軟弱地層深基坑開挖地下連續墻變形分析

胡 軍

軟弱地層深基坑開挖地下連續墻變形分析

胡 軍

摘 要：以寧波某軟弱地層地鐵車站深基坑工程為背景，采用有限元模擬和實測數據分析相結合的方法對基坑開挖過程中地下連續墻的變形規律進行了分析。分析表明：有限元模擬計算與實測數據規律基本一致，能比較準確地反映地下連續墻的水平位移變化規律和大小；地下連續墻水平位移隨基坑開挖深度的增加而增大，最大位移的位置也相應下移；基坑開挖深度相同時，無支撐暴露時間越長地下連續墻水平位移越大。

關鍵詞：軟弱地層；深基坑開挖；地下連續墻；變形分析

胡軍：中國鐵建大橋工程局集團有限公司，工程師，天津 300300

0　引言

地下連續墻作為深基坑的圍護結構，其自身的變形大小和規律直接影響著基坑開挖施工的安全。影響地下連續墻變形的因素比較復雜，主要因素有擬建場地的工程地質及水文地質條件、基坑平面形狀、基坑大小、周圍環境、墻體的參數及施工方法等。工程地質及水文地質條件是深基坑施工的客觀條件，對地下連續墻施工及變形控制有顯著影響。在軟弱地層進行深基坑開挖施工，控制地下連續墻的變形是確保基坑安全開挖的重要措施。本文結合寧波某地鐵車站深基坑工程，通過有限元分析和實測數據分析相結合的方法，對軟弱地層深基坑開挖過程中地下連續墻的變形規律及大小進行研究，為今后類似工程施工提供參考。

1　工程概況

本地鐵車站全長188.4 m，外包寬度為22.5 m。基坑標準段開挖深度為21.992 m，端頭井基坑開挖深度為23.758 m，圍護結構采用1.0 m厚地下連續墻，長40 m，支撐體系采用混凝土支撐＋鋼支撐相結合的內支撐體系，標準段設置6道支撐，端頭井設置7道支撐。第1、4道支撐為鋼筋混凝土支撐，第5道為雙拼鋼支撐，其余為單拼鋼支撐。采用明挖順做法施工。擬建場地地貌屬于杭州灣南岸濱海淤積型平原，地基土層屬于軟弱土層。

2　地下連續墻變形有限元分析

2.1有限元模型建立

本文采用專業巖土工程分析軟件Plaxis3D建立三維有限元模型。根據本工程基坑尺寸大小，考慮邊界效應，取計算模型尺寸長260 m，寬80 m，高100 m，如圖1所示。

圖1　基坑三維有限元模型

土體材料采用實體單元，考慮軟弱土體的蠕變特性，①層～④層土本構模型采用蠕變模型，其余土層采用硬化模型（HS模型）。蠕變模型參數選取根據試驗所得值與參數間的經驗關系確定，如表1所示。地下連續墻和混凝土支撐采用采用板單元，鋼支撐采用Anchors單元，計算參數如表2所示。

表1　土體參數

表2　結構參數

2.2有限元模擬方法

本文有限元模擬過程為：①自重應力平衡，即，不激活模型中的結構單元，只對地基土體材料施加重力，模擬自重條件下地基的應力場和位移場，保留地基的應力場而將位移場置零；②激活地下連續墻；③基坑開挖與支撐施工，即，通過“殺死”坑內土體單元，激活相應位置的Plate和Anchors單元來模擬土層開挖和支撐施工。

為便于觀察開挖過程，每次基坑開挖至各道支撐設計標高以下0.5 m，開挖深度分別為5.4、8.66、11.3、13.8、16.5、18.8 、21.4 m。2.3 計算結果分析

2.3.1開挖深度對地下連續墻水平位移的影響

圖2給出了地下連續墻水平位移隨基坑開挖深度的變化曲線，由圖2的數據可看出：

（1）當基坑開挖深度為5.4 m的時候，地下連續墻最大水平位移為7.5 mm，出現在地下連續墻約17.5 m位置；

（2）當基坑開挖深度從8.66 m增加到11.3 m，最大水平位移出現了較為劇烈的增長，最大水平位移由15.1 mm增大到33 mm，分別出現在地下連續墻約13 m和14.5 m位置；

（3）當基坑開挖到21.4 m的時候，地下連續墻最大水平位移達到69 mm，出現在地下連續墻約20.5 m位置。

2.3.2基坑暴露時間對地下連續墻水平位移的影響

圖2　地下連續墻水平位移曲線

圖3　不同暴露時間下地下連續墻水平位移曲線

圖3給出了基坑開挖深度為5.4、21.4 m，基坑無支撐暴露時間分別為6、9、12、15、18 h時，地下連續墻水平位移變化曲線。

（1）由圖3a可以看出，當基坑開挖深度較小時（5.4 m），不同暴露時間下無支撐的地下連續墻呈現的最大水平位移變化較小，僅從2 mm增加到6 mm左右，且出現最大水平位移的位置并無顯著變化。由此可看出，當基坑開挖深度較小時，不同暴露時間下無支撐的地下連續墻水平位移變化呈現增大的趨勢，但增速較低。

（2）由圖3b可以看出，當開挖深度達到21.4 m時，在不同暴露時間情況下，無支撐地下連續墻的最大水平位移從43.7 mm增加到了53.4 mm，位移增速約為開挖深度5.4 m時的2.4倍，但出現的最大水平位移深度并無明顯變化，大致都集中在地下連續墻18.5 m的位置。因此，基坑在不同暴露時間下地下連續墻的水平位移都是逐漸變大的，并且隨著基坑開挖深度的增加位移增速加大。

圖4　地下連續墻水平位移實測曲線

3　地下連續墻變形實測分析

基坑開挖過程中對地下連續墻水平位移進行了監測，圖4為與上述有限元模擬所選取的界面位置一致的CX6、CX15等2個地下連續墻測量斷面的水平位移實測曲線。

（1）由圖4中2個測量斷面的水平位移實測曲線可以看出，地下連續墻位移總體上呈現出中部大、上部與底部小的凸形，在基坑開挖的初始階段，凸出部位（即最大位移處）靠近上部，隨著開挖深度增加，該位置逐步下移；地下連續墻位移隨著開挖深度增大而不斷增大，但不同階段墻體位移的增幅存在差異；基坑開挖至16.5 m前，地下連續墻位移呈加速發展的趨勢，隨后地下連續墻位移逐漸減小，最終趨向收斂；2個測量斷面的最大水平位移分別達到64.5 mm和53 mm，最大水平位移的位置出現在地下連續墻17.5 m和21.5 m。

（2）通過對比圖4實測數據與圖2模擬數據可見，所得到的地下連續墻位移曲線變化范圍基本一致，且出現最大地下連續墻水平位移的位置和數值也十分接近。

4　結論

通過對寧波某軟弱地層地鐵車站深基坑開挖過程中地下連續墻水平位移變化的分析，得出以下結論：

（1）有限元模擬計算與實測數據的變化曲線基本一致，且數值也十分吻合，因此，運用有限元對工程進行模擬能夠較準確地反映地下連續墻水平位移變化規律和大小；

（2）隨基坑開挖深度增加，地下連續墻水平位移隨之增大，地下連續墻最大水平位移位置也相應下移，但位置變化的范圍并不大，地下連續墻水平位移增速呈現先增大后減小的趨勢；

（3）基坑開挖深度相同時，地下連續墻無支撐暴露時間越長墻體水平位移越大，尤其是在軟弱土層中表現更為明顯，且開挖深度越大，地下連續墻最大水平位移差別越大。因此，在基坑開挖過程中應盡量減小基坑的暴露時間，以減小地下連續墻的變形。

參考文獻

[1] 劉建航，侯學淵. 基坑工程手冊[M]. 北京：中國建筑工業出版社，1997.

[2] 元翔，宮全美，周順華. 離心模型試驗的連續墻位移影響因素[J]. 土木建筑與環境工程，2012，34（3）.

[3] 霍潤科，顏明圓，宋戰平. 地鐵車站深基坑開挖監測與數值分析[J]. 鐵道工程學報，2011（5）.

[4] 李剛. 地鐵車站深基坑地下連續墻位移特征分析[J]. 房屋建筑，2008（6）.

[5] 徐中華，王建華，王衛東. 上海地區深基坑工程中地下連續墻的位移性狀[J]. 土木工程學報，2008，41（8）.

Analysis of Underground Continuous Wall Deformation in Soft Soil Deep Foundation Pit Excavation

Hu Jun

Abstract:Taking a deep foundation pit engineering work at a soft stratum metro station in Ningbo as an example, the paper uses a method by combining the fi nite element simulation and analysis of measured data to analyze underground continuous wall deformation in the process of foundation pit excavation. The data have shown that the finite element simulation and patterns of the measured data are basically consistent, reflecting more accurately the underground continuous wall horizontal displacement changes and scales, underground continuous wall horizontal displacement increases in line with the increases of foundation pit excavation depth, and the position of the maximum displacement also goes downward correspondingly. When the foundation pit excavation depth is the same, greater horizontal displacement will occur on longer exposure of underground continuous wall without support.

Keywords:soft soil stratum, deep foundation pit excavation, underground continuous wall, deformation analysis

收稿日期2015-03-25責任編輯 朱開明

中圖分類號：TU433