軟土深基坑開挖動(dòng)態(tài)過程模擬分析

王星WANG Xing

（中鐵十二局集團(tuán)第三工程有限公司，太原 030024）

0 引言

軟土地區(qū)城市建筑密集區(qū)內(nèi)深基坑工程的設(shè)計(jì)往往由變形而不是由強(qiáng)度控制。基坑工程開挖施工常采用分步開挖、分步支護(hù)的方式，其承受外部作用、自身變形和內(nèi)力隨著施工工況呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化過程。因此，對(duì)基坑開挖動(dòng)態(tài)過程及支護(hù)結(jié)構(gòu)變形內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算時(shí)須考慮多個(gè)因素的共同影響，學(xué)者們對(duì)其開展了廣泛的研究[1-3]。

本文采用FLAC3D 對(duì)軟土地區(qū)某市軌道交通地下車站工程進(jìn)行基坑開挖動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行數(shù)值模擬，其中土體采用莫爾-庫(kù)侖模型，地下連續(xù)墻和土體之間加入接觸面，并考慮坑底土體加固作用，利用分步開挖全面分析基坑工程分布開挖性狀，包括：地下連續(xù)墻的變形、墻后土體變形、坑底隆起變形和應(yīng)力的發(fā)展過程，并將計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，為類似地層深基坑工程施工開挖提供參考。

1 工程概況

某市軌道交通地下車站擬建場(chǎng)地主要為白堊系和第四系地層，車站基坑擬采用明挖順作法施工，開挖土層為①1-1 層雜填土、①2 層灰黃色粘土、①3 層灰色淤泥質(zhì)粘土、②2-1 層灰色淤泥、②2-2 層灰色淤泥質(zhì)粘土及③2 層灰色粉質(zhì)粘土夾粉砂等。標(biāo)準(zhǔn)段基坑開挖深度為16.31m，支護(hù)結(jié)構(gòu)地下連續(xù)墻厚度為800mm，墻長(zhǎng)度為36.3m，鋼筋混凝土支撐截面尺寸為1000mm×800mm，支撐間距為9000mm，軸力設(shè)計(jì)值為2400kN，鋼支撐采用Φ609，支撐間距為3000mm，軸力設(shè)計(jì)值為2400kN，地面超載為20kPa。

2 深基坑動(dòng)態(tài)開挖計(jì)算

2.1 模型建立

基坑幾何模型平面尺寸為189m×18m，標(biāo)準(zhǔn)段開挖深度為16.31m，端頭井開挖深度為18.01m。由于軟土中深基坑其墻后地表的沉降影響范圍達(dá)4 倍的開挖深度[4]，基坑邊緣到模型邊界的距離取為60m，深度方向取80m。

地下連續(xù)墻墻體深為36.3m。基坑施工開挖共設(shè)5 道支撐、分6 個(gè)工況，其中第一道為鋼筋混凝土支撐，其他四道均為鋼支撐，開挖一層加一道支撐。計(jì)算模型的邊界條件：上邊界為自由邊界；土體底部限制三個(gè)方向的變形，其余邊界即土體左右、左右和前后側(cè)限制其相應(yīng)方向的變形，即位移為零。

2.2 模型參數(shù)

土體本構(gòu)采用經(jīng)典莫爾-庫(kù)侖模型。

基坑底部加固區(qū)域土體參數(shù)為：體積模量取200MPa、剪切模量取100MPa、重度取20.2kN/m3。

采用板單元模擬排樁和地下連續(xù)墻。根據(jù)開挖深度在10～20m 的基坑數(shù)值計(jì)算時(shí)將彈性模量折減到75%～80%[5]，該車站地下連續(xù)墻采用C30 混凝土，計(jì)算時(shí)連續(xù)墻的彈性模量取2.5×1010Pa，體積模量取11.1×109Pa，剪切模量取7.77×109Pa。

采用梁（beam）單元來模擬支撐，單元參數(shù)參照設(shè)計(jì)參數(shù)。采用無厚度接觸面單元模擬土體與連續(xù)墻之間存在相互作用。接觸面參數(shù)：法向剛度2×106N/m2，切向剛度2×106N/m2，摩擦角為5°。

2.3 基坑開挖模擬過程

基坑分步開挖與支護(hù)實(shí)際上是一個(gè)連續(xù)施工的過程，通過“殺死”和“激活”相應(yīng)計(jì)算單元來考慮基坑的分步施工及土體開挖與支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用。本車站基坑開挖模擬步驟設(shè)置如下：

①建立幾何模型及劃分網(wǎng)格；

②確定各單元的模型參數(shù)，計(jì)算初始有效應(yīng)力及變形，并將各方向位移歸零；

③確定地下連續(xù)墻與周圍土體間接觸面，并賦予接觸面相關(guān)參數(shù)；

④改變對(duì)應(yīng)單元的模型參數(shù)，實(shí)現(xiàn)坑底加固。

3 深基坑開挖動(dòng)態(tài)過程計(jì)算結(jié)果分析

3.1 基坑周邊地表沉降

圖1 為基坑不同開挖工況地表的沉降變形，有圖可知：隨著基坑各工況的施工開挖，地表沉降逐漸增大。基坑開挖2m，最大沉降值為13.78mm；開挖5.4m，最大沉降值為23.57mm；開挖8.4m，最大沉降值為38.37mm；開挖11.3m，最大沉降值為31.41mm；開挖14.1m，最大沉降值為32.1mm；開挖16.5m，最大沉降值為39.83mm，基坑的最大沉降發(fā)生在基坑周邊一定的范圍內(nèi)。

圖1 基坑不同開挖工況后地表沉降變形云圖

3.2 基坑整體水平方向位移

圖2 為基坑不同開挖工況整體水平位移，有圖可知：隨著基坑各工況的施工開挖，基坑的水平位移逐漸增大，且土體大于墻體的水平位移。基坑開挖2m，基坑最大水平位移值為2.2cm；隨著基坑開挖深度的增加，基坑周邊土體的水平位移有較大的增長(zhǎng)趨勢(shì)，而墻體的增幅較小，可由圖1 來解釋：在基坑開挖5.4m～14.1m 幾個(gè)中間工況，坑底土體隆起量較大，坑外土體涌入坑內(nèi)，從而導(dǎo)致墻后土體產(chǎn)生較大的側(cè)移和一定的沉降量。

圖2 基坑不同開挖工況水平方向位移云圖

3.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)變形

以模型計(jì)算數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，導(dǎo)出連續(xù)墻上不同位置點(diǎn)在不同開挖深度下的變形數(shù)據(jù)。相關(guān)計(jì)算點(diǎn)在模型上的平面分布如圖3 所示，各點(diǎn)的坐標(biāo)為：端頭井角點(diǎn) O（60.4，56.4），MN -2 （67.4，56.4），MN -3（90.4，60.4），MN -4 （120.4，60.4），MN -5（155.3，60.4），MN-6（115.4，60.4），其中MN-6 點(diǎn)為監(jiān)測(cè)點(diǎn)。以連續(xù)墻水平位移為橫坐標(biāo)，深度為縱坐標(biāo)，繪制不同開挖深度下（H）地墻變形結(jié)果如圖4 所示。

圖3 基坑變形和沉降測(cè)點(diǎn)位置

MN-2 計(jì)算點(diǎn)的水平位移如圖4（a）所示，可以看出：MN-2 點(diǎn)位于端頭井處，墻體的變形較小。沿深度方向，墻體的變形呈大肚狀，變形曲線比較光滑。隨著開挖深度的增大，測(cè)斜也相應(yīng)增大。在架設(shè)第一道鋼支撐之前基坑開挖變形較小，變形速率不大，最大側(cè)移不超過5mm。開挖到第一道鋼支撐后，隨著開挖深度的增大，變形增速較快，在基坑開挖到坑底，水平位移達(dá)到最大值為11.4mm，位于地面下13m 處，約0.8H。 當(dāng)挖土至5.4m 時(shí)，連續(xù)墻頂部受到鋼筋混凝土支撐的強(qiáng)大支撐作用，墻頂位移很小，且上部位移向基坑內(nèi)，深部向坑外。隨著開挖深度H 變大，連續(xù)墻變形變大。在第一道鋼支撐和第二道鋼支撐之間，變形速率突增。開挖到第二鋼支撐以后，連續(xù)墻變形形狀基本上不變，變形增長(zhǎng)速率變緩。

MN-3 計(jì)算點(diǎn)的水平位移如圖4（b）所示，該點(diǎn)離端頭井附近。可以看出：隨開挖深度增加變形形狀呈大肚狀，變形曲線比較光滑。由于連續(xù)墻頂部受到鋼筋混凝土支撐的支撐作用，地下連續(xù)墻頂部1m 左右向坑外擠壓，有一個(gè)3mm 左右的位移，而1m 以下墻身向坑內(nèi)側(cè)移。隨著開挖深度的增大，水平位移也相應(yīng)增大。開挖到第一道鋼支撐后，變形顯著增大，變形速率也較大。隨后，各工況變形增速較為均勻，基坑開挖到坑底時(shí)的最大位移值為37mm，位于地面下15m 處，約0.9H。

MN-4 計(jì)算點(diǎn)的水平位移如圖4（c）所示，隨開挖深度的增加，各水平位移曲線的形狀與MN-3 的分布規(guī)律類似，曲線較為光滑。隨著開挖深度的增大，變形也相應(yīng)地增大，開挖到第一道鋼支撐時(shí)，最大變形達(dá)29mm；第一道鋼支撐與第二道鋼支撐之間的變形增加較小；第二道鋼支撐之后，各工況的變形增速較為均勻；在開挖到坑底后，基坑的最大變形值為45mm，位于地面下15m 處，約0.9H。

MN-5 計(jì)算點(diǎn)的水平位移如圖4（d）所示，各工況條件下水平位移曲線形狀與變形規(guī)律與MN-4 點(diǎn)類似。本計(jì)算點(diǎn)第三道鋼支撐與第四道鋼支撐之間的變形增加較小。基坑開挖到坑底后，最大水平位移值為48mm，位于地面下15m 處，約0.9H。

3.4 地表沉降

圖5 （a）為MN-2 測(cè)點(diǎn)剖面的地表沉降分布曲線。MN-2 點(diǎn)剖面位于端頭井附近，其沉降曲線呈凹槽漏斗形狀，隨著開挖深度的不斷增加，沉降不斷增大。在地下連續(xù)墻附近，土體有一定量的隆起最大值約8mm，距離基坑邊10m 處（0.6H 處），沉降值達(dá)到最大值約6mm。

圖5（b）為MN-3 測(cè)點(diǎn)剖面的地表沉降曲線，地表沉降曲線趨勢(shì)與MN-2 測(cè)點(diǎn)剖面發(fā)展規(guī)律類似。由于MN-3 測(cè)點(diǎn)位于標(biāo)準(zhǔn)段，地表沉降值較端頭井處大，最大沉降位置距離基坑邊10m 處，約0.6H，最大沉降量為29.5mm。地下連續(xù)墻周邊較小范圍有一定量的隆起，約2～3mm。

圖5（c）為MN-4 測(cè)點(diǎn)剖面的地表沉降曲線，地表沉降曲線趨勢(shì)與MN-2 、MN-3 測(cè)點(diǎn)剖面發(fā)展規(guī)律類似。在距離基坑邊10m 處約0.6H，沉降值達(dá)到最大，最大沉降量為38mm。

MN-5 測(cè)點(diǎn)剖面的地表沉降曲線如圖5（d）所示，地表沉降曲線趨勢(shì)與前面測(cè)點(diǎn)剖面發(fā)展規(guī)律類似。在基坑開挖到坑底后沉降值達(dá)到最大，最大沉降量為39.5mm，在距離基坑邊10m 處，約0.6H。

圖5

4 結(jié)論

本文對(duì)深基坑工程開挖動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行三維數(shù)值模擬，對(duì)軟土深基坑及支護(hù)結(jié)構(gòu)變形與內(nèi)力的規(guī)律進(jìn)行探討，得到以下結(jié)論：隨著基坑開挖深度的增加，地下連續(xù)墻體的變形呈大肚狀，測(cè)斜也相應(yīng)增大；基坑標(biāo)準(zhǔn)段水平位移要大于端頭井處的水平位移值，深基坑地表呈現(xiàn)凹槽漏斗型沉降；隨著基坑開挖越深，地表沉降增大，基坑地表沉降最大值位于距離基坑邊10m 處，約0.6H 處；主被動(dòng)土壓力數(shù)值計(jì)算值與理論計(jì)算值分布規(guī)律類似。