軟土地區深基坑開挖環境影響數值模擬分析

劉 靜 德

(上海申元巖土工程有限公司，上海　200040)

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軟土地區深基坑開挖環境影響數值模擬分析

劉 靜 德

(上海申元巖土工程有限公司，上海200040)

以上海某住宅項目深基坑工程為例，數值模擬了深基坑開挖過程，分析了復雜條件下基坑開挖中圍護結構與周邊環境的受力、變形情況，結果表明：深基坑開挖中，圍護結構、周邊建(構)筑物及土體的變形均滿足規范對變形控制的要求，證明采用土體硬化模型能較好地模擬復雜條件下基坑開挖所引起的環境影響。

深基坑，環境影響，土體硬化模擬，數值模擬

0　引言

基坑開挖必然改變周邊土體的應力狀態，導致土體變形，進而對臨近建(構)筑物產生不利影響，甚至危及其正常使用與安全。而隨著經濟的發展及土地資源的日趨緊張，上海等大中城市的基坑工程規模越來越大，且往往緊鄰老建筑、市政管線、軌道交通等敏感建(構)筑物。這就要求基坑圍護結構必須滿足變形控制要求，以保護周邊建(構)筑物的安全。

有限元數值模擬分析能夠較好地考慮土體分層及力學特性、周邊建(構)筑物的影響及基坑圍護與開挖的施工過程等因素，已成為深基坑工程圍護設計計算中不可或缺的分析方法。諸多學者通過建立巖土體本構模型與圍護結構計算單元，對深基坑工程圍護結構受力與變形、土體位移及鄰近建(構)筑物的變形特性等工程問題進行數值模擬分析[1-5]。

上海某住宅項目深基坑工程緊鄰老住宅小區與市政道路，道路下存在主要市政管線，故基坑工程施工對周邊環境變形影響的控制要求較高。為較好地預測基坑開挖所引起的變形，保證基坑工程的安全實施，采用土體硬化模型對該基坑工程的環境變形影響進行有限元數值模擬分析，以指導基坑圍護設計與土方開挖施工。

1　工程概況

1.1工程簡介

上海某住宅項目主體結構包括8棟6層～17層的住宅樓，并設地下2層的地下室或地下車庫。該項目基坑開挖面積約為23 200 m2，周邊延長米約960 m，基坑普遍開挖深度為10.4 m，局部深坑開挖深度達12.7 m。

1.2周邊環境條件

該基坑工程北側、東側、南側均為現狀道路，道路下均有主要市政管線，管線距離基坑開挖邊線最近約5.0 m；基坑東北側3棟6層居民樓和1棟22層居民樓，其中6層居民樓均為采用天然地基淺基礎，距離基坑開挖邊線最近約10.8 m。該基坑周邊建筑物、市政管線對變形均較為敏感，且距離基坑開挖邊線較近，基坑工程環境保護要求較高。

1.3工程地質條件

該基坑工程地處長江三角洲入海口東南前緣濱海平原，場地內對基坑工程有影響的土層自上而下依次為：①1層雜填土，含大量碎磚塊，碎石等物，土質不均勻；②層粉質粘土；③層淤泥質粉質粘土，夾粉土薄層；③夾層砂質粉土，夾淤泥質粉質粘土，局部夾砂質粉土團塊；④層淤泥質粘土，夾粉土團塊；⑤1-1層粘土，含有機質及鈣泥團塊；⑤1-2層粉質粘土，含有機質及鈣泥團塊；⑥層粉質粘土，含鐵、錳氧化斑核。

場地內的地下水位潛水與賦存于⑦層土中的承壓水。基坑工程圍護設計中，潛水按埋深0.5 m考慮；承壓水水頭埋深按3 m考慮。該項目場地內⑦層土最淺埋深28 m，驗算表明該基坑工程土方開挖中不存在承壓水突涌問題。

2　數值分析模型的建立

2.1土體本構模型及計算參數

選取合適的土體本構模型是進行基坑工程數值模擬的前提。土體硬化本構模型能考慮軟土的硬化特性、區別處理土體的加載與卸載，且土體的剛度依賴于應力歷史與應力路徑，能合理反映圍護結構及鄰近土體的變形特性，適用于基坑開挖的數值模擬[6,7]。故采用土體硬化模型進行本基坑工程土方開挖環境影響分析。

根據本項目巖土工程勘察報告及上海地區相關經驗[8]，該基坑工程數值模擬中各土層參考應力pref取100 kPa，泊松比vur取0.2，其他模型參數見表1。

表1　基坑工程數值模擬各土層計算參數

2.2數值分析模型的建立

因本工程周邊環境復雜且存在重要建(構)筑物，故應選取不同剖面進行基坑開挖環境影響有限元分析。根據本基坑工程的開挖深度及周邊環境條件，選取剖面1—1與剖面2—2進行分析，其中剖面1—1臨近6層天然地基淺基礎居民樓，開挖深度10.4 m；剖面2—2臨近現狀市政道路，開挖深度12.7 m。

基坑開挖時土體卸載，土體應力與應變重分布的過程。根據工程經驗，基坑開挖通常會對開挖深度4倍范圍內的土體變形造成影響，從而影響該范圍臨近的建(構)筑物的變形。因此，本工程中基坑開挖環境影響分析中，圍護墻外側土體邊界設置在4倍開挖深度之外，下邊界根據圍護墻嵌入深度確定，選在⑥層土層底，故數值計算模型尺寸為80 m×32 m。

數值模擬中，各支護結構構件、周邊建(構)筑物均采用彈性模型，其中圍護墻與建筑物采用板單元模擬，內支撐系統采用錨定桿單元模擬，地下管線采用隧道單元模擬。數值模擬中考慮基坑周邊地表存在20 kPa的施工荷載。

2.3基坑開挖工況有限元模擬

基坑開挖數值模擬中，通過“單元生死”模擬基坑工程先支后挖、分層開挖的施工過程，具體施工工況見表2。

表2　基坑開挖施工工況

3　基坑開挖數值模擬結果分析

基坑開挖至基底時，土體卸載及臨空面高度最大，周邊土體及建(構)筑物的變形達到最大值。同時，圍護墻外側的水土壓力及周邊附加荷載均由基坑支護結構承擔，支護結構亦處于最大受力狀態，變形最大。故選取基坑開挖至基底時(工況4)的計算結果分析基坑工程對周邊環境的影響。

表3　基坑開挖至底時支護結構受力與變形

3.1支護結構受力與變形

基坑開挖至底時基坑支護結構的受力與變形值見表3。由數值模擬結果可知：

1)圍護樁墻墻頂位移較小，這是因為本工程首道支撐采用混凝土臨時支撐，支撐剛度較大，能有效控制基坑初始變形；2)基坑各剖面的圍護墻水平位移模式基本相同，圍護墻水平位移最大處均發生在坑底；3)基坑圍護墻最大位移均小于開挖深度的0.3%，滿足規范關于圍護墻水平位移控制的要求，說明該基坑工程的圍護形式合理有效。

3.2土體位移

基坑開挖至底時有限元計算得到的各剖面土體水平與豎向位移云圖見圖1與圖2，圍護墻外及坑底土體位移見表4。由圖1，圖2與表4可知：1)基坑開挖所引起的墻后土體變形影響范圍基本在3倍～4倍基坑開挖深度區域，且基坑周邊存在淺基礎建筑物時影響范圍略大；2)基坑開挖后，土方卸載引起坑底土體向上隆起，最大隆起量約168 mm，這可能造成立柱樁的上浮，影響支撐的穩定性，在圍護設計中應予以考慮；3)基坑開挖至底后，圍護墻后土體最大沉降均小于基坑開挖深度的0.25%，滿足規范關于地面沉降的控制要求，說明本工程的圍護形式能有效控制基坑開挖對周邊環境變形的影響。

表4　基坑開挖至底時土體位移情況 mm

3.3周邊建(構)筑物變形

基坑開挖至底時，周邊建筑物及地下管線的水平與豎向位移情況見表5。由表5可知：1)基坑開挖期間，受坑內土方卸載及土體應力重分布影響，基坑周邊土體向坑內位移，并引起基坑周邊建(構)筑物發生朝向坑內的變形；2)基坑周邊建筑物位移小于20 mm，地下市政管線位移小于10 mm，均滿足規范規定，說明本工程的圍護形式對控制基坑開挖環境影響具有良好效果。

表5　基坑開挖至底時周邊建(構)筑物變形情況　mm

4　結語

以上海某住宅項目深基坑工程為例，對其最不利剖面進行了基坑開挖的有限元數值模擬，研究了復雜條件下基坑支護體系及周邊環境的受力變形情況。研究表明：

1)數值模擬所得到的基坑支護結構的變形模式與受力特性、墻后土體沉降與坑內土體隆起特性及基坑周邊建(構)筑物的變形特性均較為合理，說明采用土體硬化模型能較好地模擬復雜條件下基坑開挖所產生的環境影響。2)基坑開挖至底時，支護結構的變形、圍護墻后地表沉降、周邊建(構)筑物的變形均滿足規范關于基坑工程變形控制的要求，說明本工程基坑圍護形式能有效控制土方開挖引起的周邊環境變形，圍護設計方案是合理可行的。

[1]常林越,沈健,徐中華.敏感環境下深基坑的設計與三維數值分析[J].鐵道工程學報,2011(11):52-57.

[2]張飛,李鏡培,唐耀.考慮土體硬化的基坑開挖性狀及隆起穩定性分析[J].水文地質工程地質,2012,39(2):79-84.

[3]熊健.兩種模型在偏壓基坑有限元分析中的應用與對比[J].建筑結構,2012,42(1):124-127.

[4]劉書斌,王春波,周立波，等.硬化土模型在無錫地區深基坑工程中的應用與分析[J].巖石力學與工程學報,2014,33(S1):3022-3028.

[5]劉帥君,王曉東,王建華，等.越江隧道臨岸段明挖基坑受力變形數值分析[J].巖土工程學報,2013,35(S2):330-334.

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[7]Teo P L,Wong K S.Application of the Hardening Soil model in deep excavation analysis[J].The IES Journal Part A:Civil & Structural Engineering,2012,5(3):152-165.

[8]王衛東,王浩然,徐中華.基坑開挖數值分析中土體硬化模型參數的試驗研究[J].巖土力學,2012,33(8):2283-2290.

Numerical simulation of the deformation of surroundings around deep excavation in soft soil

Liu Jingde

(ShanghaiShenyuanGeotechnicalEngineeringCo.,Ltd,Shanghai200040,China)

For a deep excavation engineering of a residential project in Shanghai, undertakes the numeric simulation of the excavation process of the foundation pits. The stress and deformation of supporting structures of the excavation and the deformation of surroundings caused by excavation are studied. The numerical simulation shows that the deformations of supporting structures and surroundings can meet the requirements of the specification for deformation control. It proves that the hardening soil model can effectively capture the deformation of surroundings caused by deep excavations.

deep excavation, environment influence, hardening soil simulation, numerical simulation

1009-6825(2016)19-0058-03

2016-04-21

劉靜德(1986- )，男，博士，工程師

TU463

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