基坑設計有限元分析研究

張彥輝 張紅瓊

(1.湖北三峽職業技術學院，湖北 宜昌 443000；2.湖北省地質勘察基礎工程有限公司，湖北 宜昌 443000)

隨著新技術新工藝的不斷革新，人們對生活品質的追求越來越高，針對用地資源緊張的問題，很多開發商越來越瞄準地下空間的使用，各種大型基坑越來越常見。由于深基坑支護結構受力特點比較復雜，目前還沒有完整的土壓力理論來指導支護結構承受的土壓力計算，所以在常規項目的設計中仍沿用傳統計算理論，有一定的誤差。國內外很多學者試圖在傳統土壓力計算理論的基礎上，結合一定的經驗進行修正，希望能夠達到指導實際工程的目的。但是各種成因之間的相互影響關系很難理清，在脫離工程實際的情況下，極易造成基坑支護結構的變形過量，嚴重的話會造成工程安全事故，所以應結合現場實際情況進行基坑支護的方案設計和監測。

1 工程概況

該小區位于東站路與紅衛橫路(待建)交匯口西南角，擬建項目由五棟25層住宅樓附屬商業及地下室組成，擬建建筑為框架及剪力墻結構。項目規劃總占地面積約20 856.0m2，規劃總建筑面積100 510.0m2。建筑物采用樁基礎及條形基礎的基礎形式，場區設有1～3層；地下室設有1～3層。場地±0標高為82.3m，2#及4#樓南側2層商業樓設一層地下室，地下室高6m，底板厚0.3m，地下室結構底板墊層底標高為75.9m，擬建1#樓設兩層地下室，地下室高10.8m，底板厚0.3m，地下室結構底板墊層底標高為71.1m，其余地段設有三層地下室，地下室高15.2m，底板厚0.3m，地下室結構底板墊層底標高為66.7m；本基坑最大開挖深度為17.08m，基坑成矩形，周長約473.8m，開挖面積約15 553.9m2，總面積約14.5萬m3。

基坑東側為東站路，基坑范圍線距離用地紅線(東站路人行道邊線)10.7m，距東站路車行道邊線17.7m。基坑西側為已建的住宅小區，基坑外側為一條水泥路，基坑范圍線距離用地紅線最近距離為6m， 距離水泥路最近距離9.3m；基坑北側為擬建的紅衛橫路(目前還未施工)，基坑外側為一條土路，基坑范圍線距離用地紅線最近距離為7.2m，距離土路最近距離14m；基坑南側為施工空地，基坑范圍線距離用地紅線8.3m。

2 有限元參數選取

(1)巖土層參數

選取典型剖面1-1設計剖面作為有限元數值計算模型。計算時，土體的本構關系采用彈塑性模型，對應的屈服準則采用Mohr-Coulomb等面積圓屈服準則，具體參數見表1。

(2)支護結構參數(表2)

該剖面的圍護結構是采用雙排樁支護，樁徑1m，中心間距1.5m，排距4m，樁長為23m，用梁單元來模擬，需要輸入彈性模量E、橫截面積A和慣性矩I。用桿件單元來模擬中間聯系梁，輸入彈性模量和橫截面積兩個參數，基于平面應變進行分析，按照等效抗彎剛度原則，將非連續的支護樁等效為連續的支護結構。

3 模型建立

根據該剖面的地層實際狀況建立二維模型。分別在模型底部、左側和右側加上水平位移約束，同時在模型底部設置豎向位移約束。

在實際施工過程中，考慮基坑外側的堆載重物等情況，根據基坑工程規范要求，將堆載重物按照距離基坑邊3m，作用寬度為15m，并且超載值設置為30kPa的情況進行計算。有限元模型以及網格劃分情況如圖1所示。

表1 地層物理力學參數

表2 支護結構參數

圖1 模型計算網格

4 有限元計算結果分析

通過參數選擇、初始邊界條件設置等來對該小區基坑內部的位移變形、應力場、塑性區進行模擬，并得到相應的結果，現對計算結果進行分析。

每次進行基坑開挖后，土體、支護結構會因為基坑內外的土壓力差二不斷產生變形以達到新的平衡。隨著開挖面上自重應力的釋放，基坑內側土體向上產生回彈變形，加上支護結構的側移，擠壓結構周圍土體，導致基坑底部的隆起。基坑開挖引起的變形主要表現在基坑內側土體的隆起和外側土體向基坑內的移動。

(1)位移變形

圖2、圖3給出了基坑支護后的水平方向位移、豎直方向位移 (按5mm的增量來設置相鄰等值線)。通過圖2數據顯示，基坑的水平位移值均為負值，說明基坑外的土體有向基坑內運動的趨勢。還可以看出水平位移等值線的趨勢大體指向坡面，并且從坡內到坡外位移值逐漸增大，同時在坡頂處位移大于其他部位，這是由于坡頂受到荷載作用。水平位移峰值為39mm，位于坡頂表層范圍內(荷載作用處)，位于支護樁附近，樁頂水平位移約為37mm，這與理正計算結果和監測結果相差不大。從圖3可以看出，基坑豎直位移與水平位移分布基本一致，最大豎直位移出現在坡頂荷載作用處。

圖2 水平方向位移云圖(單位：m)

圖3 豎直方向位移云圖(單位：m)

(2)應力分析

基坑支護后的最大主應力、最小主應力和最大剪應力云圖如圖4～圖6所示(按50kPa的增量設置相鄰等值線)。

圖4 最大主應力云圖(單位：kPa)

圖5 最小主應力云圖(單位：kPa)

圖6 剪切應力云圖(單位：kPa)

圖7 塑性區分布圖(單位：kPa)

從圖4中可以看出土體的最大主應力隨深度增加而不斷增大。由于開挖面上的卸荷，基坑外側同一水平面比內側土層的最大主應力值大了約250kPa。在基坑坡面附近，應力分布比較復雜，規律性不強，大體與坡面平行，但局部存在多處應力集中。同時在強風化巖層與中風化巖層交界處支護樁樁端應力集中相當集中，說明樁在該處最易發生破壞。

最小主應力(圖5)也隨深度的增加而變大，與最大主應力分布圖相比較而言，分布相對較為簡單，應力集中主要分布在強風化巖層與中風化巖層交界處支護樁樁端。

最大主應力和最小主應力的差值決定了剪應力的大小，所以剪應力云圖(圖6)和最大主應力、最小主應力云圖有很多共同特點：隨深度增加應力不斷增大，同一水平面上，基坑內外的最大剪應力相差40～60kPa，在強風化巖層與中風化巖層交界處支護樁樁端應力集中相當明顯，可能出現了塑性變形。

(3)塑性區分析

圖7給出了基坑支護后的塑性區云圖(彩色部分代表塑性區)，從圖中可以看出，塑性區主要集中在坑頂荷載作用影響范圍內，分布整體呈交叉45°，且越遠離荷載作用位置，塑性區約不明顯。

5 結 論

本章采用Geo Studio有限元軟件對某花園小區四期A地塊基坑工程這一工程實例進行了分析。首先介紹了基坑參數的選取、模型的建立以及邊界的約束與荷載情況，分析了基坑在采用雙排樁支護后的變形特性；給出了基坑土體的應力應變特征，通過現場跟蹤，將計算成果和監測數據對比分析， 有限元數值分析能夠很直觀地反映出基坑的應力應變、變形趨勢以及分布規律，分析得出在強風化巖層與中風化巖層交界處支護樁樁端應力最為集中，坑頂受荷載作用范圍附近容易出現塑性區，計算結果與監測數據基本相符，基本變形趨勢與實際情況大體一致，對基坑實際支護設計和監測有了更為直觀的認識及指導意義。