基坑開挖變形與支護結構穩定性研究

張永剛 雷生強 楊凌云

（1．德陽市旌合建設工程有限公司，四川 德陽 618000；2．中顧國際工程咨詢有限公司，四川 成都 610000；3．中國電建集團成都院建設管理部，四川 成都 610000）

0 前言

我國軟土分布廣泛，受軟土特殊性質影響，修建工程時通常會遇到軟土下陷，變形的影響。許多學者針對工程中的軟土問題開展了相關研究，張超翔等人[1]采用理論分析、現場監測、數值模擬等方法，研究了基坑開挖時，土體卸載對周邊建筑的影響。研究結果表明，數值模擬結果與現場監測結果相吻合，基坑開挖對地基沉降和坡頂位移產生影響，須加強基坑側壁水平位移監測，并加固坡頂。馬玉飛等人[2]用數值模擬的方法研究了降水對基坑支護措施的影響，研究結果認為，基坑邊緣一定范圍內沉降顯著，且增加錨索數量或提高錨索強度可有效控制基坑位移。童建勇[3]采用有限元方法，分析了基坑降水引起的變形以及其余因素對基坑變形的影響，最后得出結論，在施工過程中，地表沉降變形先變大后變小，外部孔隙水壓力呈漏斗狀變化，且整體變形隨淤泥質軟土厚度增加而增加。

現有研究主要集中在基坑的變形規律以及支護措施的理論分析，少有學者從支護結構的位移著手，研究支護措施的穩定性。該文以某軟土地基開挖基坑為研究對象，采用Flac3d數值模擬軟件，研究了基坑開挖后的基坑變形與支護結構的穩定性。

1 基坑工程概況

某工程位于四川省成都市。基坑大開挖深度為28m，場地內土層依次為填土、淤泥質土、粉質黏土和弱風化安山玢巖。場地內地下水為上層滯水與基巖裂隙水，主要貯存于上部填土層與基巖裂隙中，地下水位較低。基坑支護方案選型根據基坑所處的環境、工程地質、水文地質及基坑開挖深度，經計算分析、工程類比、技術經濟比較，該基坑采用地下連續墻。復雜的環境條件也對支護結構的工作狀態和位移提出了愈來愈嚴格的限制，就要求工程技術人員在不斷發展、創立新的支護理論和結構系統的同時，進行嚴格檢驗與監測，以保證安全、順利地施工。

該開挖基坑主要分布土體與地層有：填土、淤泥質土、粉質黏土和弱風化安山玢巖。根據現場試驗以及室內試驗測定，確定該基坑組成成分的物理力學參數，見表1。

表1 物理力學參數表

在基坑模擬開挖時，分4步設置內支撐。在基坑開挖至深度5 m時，設置第一道混凝土內支撐，當基坑開挖至深度11 m時，設置第二道鋼支撐，當開挖深度至17 m時，設置第三道鋼支撐，最后開挖至22 m深度時，設置第四道鋼支撐。

2 數值模擬

2.1 模型建立

由于該地區地層的巖層傾角較小，因此在模擬時將地層設置成水平巖層，以簡化數值模擬計算量。根據實際工點地勘報告及工點開挖設計資料，建立數值模型如圖1所示（根據對稱性原理，取1/2基坑既基坑的左半邊進行數值計算即可）。其中基坑開挖深度為28 m，開挖寬度為22 m，基坑總長度為70 m，考慮邊界效應的同時，根據工程經驗以及前人研究結果，將模型尺寸設置為180m×95m×40m。建立網格時，加密基坑附近網格，可提高模型計算精度，適當稀疏邊界網格以提高運算速度。模型采用底面全約束，側邊界采用法向位移約束，頂面不采取約束條件，最終建立模型共計有17822個單元和19838個節點。

圖1 計算模型圖

2.2 模型選擇及參數取值

根據工程經驗，設計地下連續墻結合四道內支撐的組合支護結構進行基坑加固。其中第一道支撐采用混凝土材料，第二、三和四道支撐采用鋼支撐。數值模擬時，采用實體單元模擬地下連續墻，用梁單元模擬內支撐，支護結構參數見表2。

表2 支護結構參數表

2.3 計算結果與分析

2.3.1 基坑變形分析

基坑開挖完成后，回彈變形云圖如圖2所示，可以看出，受開挖卸荷作用影響，基坑底部產生了較大的回彈變形，數值達到336 mm，基坑底部向下回彈變形逐漸減少，在基坑底部向下約9.5 m處不再出現回彈變形，變形云圖呈現“下凸形”，而由于基坑兩側土體沒有受到豎直向上的應力，因此沒有產生回彈變形。圖3為基坑沉降變形云圖，由圖可知整個地基沉降位移呈左右對稱分布，最大沉降點位于基坑側壁往外24 m處，數值約為4.3 mm。由基坑位移的數值模擬結果分析可知，基坑整體處于較穩定狀態，而基坑整體基坑底部的回彈變形較大，實際工程中應進一步采取合適的處理措施，約束基坑底部的豎向變形。

圖2 基坑回彈變形云圖

圖3 基坑沉降位移云圖

圖4為基坑水平位移云圖，由圖可知，基坑水平位移在數值上呈左右對稱分布，最大水平位移出現在基坑底部，數值約為42 mm，且水平位移沿著基坑內壁往外逐漸減少。基坑內壁受連續墻支護作用，水平位移得到較好的約束，最大位移小于基坑規范要求的最大水平位移50 mm，滿足工程安全要求。由于基坑底部最大水平位移已達到規范安全要求的84%，因此在實際工程中，可針對基坑底部增加連續墻的材料強度，維持基坑底部的穩定性。

圖4 基坑水平位移云圖

2.3.2 基坑支護結構位移分析

圖5為連續墻位移，從圖中可知，連續墻位移特點為基坑底部位移最大，且主要表現為水平位移，豎向位移較小。產生這一現象的原因主要是連續墻受基坑開挖作用影響，基坑土體應力重分布，導致連續墻受到較大水平擠壓應力，因此，實際工程中，應加強擋墻水平位移監測，防止出現擋墻破裂導致基坑失穩現象。

圖5 連續墻位移云圖

模擬基坑四道內支撐的水平位移可知，第二道內支撐產生水平位移最大，約為13.9 mm，緊接著是第一道混凝土支撐，數值約為10.6 mm，其次是第三道和第四道支撐，最大位移分別為9.8 mm和5 mm，產生這一現象的原因主要是支撐材料的不同和支撐埋藏深度不同。此外，四道支撐的位移分布特點均為兩邊大，中間小，這也符合模型的對稱效應。

模擬基坑四道支撐的豎向位移可知，四道支撐從基坑頂部至底部，支撐豎向位移逐漸減小，第一道混凝土支撐豎向位移最大，約為3.3mm，這一特點與基坑土體的豎向位移特點一致，因此在實際工程中，應重點關注第一道支撐的豎向位移和第二道支撐的水平位移。

綜合分析基坑變形以及內支撐位移結果可知，該研究所采用的支護方案達到了工程安全要求，并有效地控制基坑變形，但基坑底部位移仍較大，可采取更高強度的連續墻與內支撐對基坑底部進行支護。

2.3.3 數值模擬有效性分析

在基坑的左右測線設置數個監測點，并將監測位移與數值模擬位移進行對比。現場監測數據與數值模擬位移的變化規律基本保持一致，其中第一步開挖階段產生位移相對較小，僅為0.5mm左右，原因可能是基坑開挖卸荷應力還沒得到完全釋放，第二步和第三步開挖產生的位移較大，約為3mm，最后一步開挖產生的位移較小，僅為0.5mm。由此可見實際工程中應重點關注第二、三步開挖過程，應加強該施工階段的位移監測，也可以在開挖時采用更高強度的內支撐，防止出現側壁垮塌。而監測數據與數值模擬結果數值上相近，誤差僅為4%，且位移規律基本一致，說明該文數值模擬具有一定的可行性和有效性。

3 結論

該文依托某基坑開挖實例，采用FLAC 3D有限元軟件，分析了開挖后基坑的變形特征以及支護結構的穩定性。得到的研究結果如下：1）基坑開挖后，側壁的水平位移明顯大于豎向位移，基坑底部有約336mm的回彈變形，實際工程施工時，應及時加固基坑底部，并設置內支撐約束側壁水平位移。2）基坑開挖后，第一道支撐的豎向位移和第二道支撐的水平位移明顯較大，且內支撐的位移表現為中間小兩邊大的特點，實際工程中應加強監測連續墻底部位移以及第一、二道支撐的水平位移，防止出現內壁側向變形垮塌。3）基坑內壁頂部位移的數值模擬結果與現場監測結果基本保持一致，隨著基坑進一步開挖，位移逐漸增加。二者誤差約為4%，驗證了該文數值模擬的有效性。