上沒有尖角，確保了塑性流動方向的唯一性［7］。

2 工程概況

某地鐵基坑工程長約252 m，寬20.5～25.9 m，呈南北向展布，基坑開挖深度在15.0～16.8 m范圍，結構頂板覆土厚度在1.6～1.8 m范圍，底板座落在淤泥質土層上。

2.1 工程地質條件

將勘探范圍內地基土劃分為6個工程地質層，各地基土層的工程特性按地層由上至下，由新至老分布如表1。

表1 土層分布及物理力學指標

2.2 基坑支護設計

基坑采用鉆孔灌注樁作圍護結構，采用明挖順筑法施工。圍護結構采用旋噴止水帷幕與內排灌注樁的內支撐方案，灌注樁為φ1 000@1 200 mm，補樁規格為φ1 200@1 400 mm。樁底插入坑底下強風化粉砂巖至少3.5 m，當坑底強風化粉砂巖厚度不足3.5 m時，伸入中等風化粉砂巖至少1.5 m。灌注樁外側采用φ800@500 mm旋噴樁止水帷幕，加固深度從冠梁頂至強風化巖面。

基坑橫向設置5道內支撐，第1道和第3道為混凝土支撐，混凝土支撐截面尺寸900 mm×800 mm，其余部分為φ609、厚16 mm的鋼管支撐，支撐間距分為1.2 m和3.3 m兩種。

基坑地基土層加固:①基坑第3道支撐底下至地面下10 m范圍裙邊加固和隔條抽條加固，水泥摻量不小于150 kg/m3，28 d無側限抗壓強度不小于0.5 MPa;②基坑開挖深度在地面下10 m至坑底范圍內，采用φ800@600 mm的旋噴樁抽條加裙邊加固，水泥摻量不得低于400 kg/m3，28 d無側限抗壓強度不小于0.8 MPa;③坑底以下至強風化巖(強風化巖較深時，加固至坑底以下8 m)，采用φ800@600 mm的高壓旋噴樁滿堂加固，滿足基坑圍護設計中比例系數m=6 MN/m4，水平抗力系數Kh=20 MN/m3，水泥摻量不得低于530 kg/m3，28 d無側限抗壓強度不小于1.0 MPa。

3 數值仿真計算

3.1 計算模型

由于基坑長寬比較大，且基坑在長度方向的土層分布近似，因此選取基坑中間一段模擬計算基坑開挖穩定過程。該基坑土層分布呈斜坡狀，基坑東側強風化巖層埋深高程為－2.0 m，西側強風化巖層埋深高程達－14.0 m。

基坑及圍護結構仿真模型如圖1所示。模型中巖土體為61 000個節點，其中實體單元56 777個，圍護結構單元4 723個。

圖1 基坑及圍護結構模型

3.2 邊界條件

計算采用的邊界條件為:模型底部邊界采用全約束(約束三個平動自由度)，四周側立邊界采用法向約束。

3.3 模擬過程

根據基坑設計和施工步驟確定模擬計算共考慮九步，第一步進行初始地應力場的平衡;第二步施加混凝土圍護樁、立柱，進行基坑穩定計算;第三步開挖至第1道支撐下0.5 m處，計算基坑穩定性;第四步施加冠梁、第1道混凝土支撐及混凝土系梁，開挖至第2道支撐下0.5 m處，計算基坑的穩定性;依次施加第5道鋼管支撐，開挖至基坑底為第九步。

4 計算結果及分析

4.1 土體位移

圖2為基坑開挖過程中模型中間剖面處基坑東西側土層的水平變形，圖中H為開挖深度。可以看出，土層的水平變形隨著開挖深度的增加逐漸增大，但增長的幅度逐漸減小。開挖至坑底時，基坑東側的最大水平變形為15.8 mm，遠離基坑內變形，西側的最大水

圖2 基坑東西側開挖步的水平位移

平變形為33.5 mm，向基坑內變形。造成基坑東側土體遠離基坑內變形的原因為:由于該基坑東西側基巖埋深相差較大，使得開挖過程中基巖埋深更深的西側土體水平變形更大，造成西側圍護結構承受的土壓力更大，而東側土體變形較小，土壓力也小，西側土壓力通過支撐傳遞給東側圍護結構，使得基坑東側土體偏離基坑方向變形。

4.2 圍護樁內力

圖3和圖4分別為基坑開挖過程中模型中間剖面處圍護樁的彎矩隨高程的變化曲線圖。

圖3 東側圍護樁各開挖步的彎矩

圖4 西側圍護樁各開挖步的彎矩

可以看出，圍護樁的最大彎矩隨開挖深度的增加而逐漸增大。開挖完后東側樁的最大彎矩約為514 kN·m，西側樁的最大彎矩約為1 168 kN·m，均位于基坑東西側基巖面處。

4.3 支撐內力

圖5為基坑開挖過程中模型中間剖面處5道支撐的軸力變化圖。

從圖5可以看出，第1道支撐最大軸力發生在開挖深度為7.5 m處，為1 270 kN，大致位于支撐的中間部位，之后隨著開挖深度的增加而減小;第2道支撐的最大軸力發生在開挖深度為10.5 m處，為754.2 kN，大致位于支撐中部偏西部位，之后軸力隨開挖深度的增加略有減小;第3、第4和第5道支撐的軸力隨開挖深度的增加逐漸增大，基坑開挖完后分別為3 415 kN，996.5 kN，773.2 kN，最大軸力分別位于該道支撐的中部、東側和西側。

圖5 每道支撐的軸力分布

從分析結果來看，由于兩端混凝土邊撐的作用，第1、第3道混凝土支撐最大軸力位于支撐中部，而第2、第4和第5道鋼管支撐的最大軸力則位于端部。此外，施工過程中及時施作支撐，可有效地分擔上部支撐的壓力。

5 結語

1)本文采用ABAQUS軟件對基坑開挖過程進行非線性模擬計算。土體變形、圍護結構的內力均隨開挖深度的增加而增大。

2)當基坑兩側土層非對稱分布時，基巖埋深更深一側的土壓力通過支撐傳遞至基巖埋深更淺一側的圍護樁，使得該側土層向遠離基坑方向變形。

3)基坑開挖過程中基坑的水平變形逐漸增大，使得作用在圍護系統上的土壓力增大，因而施工過程中及時設置支護結構，不僅能有效地減少土體的變形，還能及時減小上部支撐的軸力，確保施工的順利完成。

［1］中華人民共和國建設部．GJ 120—99 建筑基坑支護技術規程［S］．北京:中國建筑工業出版社，1999．

［2］金甌，胡正華，陳成振．深基坑變形和內力監測數據與有限元理論數據對比研究［J］．鐵道建筑，2011(6):114-116．

［3］鄭永來，王金龍．軌道交通上方大面積基坑開挖三維問題分析［J］．地下空間與工程學報，2009，5(2):277-306．

［4］郭海燕，李勝林，張云．深基坑開挖與支護的有限元模擬［J］．中國海洋大學學報，2009，39(1):165-168．

［5］丁永春，王建華，徐斌．基于FLAC3D的基坑開挖與支護三維數值分析［J］．上海交通大學學報，2009，43(6):976-980．

［6］趙海燕，黃金枝．深基坑支護結構變形的三維有限元分析和模擬［J］．上海交通大學學報，2001，35(4):165-168．

［7］王金昌，陳開頁．ABAQUS在土木工程中的運用［M］．杭州:浙江大學出版社，2006．