軟弱地基下深基坑工程的圍護結構效應研究

李志成，王飛龍，張雪松，黃林沖

(1.長沙中大建設監理有限公司，湖南 長沙 410075；2.廣州番禺職業技術學院，廣東 廣州 511483；3.中山大學 工學院，廣東 廣州 510275)

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軟弱地基下深基坑工程的圍護結構效應研究

李志成1，王飛龍1，張雪松2，黃林沖3

(1.長沙中大建設監理有限公司，湖南 長沙 410075；2.廣州番禺職業技術學院，廣東 廣州 511483；3.中山大學 工學院，廣東 廣州 510275)

軟弱土地基下的深基坑工程具有較強的不確定性和綜合性，其支護結構和圍護結構的效應經常由各種因素綜合影響而難以準確計算及測量。圍繞軟土深基坑工程的圍護結構效應問題，根據在不同理論分析方法下對基坑開挖各個施工工況下圍護結構的變形和彎矩進行分析，并引用正在開挖的一起軟土深基坑工程案例，介紹基坑開挖過程中變形和彎矩的大小以及分布狀態，通過與該工程的實際監測數據進行對比，得出基坑開挖不同工況下圍護結構效應的相關特點，并強調對于軟弱土地基的基坑工程需通過多種計算分析手段進行多重復核的觀點，并以此結果來指導、預測以及評價基坑工程的變形和內力情況以及安全性等。

軟土地基；深基坑；數值模擬；圍護結構

隨著經濟的不斷發展，城市規模不斷擴大，即使繁忙的城市中心地區也仍不斷有高樓拔地而起，因此基坑工程也相應隨之增多，對基坑支護結構的安全性要求也越來越嚴格。因此，基坑工程的安全性評價由之前的強度控制逐漸轉變為現如今的以變形控制為主[1]。然而，由于地表土層的復雜以及多樣性，特別是軟弱地基下，常常導致基坑圍護結構在使用過程中由于變形過大而險情頻出，基坑工程事故造成了巨大的經濟損失和人員傷亡[2]。因此，如何使用靜力解析和有限元數值分析等方法對基坑開挖過程進行模擬以獲得圍護結構變形和彎矩的大小以及分布特點等情況，對于預測基坑實際開挖過程中應力應變情況進行掌握以及作為安全性的評價依據具有重要意義[3-5]。

本文以佛山某正在開挖過程中的大型軟土深基坑工程為項目背景，以開挖過程中的實際監測數據為依據，對地下連續墻和內支撐進行模擬研究，分別采用GEO5解析軟件和MIDAS/GTS數值分析軟件對基坑開挖得各個施工工況進行模擬[6]，比較不同設計方法下結構的位移變形和彎矩變化及分布情況，與實際監測數據進行分析比較，總結出地下連續墻在不同施工工況下變形和彎矩的變化特點。

1　工程概況

該大廈基坑占地面積約110×70 m2，位于佛山市新桂路東側，振華路南側，建設路北側，擬建酒店及商住樓各1棟，24～28層(樓高約80～100 m)，框剪結構，裙樓4層，框架結構，擬采用樁基礎；設有地下室4層，底板設計標高約為相對高程-14.90 m。各層土質情況見表1：

表1　土層及基本力學參數

由上述土層參數表可知該工程所在場地土質稍差，淤泥質土占據比例比較大，屬于軟土深基坑工程典型案例，在這種土質中進行深基坑設計及開挖，必須使用多種設計分析手段，綜合的對該深基坑進行安全性評價和危險性評估，本文對該軟土深基坑通過有限元軟件和靜力分析方法等多種方法，并根據實際監測數據與模擬分析的結果進行對比，達到多重手段綜合使用，綜合分析的效果。

2　深基坑計算分析模型的建立

2.1GEO5靜力解析法

GEO5深基坑是國外的一款優秀的深基坑設計和分析軟件，擁有較多的巖土問題模塊，該軟件一目了然地操作方式和全面的土質本構模型，使其在深基坑工程上的應用相當廣泛[7-8]。

以本工程典型土層B～D階段的鉆孔ZK15～ZK19為例建立靜力分析模型，采用彈性地基梁法進行計算，土層力學參數均按表1取值，并考慮地面超載20 kPa作用。地下連續墻加內支撐靜力解析法的計算模型見圖1所示。本計算模型將地下連續墻簡化為豎直的彈性地基梁模型，并采用m法計算，基底以上墻體簡化為受土壓力作用的彈性梁支撐，支撐結構考慮彈性變形，內力用增量法累積。

圖1　GEO5靜力解析模型Fig.1 GEO5 static analysis model

2.2MIDAS/GTS有限元分析

本文針對該軟土深基坑工程進行三維有限元數值模擬分析，采用MIDAS/GTS有限元軟件建立三維數值模型。

模型單元選擇：土體采用實體單元，土體參數按表1取值；地下連續墻采用板單元，截面寬度為800 mm，材料為鋼筋混凝土；內支撐(1 000 mm×1 000 mm)、圈梁/冠梁(800 mm×1 000 mm)和立柱(700 mm×700 mm)均采用線單元，單元類型選用梁單元模擬，材料為鋼筋混凝土單元。為簡化計算，將土體材料模型簡化為摩爾-庫侖模型，支護結構計算模型為彈性模型[4]。

模型網格劃分：在保證計算精度的前提下，此大型深基坑按照5 m的間距劃分網格，便可達到計算精度的要求，計算邊界取基坑在該方向上的3倍距離即可如圖2所示，土體與支護結構要注意網格計算耦合的問題，網格劃分如圖3所示。

圖2　有限元數值分析模型俯視圖Fig.2 Finite element analysis model

圖3　基坑MIDAS/GTS三維模擬圖Fig.3 MIDAS/GTS 3D simulation model

2.3施工工況設置

對模擬該基坑的2種不同計算模型均采用施工階段過程分析，設置相應的施工工況。具體施工步驟如下：

第1步：清除初始地應力的影響，使其在自重應力狀態下應力應變為0。

第2步：模擬第1層土體開挖和第1道支撐系統架設的過程，即鈍化第1層要開挖的土層，激活第一層內支撐和圈梁，由此計算土體和基坑的應力應變等情況。

第3步：模擬第2層土體開挖和第2道支撐系統架設的過程，即鈍化第2層要開挖的土層，激活第2層內支撐和圈梁，在第2步的基礎上計算土體和基坑的應力應變等情況。

第4步：模擬第3層土體開挖和第3道支撐系統架設的過程，即鈍化第3層要開挖的土層，激活第3層內支撐和圈梁，在第3步的基礎上計算土體和基坑的應力應變等情況。

第5步：模擬第4層土體開挖的過程，即鈍化第4層要開挖的土體，得到最終應力應變等情況。

3　計算結果

通過對GEO5靜力解析法和GTS有限元數值分析法的計算結果做對比，并以實際監測報告做基準驗證模擬的準確性。

3.1變形分析

靜力解析法計算出的各個施工工況下地下連續墻的墻身位移如圖4(a)所示。用有限元數值分析計算的各個施工工況下墻身位移如圖4(b)所示(模擬工況第一步的清除初始地應力不體現在圖中)。選取實際監測報告中具有典型代表性的ZK18～19號位置的CX10孔的測斜監測數據為依據，其墻身實際變形如圖4(c)所示。

CX10孔位置處的墻身位移在不同工況下的數值變化不一樣，表2為各個工況下靜力計算方法、有限單元數值分析法和實際監測的變形最大值及其最大值分布位置的對比。

表2墻身最大位移和分布位置

Table 2 Wall maximum displacement and location

m

由以上曲線可以發現3種數據的變形發展趨勢大致相同，皆為手冊所述的鼓肚子類型曲線[7]，且隨著每個工況的進行，最大變形位移逐漸增大[8]，其位置也隨之往下移動，最終定位在地下連續墻深度16～18 m區間的距離，這也與手冊所述的有支護結構類型的側向變形最大點發生在基坑底部1～2 m左右是相符的。提取各個施工工況結束時的地下連續墻最大位移值及其出現位置整合于如圖5所示的曲線圖之中，可清晰看到，隨著基坑開挖深度的加大而變形也慢慢增大，且變形曲線斜率也大致相同，說明解析法和數值模擬法均可較為真實的模擬基坑開挖的變形趨勢。

(a)實際監測；(b)解析法；(c)數值分析圖4　地下連續墻的變形曲線Fig.4 Underground diaphragm wall deformation curve

圖5　最大變形值及位置比較Fig.5 Comparison of maximum deformation and location

但對比3組數據可以發現靜力解析法的變形偏小，數值模擬法次之，以實際監測變形為最大，且最大值的位置也不大一樣，出現此結果的原因是因為在計算機模擬計算中沒有考慮土體應力路徑的問題，也沒有考慮不均勻開挖、不均勻堆載以及在整個開挖過程中地下水位的漲落的影響，再者在深基坑開挖的漫長過程中多變的天氣因素也對其側向變形的影響是相當大的，因此計算的變形結果比實際的小，所以在基坑工程設計中，應充分考慮以上不利情況，對圍護結構做足夠的安全預留空間。

綜合上述墻身變形曲線，在各個開挖工況下，由兩種方法模擬的結果基本與實際相呼應，變形最大值以及變形分布特點基本相似，3種曲線均在坑底位置處出現“鼓肚子”變形，說明變形最大值均出現在坑底左右。而在坑底以下的變形都較小，因為坑底以下地下連續墻有較長的嵌固深度，且墻內外測都有水土壓力，因此變形較小。區別較大的是解析法和數值模擬法在工況4時墻身不出現正位移，而實際監測的墻身在工況4時出現正位移，也就是俗稱的墻身“后仰”，產生此現象是因為墻身剛度較大，墻身在坑底位置處出現“鼓肚子”(大負位移)時，由于墻身的連續性使得坑底以上墻體必須往坑外土體移動，墻身出現內力重分布并由此來減小自身的內力。而靜力解析法和數值模擬法均在理想的計算模型中進行計算，只考慮墻身在主動土壓力作用下的效應，所以在此結果上有所區別。但這并不影響以上兩種計算方法在基坑開挖過程中圍護結構變形計算的正確性。

3.2彎矩分析

GEO5靜力解析法求解的在ZK18～19號位置的CX10孔處的墻身彎矩如圖6(a)所示；用MIDAS/GTS分析模擬計算的墻身彎矩如圖6(b)所示；有限元法計算的整個連續墻彎矩的分布云圖如圖7所示。

(a) GEO5；(b) GTS圖6　地下連續墻的計算彎矩Fig.6 Underground diaphragm wall moment result

圖7　圍護結構的彎矩分布云圖Fig.7 Bending moment nephogram of retaining structure

由圖6可以看到不同計算方法下，墻身的彎矩分布情況基本相同，并與有限元法的整體支護結構彎矩分布云圖相對應；但比較二者的計算結果可以發現靜力解析法求解的結構彎矩比有限元數值分析法求解的彎矩小。

地下連續墻的墻身彎矩在工程上比較難以準確測得，但其大小及其分布可以比較吻合的反映深沉土體位移，并通過墻身側向變形體現出來。綜合以上分析結果，繪制彎矩分布曲線如圖8所示，采用解析法的墻身最大彎矩出現在開挖面處，并隨開挖面的加深而漸漸下移，最終停留在開挖面附近處；采用數值分析法的墻身最大彎矩出現在開挖面以下1～2 m左右，也隨著開挖過程而漸向下移動，最終最大彎矩停留在坑底下1 m左右。各個施工工況不同計算方法下的彎矩曲線如圖8所示。

(a)工況1；(b)工況2；(c)工況3；(d)工況4圖8　各個工況下墻體的彎矩圖Fig.8 Underground diaphragm wall moment result at each stage

4　結語

1)在進行深基坑支護結構設計時，采用計算機軟件對結構進行模擬，應充分考慮基坑在不同施工條件下的變形情況，在經濟的基礎上預留足夠的安全空間。

2)在基坑開挖時，應盡量按模擬的計劃進行開挖，讓結構的彎矩變化在模擬的預測范圍之內，盡量減少由于不均勻開外而引起的土層附加位移。

3)采用GEO5基坑設計軟件和MIDAS/GTS有限元分析軟件均可以較為真實的模擬深基坑在不同工況下的變形和彎矩分布情況，但對具體結果還需根據工程經驗做進一步的判斷和調整。

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Effects of retaining structure at deep excavation engineering of soft ground

LI Zhicheng1，WANG Feilong1，ZHANG Xuesong2，HUANG Linchong3

(1.Changsha Central South University Construction Supervision Co., Ltd, Changsha 410075, China;2.Guangzhou Panyu Polytechnic, Guangzhou 511483, China;3. School of Engineering, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China)

The effects of the supporting and retaining structure of deep foundation pit engineering in soft soil foundation is difficult to be calculated and measured accurately，with its uncertainty and complexity. According to the analysis under different theoretical methods for various excavation procedures, this paper proposed the deformation and bending moment effects of the supporting structure, through a big soft ground deep excavation project, which is under construction. Together there was a comparison study with the site monitoring data. The structure characteristics in different excavation conditions were studied. The paper emphasized that the calculation of the deep foundation pit in soft ground needs to be analyzed through comprehensive methods and calculated, with different professional software programs. The results of this paper can be used as a guide, to forecast the deformation and internal forces, as well as the evaluation of safety and excavation projects.

soft foundation; deep foundation pit; numerical simulation; retaining structure

2015-12-19

國家自然科學基金資助項目(51108472，51678578)；廣東省自然科學基金資助項目(2016A030313233)；廣東省科技計劃資助項目(2015A0202170004)

黃林沖(1980-)，男，湖北咸寧人，副教授，博士，從事土木工程安全與防災方面的研究；E-mail: hlinch@mail.sysu.edu.cn

TU470

A

1672-7029(2016)09-1737-06