基于ABAQUS基坑開挖過程中應力位移及穩定性分析

蔡 濤, 何 翔, 張 廣, 徐雪梅

(武漢輕工大學土木工程與建筑學院，湖北武漢430023)

隨著建筑物的高度不斷提升，基坑的開挖深度也在不斷加深。深基坑工程的安全與否，放坡形成的邊坡穩定性以及合適的深基坑的支護方式成了重中之重。目前，邊坡穩定性的分析方法眾多，其中有限單元法是目前研究邊坡穩定性最常用方法之一[1]。深基坑的支護具有區域性和復雜性的特點，因此針對不同的工況需要選擇不同的支護方式。目前，深基坑的支護方式主要有護坡樁、地下連續墻、鉆孔灌注樁等，其中護坡樁應用的較多[2]。本文選用ABAQUS數模軟件，針對武漢某擴建項目基坑開挖問題，在放坡及護坡樁支護的條件下，進行基坑在開挖過程中邊坡的應力、應變及穩定性分析，并進行基坑隆起量以及荷載區沉降量的計算。仿真結果表明：基坑開挖與放坡施工過程中邊坡相對穩定，但基坑隆起量與邊坡水平位移量超出預警值，必須對基坑及坡面進行加固處理，對護坡樁增加支護措施。

1 工程背景

1.1 工程概況

某工程基坑如圖1所示。以支護樁為起點，向兩邊各延長50 m，土層總厚度取40 m，護坡樁的材料為C30混凝土，樁長21 m。離坡頂邊2 m至右邊界有15 kPa的均布堆載，基坑開挖深度為8.1 m，分層開挖，每次開挖深度為0.7～1 m。

圖1 基坑(單位：m)

1.2 數值模型

根據上述數據利用ABAQUS有限元軟件建立對應的基坑開挖模型，模型材料為彈塑性多孔介質，本構模型采用Mohr-Coulomb模型。模型的底部邊界施加水平約束和豎向約束，模型的左右邊界施加水平約束。上邊界離坡頂邊2 m至右邊界施加均布荷載，網格單元類型為CPE4。先采用地層-結構法對整體模型進行地應力平衡[3]，然后施加護坡樁，最后逐層開挖，分析在開挖過程中邊坡及基坑的穩定性。

依據基坑開挖深度，地質條件及周邊環境等，對照地方標準的相關規定，確定本基坑及放坡等級均為二級。依據GB50497-2019《建筑基坑工程檢測技術標準》[4]，開挖完成后樁頂最大水平位移應小于40 mm，最大豎向位移應小于30 mm；荷載區最大沉降量應小于60 mm，基坑最大隆起量應小于60 mm。

在建立二維模型時，將均布荷載，地應力平衡等條件納入模型，盡可能還原開挖工況，建立符合實際開挖過程的動態模型，土層參數如表1所示。

表1 模型參數

2 數值模擬結果分析

2.1 特征節點分析

為更加方便對基坑開挖過程中邊坡的應力應變進行觀測，選取邊坡的6個特征點進行監測，6個特征結點如圖2所示。其中結點1和結點2分別表示的是一級坡的坡頂和坡腳，結點3和結點4分別表示的是二級坡的坡頂和坡腳，結點5表示的是護坡樁的樁頂，結點6表示的是基坑土體與護坡樁的接觸點。

圖2 特征結點

2.1.1 特征結點應力分析

基坑開挖完成后邊坡的局部放大應力云圖如圖3所示。水平有效應力和豎向有效應力隨開挖深度變化曲線如圖4所示。

圖3 基坑開挖完成后邊坡局部放大的應力云圖

圖4 水平和豎向有效應力隨開挖深度變化曲線

結合應力云圖和有效應力隨開挖深度變化曲線可知，土體各結點都處于應力釋放過程中。除結點4(二級坡坡腳)土體在進行6.3 m深度開挖后，水平應力出現負值，其他各結點均為正值，這說明在進行6.3 m深度開挖后，結點4開始處于受拉狀態，其余結點均處于受壓狀態。當護坡樁向基坑內部偏移超過了極限平衡狀態時，結點4出現受拉符合實際情況。結點5在開挖5.5 m后迅速產生了相反方向的水平應力，豎向應力也會有一定幅度的減小。這是因為在開挖5.5 m后，隨著基坑底部的土體被逐漸挖除，護坡樁開始更多的承受邊坡的土壓力，出現水平應力的不斷增大，方向基坑內部。同時，基坑底部的隆起帶動護坡樁產生拉力，導致護坡樁豎向應力的減小。

2.1.2 特征結點位移分析

邊坡各結點開挖完成后的局部放大位移云圖如圖5所示。水平位移和豎向位移隨開挖深度變化曲線如圖6所示，符號規定與坐標軸方向一致。

圖5 基坑開挖完成后邊坡局部放大的位移云圖

圖6 水平和豎向位移隨開挖深度變化曲線

結合位移云圖和水平和豎向位移隨開挖深度變化曲線可知：6個特征點的水平位移隨開挖深度的變化均為向左，即為向基坑內部方向發生位移，且隨著開挖深度的不斷加深水平應力也在不斷的增大，并在開挖完成后，水平位移達到最大值，各結點的最大水平位移分別為15 mm、54 mm、56 mm、57 mm、56 mm、49 mm。結點1的豎向位移均為先增大后減小，即豎向位移先向上再向下，豎向位移向上最大為10 mm，向下最大值 3 mm。結點2～結點6的豎向位移不斷增大，方向均為上方，各結點的最大豎向位移分別為43 mm、46 mm、40 mm、22 mm、20 mm。其中結點5表示的是樁頂的位移，樁頂的水平位移為56 mm，豎向位移為22 mm。

2.2 邊坡穩定性分析

目前，強度折減法是有限單元法中對邊坡穩定性評價最常用的方法，強度折減法得到的邊坡穩定安全系數Fs是邊坡穩定性最為重要的評價指標[5]。將場變量FV1與坡腳的水平位移U1的變化關系繪制于圖7中，若以位移拐點作為評價標準，未加護坡樁的安全系數為0.98，施加護坡樁加固后，邊坡的安全系數提升至1.25，護坡樁的加固效果較明顯。

圖7 有無護坡樁FV1-U1曲線

2.3 基坑隆起位移分析

在基坑底部，以護坡樁為起點直到左邊界創建一條路徑，將每個單元結點作為數據觀測點，數據觀測點設置如圖8所示。位移云圖及基坑隆起位移曲線如圖9和圖10所示。

圖8 基坑結點路徑

圖9 基坑隆起位移云圖

圖10 基坑隆起位移曲線

結合位移云圖和基坑隆起變化曲線可知，隨著距離護坡樁的距離不斷增大，基坑隆起位移不斷增大。護坡樁向基坑內部方向偏移對護坡樁邊緣土體的隆起變形產生阻礙作用，在護坡樁周邊的基坑土體隆起只有20 mm；在距離20 m 以后的基坑隆起位移基本不變，達到106 mm的隆起位移。

2.4 荷載區沉降位移分析

在均布荷載區，以離坡頂2 m為起點直到右邊界創建一條路徑，將每個單元結點作為數據觀測點，數據觀測點設置如圖11所示。位移云圖及荷載區沉降位移曲線如圖12、圖13所示。

結合位移云圖和基坑隆起變化曲線可知隨著離坡頂距離的增加，荷載區的沉降位移呈現出先增后減的趨勢，在距離坡頂4 m左右處沉降位移達到最大值35 mm，隨著離坡頂距離的增加，沉降位移逐漸趨于穩定為5 mm。

圖11 荷載區結點路徑

圖12 荷載區沉降云圖

圖13 荷載區沉降位移曲線

3 結論

(1)通過對邊坡特征節點的應力位移、基坑底部隆起量、荷載區沉降量以及邊坡安全系數的綜合分析，該基坑護坡樁的施加使得邊坡和基坑處于穩定狀態。

(2)施加護坡樁，基坑邊坡的安全系數從0.98提升至1.25。按照GB50202-2018《建筑地基基礎工程施工質量驗收標準》[6]，達到二級邊坡要求。

(3)開挖完成后，樁頂的水平位移為56 mm，豎向位移為22 mm。水平位移超過40 mm，豎向位移小于30 mm，水平位移不符合規范，需增加斜撐支護，坡面出現受拉區，坡面需加固處理。

(4)開挖完成后，荷載區最大沉降量為35 mm，基坑底部最大隆起量為106 mm，荷載區沉降量小于60 mm，基坑底部最大隆起量超過60 mm，基坑隆起量不符合規范，坑底土體需加固處理。