軟土地區(qū)深基坑開挖降水施工過程的有限元分析

李 兵

上海建工集團(tuán)股份有限公司 上海 200080

目前，針對深基坑開挖及降水的穩(wěn)定性研究，已有一些專家與學(xué)者做了理論性分析和工程實踐。例如，曹力橋等[1]在考慮滲流固結(jié)耦合理論的影響下，通過有限元方法對深基坑開挖及降水施工過程對土體壓密作用及基坑隆起最嚴(yán)重的區(qū)域附近地下連續(xù)墻變形進(jìn)行了模擬分析。李飛等[2]通過數(shù)值模擬理論方法對改變土質(zhì)參數(shù)、地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)入土深度等方式，對深基坑進(jìn)行了一定的受力安全、穩(wěn)定性等研究。包凌云等[3]、張小偉等[4]、張培印等[5]、賈彩虹等[6]、馮懷平等[7]分別對樁錨復(fù)合支護(hù)下的深基坑變形、支護(hù)結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力進(jìn)行了一定的流固耦合分析研究。

本文基于上海核心城區(qū)實際工程項目施工，采用有限元方法對深基坑的不同施工工序進(jìn)行開挖仿真模擬，通過對比基坑土體變形、有效應(yīng)力、地下水滲流等分布狀況，以及地下連續(xù)墻、鉆孔灌注樁等圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、變形的變化，得到一定的結(jié)論，并為實際工程深基坑開挖施工提供了一定的理論指導(dǎo)意見。

1 工程概況

上海核心城區(qū)某街坊地塊項目的基坑總面積約為142000m2，主體基坑安全等級均為一級。

1.1 基坑分區(qū)及規(guī)模

該工程擬采取分坑施工方式，共分19個分區(qū)（圖1）。考慮到各基坑的間距、分坑的順序、基坑周邊復(fù)雜情況，將對J2分區(qū)的基坑開挖過程中地下水滲流進(jìn)行有限元仿真模擬。基坑開挖深度約19.10 m，基坑面積約1 018 m2，圍護(hù)結(jié)構(gòu)為厚1 000 mm地下連續(xù)墻，周長約143.60 m，支撐結(jié)構(gòu)分為5道，其中第1道為混凝土支撐，其余4道均為鋼支撐，用于結(jié)構(gòu)軸力補(bǔ)償，且J2基坑周邊有教堂等不得拆除的既有保護(hù)建筑。

圖1 基坑分區(qū)第1期開挖區(qū)域示意

1.2 土體地質(zhì)情況

根據(jù)設(shè)計院提供的該地塊地質(zhì)勘察資料可知，場地地基土在勘察深度范圍內(nèi)均為第四系松散沉積物，主要由飽和黏性土、粉性土和砂土組成。擬建場地揭示土層主要為11個主要層次及分屬不同層次的亞層，其中①、④、⑤層土為Q4沉積物，⑥、⑦、⑨層土為Q3沉積物，層土為Q2沉積物。根據(jù)場地土層分布情況，場地屬于濱海平原相土層，與基坑施工相關(guān)的土層從上至下依次為：①雜填土、①3黏質(zhì)粉土、④淤泥質(zhì)黏土、⑤1-1黏土、⑤1-2粉質(zhì)黏土、⑥粉質(zhì)黏土、⑦1砂質(zhì)粉土、⑦2粉砂。本工程有影響的含水層為淺層的潛水層和深部的承壓含水層。根據(jù)上海市工程建設(shè)規(guī)范DGJ 08-11—2010《地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》有關(guān)條款，上海地區(qū)水位埋深一般在0.3～1.5 m，年平均水位埋深為0.5～0.7 m，在地基承載力計算、地震液化判別及抗浮力驗算時，場地地下水埋深可按0.5 m取值，在地基變形驗算時，場地地下水埋深可按1.4 m取值，穩(wěn)定地下水位平均值約在地下1.4 m處，對本工程有直接影響的為第⑦層承壓水。材料均為排水的，采用HS模型計算。

1.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

根據(jù)設(shè)計提供的圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料參數(shù)，地下連續(xù)墻厚1 000 mm，軸向剛度為3.15×107kN/m，抗彎剛度為2.625×106kPa/m，泊松比0.15；鋼筋混凝土支撐尺寸為800 mm×800 mm，軸向剛度為2.24×107kN/m；φ609 mm×16 mm鋼管支撐軸向剛度為1.04×106kN/m，按實際間距布置。

2 深基坑開挖降水模擬分析

因基坑數(shù)量比較多，基坑開挖是交錯間隔開挖的，其基坑與基坑之間的間距遠(yuǎn)超于2～3倍深度范圍，故部分基坑之間的影響作用可以忽略，僅有少部分靠得比較緊的基坑需考慮基坑間相互影響作用。采用PLAXIS軟件對施工不同期限內(nèi)的開挖及基坑周圍實際受荷情況進(jìn)行分析，同時考慮周圍障礙建筑的邊載效應(yīng)，對影響較大的J2基坑進(jìn)行一定的降水開挖分析。為了計算方便，進(jìn)行保守計算，不計導(dǎo)墻的影響，考慮基坑開挖施工的地下連續(xù)墻、1道鋼筋混凝土支撐、4道鋼管支撐及水位變化的影響；同時基坑周圍地面荷載取15 kN/m2，教堂地面荷載取10 kN/m2，并考慮教堂附近長約30 m的φ800 mm@1 000 mm鉆孔灌注樁的影響（圖2）。

2.1 確定初始條件

在初始條件中，設(shè)置水容重為10 kN/m3，并在所取地下一般水位處生成初始水壓，然后通過K0過程的方式產(chǎn)生初始應(yīng)力場。

該基坑初始狀態(tài)下的最大地下水水頭值為45.00 m，最大總孔壓力值－434.57 kPa（壓力），最大有效主應(yīng)力值為－389.44 kPa，最大有效平均正應(yīng)力值為－243.00 kPa，最大相對剪切應(yīng)力比0.69。

2.2 設(shè)置施工工序

該基坑區(qū)域共設(shè)7個施工工序，分別為：

1）進(jìn)行教堂周圍的鉆孔灌注樁施工，施加基坑周圍地面荷載，且完成地下連續(xù)墻施工。

圖2 J2區(qū)域有限元幾何模型及網(wǎng)格模型

2）進(jìn)行第1塊土體開挖，并設(shè)置第1道鋼筋混凝土支撐。

3）進(jìn)行第2塊土體開挖，并設(shè)置第2道鋼管支撐，此時設(shè)置底部封閉滲流邊界，設(shè)置新的水位線，以便模擬開挖降水滲流分析。

4）進(jìn)行第3塊土體開挖，并設(shè)置第3道鋼管支撐。

5）進(jìn)行第4塊土體開挖，并設(shè)置第4道鋼管支撐。

6）進(jìn)行第5塊土體開挖，并設(shè)置第5道鋼管支撐。

7）進(jìn)行第6塊土體開挖，此階段是地下連續(xù)墻最大變形的階段。

2.3 計算分析及結(jié)果輸出

按照以上7個施工過程階段進(jìn)行計算分析，得出土體變形、有效主應(yīng)力、有效平均應(yīng)力、左右兩側(cè)地下連續(xù)墻水平變形、鉆孔灌注樁水平變形，地下水滲流等分布及最值變化情況。為了方便理解施工過程中各結(jié)構(gòu)的受力變化，特以施工工序進(jìn)展的先后順序描繪出受力指標(biāo)曲線，進(jìn)行對比分析，總結(jié)軟土地區(qū)深基坑在土體開挖過程中各圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力及土體受力等特性變化情況（圖3、圖4）。

圖3 深基坑開挖施工中土體及圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力及變形對比

通過對施工過程中的相關(guān)位移、應(yīng)力、彎矩、軸力、剪力等（圖5～圖10）的分析可知，在深基坑開挖的7個工序施工過程中，隨著基坑開挖深度的增加，土體及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形也隨之增長，其中土體變形在施工工序3開始急劇變大，在最終狀態(tài)下土體最大總位移達(dá)到14.9 cm；而左右地下連續(xù)墻和鉆孔灌注樁的水平位移呈現(xiàn)緩慢增長的趨勢，左右兩側(cè)地下連續(xù)墻的變形基本協(xié)同，最終施工階段時最大總位移為18.9 mm，最大變形位置約出現(xiàn)在圍護(hù)結(jié)構(gòu)底端1/3處；鉆孔灌注樁的變形小于地下連續(xù)墻，可說明鉆孔灌注樁比地下連續(xù)墻更為穩(wěn)定。

圖4 深基坑開挖施工中圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力對比及荷載位移曲線

圖5 深基坑開挖施工最終階段土體及圍護(hù)結(jié)構(gòu)總位移云圖

圖6 深基坑開挖施工最終階段土體有效平均應(yīng)力云圖

圖7 深基坑開挖施工最終階段土體相對剪切應(yīng)力云圖

圖8 深基坑開挖施工最終階段地下水滲流場分布

圖9 深基坑開挖施工最終階段圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移

圖10 深基坑開挖施工最終階段右側(cè)地下連續(xù)墻內(nèi)力

在深基坑開挖施工中，土體最大有效主應(yīng)力基本保持在389～501 kPa之間，最大有效平均應(yīng)力最值252 kPa；在最終施工階段時，土體最大相對剪切應(yīng)力比0.95，地下水滲流趨于穩(wěn)定，約1.1 mm/d，以開挖區(qū)域滲流較為顯著。從圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析可知，隨著開挖深度的增加，彎矩、軸力、剪力等內(nèi)力變化呈增加趨勢，在深基坑開挖最終施工階段時，左右側(cè)地下連續(xù)墻內(nèi)力達(dá)到最大值，彎矩最值3 000 kN·m/m，軸力最值498 kN/m，剪力最值988 kN/m；鉆孔灌注樁所承受內(nèi)力較小，彎矩最值169 kN·m/m，軸力最值56 kN/m，剪力最值33 kN/m。

3 結(jié)論與建議

通過有限元方法對上海地區(qū)軟土地基深基坑不同施工工序開挖降水進(jìn)行仿真模擬分析，通過對比土體及圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力和變形數(shù)據(jù)，得出以下結(jié)論[8-10]：

1）在深基坑開挖的7個工序施工過程中，隨著基坑開挖深度的增加，土體及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形及內(nèi)力也隨之增長，其中土體變形在施工工序3開始急劇變大。左右地下連續(xù)墻和鉆孔灌注樁的水平位移呈現(xiàn)緩慢增長的趨勢，左右兩側(cè)地下連續(xù)墻的變形基本協(xié)同，最終施工階段時最大總位移18.9 mm，最大變形位置約出現(xiàn)在圍護(hù)結(jié)構(gòu)底端1/3處。鉆孔灌注樁的變形要小于地下連續(xù)墻的，可說明鉆孔灌注樁比地下連續(xù)墻更為穩(wěn)定。在深基坑開挖最終施工階段時，地下水滲流趨于穩(wěn)定，以開挖區(qū)域滲流較為顯著。

2）在基坑開挖最后階段，地下連續(xù)墻最大變形18.9 mm，滿足基坑設(shè)計規(guī)范中對基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的要求。地下連續(xù)墻在前幾個施工階段荷載位移曲線斜率不斷減少，意味著塑性變形逐漸增加，前幾個階段的計算結(jié)果表明，該階段開挖在施工末期仍然保持穩(wěn)定狀態(tài)。但地下連續(xù)墻最終變形數(shù)值本身還是相對比較大，加上施工時實際操作和現(xiàn)場環(huán)境比較復(fù)雜，建議加強(qiáng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)（鋼管支撐、鋼筋混凝土支撐與地下連續(xù)墻）的設(shè)計。同時，在施工階段加強(qiáng)對基坑及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的監(jiān)測工作，包含對周邊環(huán)境的保護(hù)監(jiān)測和對圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系的安全監(jiān)測，及時預(yù)報施工過程中可能出現(xiàn)的安全問題，通過信息反饋法指導(dǎo)施工，根據(jù)監(jiān)測資料及時控制、調(diào)整施工進(jìn)度及施工方法，以免發(fā)生基坑安全事故。