基于強度折減法的條形基坑圍護深度優化研究

王瀟宇 魯克文 管 飛

(1.上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司，上海 200000；2.上海市地礦工程勘察院，上海 200000；3.上海市巖土地質研究院有限公司，上海 200000)

0 引言

軟土地區板式支護基坑的大量工程實踐表明，圍護結構的深度(由插入比決定)往往由圓弧滑動模式計算的基坑抗隆起穩定性驗算控制[1,2]。計算簡圖通常見圖1。而窄條基坑因寬度B較小，坑底以下無法形成完整的滑弧，因此規范方法不適用于窄條形基坑，而且工程實踐也反映現行規范計算結果通常偏于保守[3,4]。

近年來，有限元強度折減法在邊坡穩定問題中得到了廣泛的應用，并逐漸推廣到基坑的穩定性分析中[5]。以圓弧滑動模式計算的基坑抗隆起穩定性，若忽略圍護結構的抗彎剛度的影響，也可以認為是指定滑裂面的整體穩定性計算，與采用瑞典條分法進行的整體穩定性計算只有計算方法上的區別。因此，采用有限元強度折減法對于研究基坑抗隆起穩定性有良好的適用性并已取得了一定的成果[5-7]。

本文使用二維有限元模擬了一個采用預制地下連續墻圍護的窄條基坑施工的全過程，并采用強度折減法重點研究了圍護結構插入比對基坑整體穩定性的影響，從而優化了圍護結構的深度，方法可供類似工程參考。

1 項目概況

1.1 工程簡介

本綜合管廊工程位于上海市，其試驗段采用450 mm厚預制地下連續墻，“兩墻合一”設計，管廊埋深6.07 m～6.55 m，管廊內壁凈尺寸為2.9 m。根據上海市《基坑工程技術標準》的規定，本工程基坑抗隆起安全系數應不小于1.7；圍護樁計算插入深度9.93 m～9.45 m，插入比為1.44，剖面簡圖如圖2所示。

由于預制地下連續墻長度過大帶來較大的吊裝困難，因此擬通過有限元模擬計算插入比對地下連續墻內力變形和穩定性的影響進行分析，進行適當的優化以利于工程的順利施工。

1.2 地層條件

表1列出了基坑開挖區域的典型土層分布。

表1 典型土層分布

2 數值模擬

2.1 計算模型

數值分析使用Z_Soil軟件。由于問題具有典型的平面應變特點，故采用2D模型進行計算。計算模型簡圖如圖3所示。計算模型中，土體單元采用四邊形單元，地下連續墻采用梁單元，土體與地下連續墻之間設置了接觸面單元。鋼支撐采用二力桿單元模型，坑外施工超載取20 kPa。計算工況按實際施工工況進行模擬。

2.2 本構模型與參數

土體的本構采用小應變硬化土(HSS)模型[8]。根據上海地區的經驗，取割線模量E50=Es(壓縮模量)，回彈再壓縮模量Eur=5Es，σref=100 kPa，泊松比取0.3。其他參數包括土層的壓縮模量均直接取自勘察報告。

此外，地下連續墻和鋼支撐均采用線彈性模型，模型參數由實際構件尺寸和材料性質確定。

3 結果分析

分別建立了6組數值模型以分析不同插入比對本工程條形基坑穩定性的影響，插入比(D/H)分別為1∶0.5,1∶0.6,1∶0.7,1∶0.8,1∶0.9,1∶1.0。

3.1 插入比1∶0.8條件下數值分析結果

本文限于篇幅僅展示插入比1∶0.8的數值模型的計算結果。圖4～圖6分別為開挖結束工況基坑的水平位移、沉降云圖和彎矩云圖。圖6顯示圍護墻體的最大彎矩為348.9 kN·m。開挖結束后采用強度折減法計算了基坑的整體穩定性，圖7為土體的極限剪應變云圖，可以清晰的反映出滑裂面，對應的整體穩定系數1.75。

3.2 插入比對基坑的內力變形和穩定性的影響

分析插入比不同的數值模型計算結果可以發現：

1)連續墻插入比對基坑開挖引起的橫向和豎向位移影響較小，連續墻最大橫向位移均約3.4 cm，墻后最大沉降均約5.8 cm。

2)隨著連續墻插入比增大，墻體最大彎矩先增大后減小，插入比為0.5時地連墻彎矩最大，為320 kN·m，插入比為0.8時地連墻彎矩最大，為348.9 kN·m，如圖8所示。

3)隨著連續墻插入比增大，基坑整體穩定性安全系數線性增加，如圖9所示。

3.3 優化結論

根據已有有限元強度折減法計算邊坡穩定性的研究成果，安全系數應不小于1.6[5-7]，對應本項目地下連續墻插入比不小于0.7，實際方案取0.8以留有一定的安全余量。

4 方案優化

根據上述優化結論，對原圍護方案進行了調整，使用的預制地下連續墻長10.8 m，插入坑底以下5.25 m，插入比1∶0.8；節約墻長4.2 m。調整后的圍護剖面簡圖如圖2所示。

本工程采用優化后的圍護方案，順利地進行了基坑開挖和管廊結構澆筑，現已完成回填和工程驗收。施工期間，實測預制地下連續墻最大彎矩和最大側向位移均小于數值模擬計算結果，顯示還有一定的安全余量。

5 結語

本文采用二維有限元數值模型，對某管廊工程條形基坑圍護結構預制地下連續墻插入比對連續墻內力變形和基坑整體穩定性的影響進行了分析，其中基坑整體穩定性的計算采用了有限元強度折減法。根據參數分析的結果對原設計圍護結構插入比和深度進行了優化，優化后的基坑工程順利實施，效果良好。

1)對于本工程的窄條形基坑，圍護結構插入比對開挖引起的水平位移和土體沉降影響甚小，而與基坑整體穩定性幾乎成線性關系，對于圍護結構的最大彎矩則表現為先增加后減少的非線性關系。

2)通過有限元強度折減法的有關研究成果，圍護插入比1∶0.8具有足夠的安全度，工程的順利實施有力證明了優化成果的合理性。

3)工程實測表明，有限元的計算結果和實測值存較大差距，且有限元計算結果偏于保守。可能的原因是空間效應被低估，采用2D計算結果偏大。

4)本工程的優化設計研究沒有考慮基坑寬度深度比B/H的影響，這是不足之處，今后可進行后續的優化研究。