某深基坑支護的數值模擬分析

孫 超，楊 凱

（吉林建筑大學,吉林長春130118）

為了有效節約城市土地資源，城市建筑物開始注重上層空間的開發，地鐵和地下的商城向更深處發展，這些基礎設施工程的前期建設都需要開挖一些大型深基坑，而且對其穩定性的要求很高，因此大型基坑支護工程對基坑支護工程的設計要求很高。隨著開挖基坑深度的增加，地質條件和水文環境的條件更加復雜，基坑的支護也遇到一些前所未有或難以解決的難題，需要我們對基坑工程進行支護的理論和方式進一步深入研究［1］。

一、基坑支護

（一）幾種常見基坑支護類型

1.鋼板樁

支護形式比較容易操作，并且花費較少。

2.地下連續墻

剛度和抗滲方面效果都很好，因此通常用于環境條件較惡劣的施工環境中。

3.柱列式的灌注樁的排樁

支護的設計形式分為密排與疏排。在設計時要確保混凝土梁帽連接的可靠性［2］。

（二）地下連續墻優缺點介紹

地下連續墻優點：

1.這種墻體強度和度都很大，耐久性能也很好。

2.當結合逆作法施工時，可減少施工期。

3.施工機械化程度、效率、精度高，勞動強度低。

4.建筑施工過程振動小，噪音低，有利于保護整個城市的生態環境。

地下連續墻缺點：

1.地下連續墻的施工，需要種類較多的施工機具和設備，一次性的投資成本較高，如果基坑開挖深度不大，則其經濟性能相對較差［3］。

2.施工工藝較為復雜，技術化程度要求高，質量技術標準要求嚴，施工隊伍必須具有相當的專業技術水平。

3.會排放很多的建筑廢漿，在城市中處理起來比較麻煩。

二、工程概況

深基坑土層分布較為復雜，地下布置的管線較多。基坑長40 m，寬16 m，深8m，采用地下連續墻以及混凝土內撐進行支護。為分析土體穩定性，模擬基坑時通常會考慮摩爾-庫侖模型。結合本基坑工程實際地質環境條件，本深基坑模擬也選用摩爾-庫侖模型。

（一）工程地質條件

基坑場地地形平整，土層自上而下共分為5層。各層土的力學參數如表1所示。

（二）水文地質條件

大氣降水作為該地區地下水補給的主要來源，地下水水位隨季節而發生變化，6～9 月水位較高，水位年變化范圍為1.0～2.0m。地下水初見水位較穩定水位低0.6～0.8m。

（三）支護結構材料參數

表1 土層力學參數表

由于該基坑工程地下水位較高，施工場地較小且對周圍的環境限制較為嚴格，故選用地下連續墻配合鋼筋混凝土內支撐進行基坑支護。其中，地下連續墻厚度選擇800mm。地下連續墻與內支撐材料參數如表2、表3所示。

表2 地下連續墻材料參數表

表3 內支撐材料參數表

三、FLAC3D模擬

（一）3.1 FLAC3D概述

FLAC 廣泛應用于各種工程力學的計算，軟件中模擬的工程是通過控制單元和區域來實現的。用戶可以根據自己的要求來進行網格劃分，網格劃分的疏密程度由自己決定。用戶可以自己進行編碼并利用FLAC3D中的功能進行動態分析來對各種動力工程進行動態模擬［4］。FLAC3D在各種工程分析中被廣泛應用并得到了用戶的一致好評。

（二）FLAC3D模型建立

結合基坑的對稱性特點，采用1/2 模型作為三維數值模型分析的對象，應用FLAC3D建模時，模型在基坑的水平方向上的影響范圍約3～4 倍開挖深度，在豎直方向上的影響范圍約為2～4 倍開挖深度［5］。本模型水平向即 X 方向的范圍為74m，土層的寬度即Y 方向為41m，模型豎向即Z 方向范圍取18m，以此建立三維模型對基坑支護過程進行模擬。開挖土體模型采用null 單元，模擬內支撐用beam單元，模擬地下連續墻用實體單元。

在模擬開挖前，設置邊界條件：固定X、Y 和Z方向的位移，即模型的側面和底部為邊界，上部不加約束。設置好模型邊界條件，土體會在自重的作用下重新分布，此時得到的位移云圖如圖1所示。從圖1 中可以看出，重新分布后的土體最大位移為11.894cm。

（三）開挖過程模擬

基坑開挖支護模擬共分4 個工況進行。工況1：開挖到基坑深2米處，建立第一層支撐。工況2：開挖到基坑深4米處，建立第二層支撐。工況3：開挖到基坑深6米處，建立第三層支撐。工況4：開挖到基坑深8米處，建立第四層支撐。

（四）模擬結果

深基坑開挖支護過程是土體和維護結構相互作用，位移不斷變化并逐漸趨于新平衡的過程，其變形過程比較復雜，得到的結果也比較多［6］。對不同工況下的土體、墻體的位移等數據進行分析如下。

1.基坑水平位移

由圖2～5看出，基坑每一步開挖支護過程中地下連續墻附近土體的位移均發生不同變化，土體的水平向位移對其影響的范圍會隨著開挖深度的增加而擴大。圖2顯示，當開挖深度為2m 時，墻底部的水平向位移影響區域比較小，呈 “o” 形，水平位移約為2.9722mm。隨著基坑開挖的進一步進行，基坑側壁土體對地下連續墻產生的主動土壓力逐漸增大，導致連續墻產生了向基坑內側的開挖導致的位移［7］。從圖 3 可以看出，當開挖深度為 4m 時，和圖 2進行對比，圖3 中的基坑底部水平位移影響范圍要明顯偏大，最大位移量為5.847mm。從圖4 可以看出，在開挖深度6m 的位置處水平位移影響更大。圖5中顯示當基坑深度為8m 處時，位移呈 “8” 字形，最大水平位移量為9.0419mm。

2.基坑土體豎向位移

基底的隆起是我們判斷基坑開挖后穩定程度的重要指標之一。圖6～9給出了基坑開挖過程中各工況下基坑隆起位移云圖，可以看出開挖面均存在不同程度的基底卸荷回彈現象。基底隆起量從基坑邊側至中心處的位置逐漸增加，由于基坑邊側受到了墻體的約束作用，周邊的隆起量最小，中心處最大。在進行工況1 時，最大隆起量約為14.824mm。在進行工況2 時，最大隆起量約為33.033mm。在進行工況3 時，最大隆起量約為42.747mm。在進行到工況4 時，最大隆起量約為46.591mm，發生在局部開挖的中間區域。上述基底隆起量均不會對基坑的穩定性造成太大影響。

3.地下連續墻水平位移

當開挖深度逐漸增大時，土體發生擾動，土體應力的重新分布會對連續墻產生側向的土壓力，導致墻體產生一定的位移［8］。根據經驗，地下連續墻豎向位移很小，因此不會對基坑的穩定產生太大的影響，所以本文重點研究其水平方向位移。我們在地下連續墻內壁設置5個監測點，監測其側向位移。

為研究地下連續墻厚度的增加是否會對其水平位移產生的影響，增加一組墻厚1000mm 時產生的水平位移。

隨著工況1 到工況4 的不斷進行，每條側向位移曲線都大致呈4 段 “臺階狀” 。地下連續墻的側向位移隨開挖深度增加而變大。當地下連續墻厚800mm，開挖深度為8 米時，側向位移達到峰值，其最大位移值為6.4201mm。當開挖結束后，其側向位移極值略有恢復，最后穩定在6.3228mm 左右。當地下連續墻厚度為1000mm，開挖深度8 米時，側向位移極值為5.6345mm，后穩定在5.6025mm。從這些數值可以看出，隨著地下連續墻厚度的增加，其側向位移略有減小，但結合工程實際，增大墻厚帶來的效益并不明顯，所以在確保墻厚滿足要求時，不要一味依靠增加墻厚來減小側向位移。

四、結論

本文以某大型基坑開挖工程為例對基坑進行了設計、計算和數值模擬，得到以下結論：

（一）FLAC3D能夠充分反映實際基坑開挖過程中土體應力與位移的分布規律，更加形象地呈現出土體與支護結構之間的相互作用，能夠很好地反映基坑支護過程。

（二）基坑內土體水平最大位移處隨開挖深度的增加而逐漸下降，且位移影響范圍呈 “8” 字形。土體的豎向位移隨著開挖深度的增加而增大，且從墻邊至基坑中央位置的位移也逐漸增大。

（三）隨著基坑開挖持續進行，地下連續墻水平位移逐漸增大，墻厚800mm 時，其最大位移值僅為6.42.1mm，說明地下連續墻結合內支撐的施工形式具有很高的安全性，適合對安全要求高的工程。當增加連續墻厚度時，位移減小并不明顯，所以要根據工程實際選擇連續墻厚度。