某深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬分析

吳浩

（鎮(zhèn)江市水業(yè)有限責(zé)任公司，江蘇鎮(zhèn)江 212111）

0 引言

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，對于城市地下空間的利用日益增加，基坑的開挖深度逐漸變大。由于城市環(huán)境的復(fù)雜性以及基坑開挖較深，其施工過程中的變形分析變得越來越重要，在基坑開挖施工過程中，需要避免對周邊建筑物以及道路產(chǎn)生不良影響，保證其正常使用功能[1-2]。目前，國內(nèi)外大量學(xué)者通過數(shù)值模擬對深基坑支護(hù)過程進(jìn)行研究分析。常虹等[3]通過MIDAS GTS模擬分析了某廠房深基坑的施工過程，得到不同施工工序下基坑的變形數(shù)據(jù)和錨桿軸力變化，認(rèn)為模擬結(jié)果可提前預(yù)測最大基坑位移和土體隆起量的位置。胡靜[4]利用ABAQUS 有限元軟件探討了武漢市某深基坑在開挖過程中的變形特征，發(fā)現(xiàn)單排支護(hù)樁+兩道鋼筋混凝土撐可以確保基坑的安全穩(wěn)定性。黃東[5]以長沙市某基坑支護(hù)工程為研究對象，結(jié)合有限元軟件，對比分析了軟弱夾層對旋挖樁和雙排鋼板樁兩種支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果表明，旋挖樁可以很好地控制基坑的變形。尹利潔等[6]通過有限元軟件分析了蘭州地鐵雁園路站基坑開挖施工對周邊環(huán)境的影響，數(shù)值模擬結(jié)果表明周邊變形均在安全控制范圍內(nèi)，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。因此，在基坑開挖施工前進(jìn)行數(shù)值模擬分析是必要的。

本文以鎮(zhèn)江市某深基坑為研究對象，采用有限元模擬計算不同開挖工況下基坑的變形特征，并對其模擬結(jié)果進(jìn)行分析，旨在探究基坑的變形規(guī)律，為同類工程提供參考。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)條件

場地內(nèi)主要地層分布從上至下依次為填土、粉質(zhì)黏土、粉砂夾粉土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土和全風(fēng)化花崗巖。

①填土（Q4ml）：灰褐色，松散～稍密，主要由粉質(zhì)黏土組成，呈可塑狀，該層分布較穩(wěn)定。現(xiàn)有道路段有15cm 左右的瀝青柏油面層、35～60cm 左右的墊層及一定厚度的經(jīng)壓實處理的路基、路床等，堆填時間10 年以上。該層頂板標(biāo)高4.96～8.58m，層厚1.80～5.00m。

②粉質(zhì)黏土（Q4al）：灰色、青灰色，軟塑至可塑，無搖震反應(yīng)，壓縮性中等，稍有光澤，干強(qiáng)度中等，韌性中等，分布不穩(wěn)定，土質(zhì)不均勻。層頂標(biāo)高1.70～4.42m，層厚 0.50～3.40m。

②1粉砂（Q4al）：青灰色，飽和，稍～中密，壓縮性中等，主要由石英組成，顆粒形狀呈亞圓形，級配差，分選性較好，土質(zhì)不均勻，場地局部偶夾粉土、粉砂與軟塑狀粉質(zhì)黏土互層；該層頂板標(biāo)高-0.60～6.41m，層厚1.00～12.20mm。

③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土（Q4al）：灰色，流塑，高壓縮性，搖震反應(yīng)慢，稍有光澤，干強(qiáng)度中等，韌性中等，場地內(nèi)分布不均勻，局部含粉粒較高，靈敏度在1.80～3.10 范圍內(nèi)，屬中靈敏度；該層頂板標(biāo)高-7.89～3.71m，層厚0.60～20.30m。

④粉質(zhì)黏土（Qs3al）：黃褐色，硬可塑，壓縮性中等，干強(qiáng)度中等，稍有光澤，無搖震反應(yīng)，韌性中等；層頂標(biāo)高-11.17～0.91m，在本次勘察中未揭穿，最大揭露厚度14.40m。

1.2 氣候與水文條件

鎮(zhèn)江臨近長江，地處中緯度，屬長江中下游季風(fēng)溫濕氣候帶。氣候溫和、濕潤，年平均氣溫約15℃，雨水較多，年平均降水量約為1100mm，降雨較多的時期為梅雨和臺風(fēng)期，一般6 月20 日—7 月20 日為梅雨期，8—9 月為臺風(fēng)期；全年日照充足，年平均日照時間約2000h；年平均無霜期約240d；風(fēng)向主要為東南偏東，四季分明。

基坑場地內(nèi)分布的地下水主要為上層填土中滯留的潛水。潛水的補(bǔ)給主要為大氣降水，排泄以蒸發(fā)為主。穩(wěn)定水位埋深在1.40～1.80m，初見水位埋深在1.60～2.00m。場地地下水受氣象環(huán)境影響明顯，地下水位隨季節(jié)降水變化，歷史最高水位埋深0.00m。根據(jù)周邊工程項目水文地質(zhì)資料以及水位觀測，地下水隨季節(jié)變化明顯，豐水期地下水位隨降雨量增加而上升，枯水期地下水位隨著蒸發(fā)量增大而下降。

1.3 區(qū)域地質(zhì)與穩(wěn)定性

擬建場地區(qū)域在大地構(gòu)造位置上屬揚(yáng)子準(zhǔn)地臺，下?lián)P子臺褶帶，寧鎮(zhèn)褶皺束東段。本區(qū)主要的造山運(yùn)動為印支運(yùn)動，此運(yùn)動結(jié)束了海侵的歷史，形成了寧鎮(zhèn)陸地。構(gòu)造區(qū)域在位置上屬于樺墅-亭子復(fù)式向斜、九華山復(fù)向斜、糧山-橫山復(fù)背斜及紀(jì)莊-后朱巷復(fù)背斜。區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造的主要特點為：地質(zhì)構(gòu)造背景為震旦紀(jì)以前形成的正東西向和早古生代末期形成的北東向構(gòu)造；地質(zhì)構(gòu)造形成發(fā)展的主要時期為中生代；新生代以來，主要地質(zhì)構(gòu)造作用為以斷塊作用，區(qū)域內(nèi)褶皺運(yùn)動不發(fā)育，地殼變形較微弱，新構(gòu)造運(yùn)動反映不強(qiáng)烈，主要以升降運(yùn)動為主，生成河湖交替相沉積物，區(qū)域內(nèi)無活動斷裂通過。

鎮(zhèn)江市是一個地震活動較多的地區(qū)，據(jù)歷史資料記載，受幕府山—焦山和茅山斷裂影響，曾引發(fā)多次地震。據(jù)現(xiàn)有資料表明，其中震中在鎮(zhèn)江或鎮(zhèn)江邊緣的5.0 級以上地震 2 次，4.0 級以上地震 9 次，3.0 級以上地震39 次。近期地震為2013 年5 月19 日在鎮(zhèn)江句容境內(nèi)發(fā)生2.6 級地震，震中為句容侖山水庫北側(cè)。綜上所述，鎮(zhèn)江地區(qū)的地層構(gòu)造較為簡單，新構(gòu)造運(yùn)動相對平靜，基底巖層較穩(wěn)定。

1.4 基坑支護(hù)方案

由于基坑周邊地下管線較多，且場地開挖范圍主要為填土和砂土，土層透水性較強(qiáng)，采用垂直支護(hù)形式。基坑整體形狀為正方形，支護(hù)周長為35.6m，基坑開挖深度為8.33m。基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)采用圍護(hù)樁+三道型鋼支撐。圍護(hù)樁采用SPU-IV 拉森鋼板樁，樁長15m，型鋼圍檁和支撐均采用HW-400×400 型鋼。

2 有限元模型的建立與分析

2.1 本構(gòu)模型的選擇

土體為非彈性材料，在力的作用下呈現(xiàn)彈塑性，應(yīng)力應(yīng)變曲線為非線性。Mohr-Coulomb 模型為典型的非線性模型，其模型參數(shù)簡單，通過試驗均可獲得。因此，選擇Mohr-Coulomb 模型可以很好地描述土體的變形特征與破壞行為。基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要為彈性工作階段，采取線彈性本構(gòu)模型，利用梁、板單元進(jìn)行模擬。

2.2 幾何模型的建立

項目選取3D 模型，實體網(wǎng)格采用四面體單元進(jìn)行劃分。為了避免邊界約束對數(shù)值模擬計算產(chǎn)生影響，結(jié)合學(xué)者的研究成果[7-8]，計算模型的尺寸選取為85m（長）×65m（寬）×45m（高），該工程的模型如圖 1 所示。模型地層采用3D 實體單元，內(nèi)支撐和圍檁采用梁單元，鋼板樁采用板單元。

2.3 模型參數(shù)

由巖土工程詳細(xì)勘察報告可知，數(shù)值模擬土層共6層，各層土層的物理力學(xué)指標(biāo)以及相關(guān)材料的屬性如表1 所示。模擬土層時采用均勻水平地基，不考慮地基土層在空間上的變化，即不考慮地層的起伏變化，這與基坑支護(hù)設(shè)計軟件相吻合。

表1 材料屬性

2.4 施工工況

綜合考慮基坑開挖范圍地質(zhì)情況、周邊環(huán)境以及現(xiàn)場施工條件，分層開挖，分層支護(hù)。基坑采用明挖順作法施工，主要工況如下。

工況1：基坑土方第一次開挖至第一道內(nèi)支撐底（開挖深度1.0m），施工第一道圍檁以及內(nèi)支撐。

工況2：基坑土方第二次開挖至第二道內(nèi)支撐底（開挖深度3.5m），施工第二道圍檁以及內(nèi)支撐。

工況3：基坑土方第三次開挖至第三道內(nèi)支撐底（開挖深度6.0m），施工第三道圍檁以及內(nèi)支撐。

工況4：基坑土方開挖至地下結(jié)構(gòu)底板墊層底（開挖深度8.33m）。

工況5：拆除第三道內(nèi)支撐及圍檁。

工況6：拆除第二道內(nèi)支撐及圍檁。

3 計算結(jié)果分析

3.1 基坑圍護(hù)樁的水平位移分析

圖2 為不同開挖深度下圍護(hù)樁的水平位移圖。土層中的主動土壓力隨著深度增加而增加，在基坑開挖施工中土體應(yīng)力逐步釋放，隨著基坑開挖深度增大鋼板樁樁身水平位移逐漸增大。在不同工況下，樁體的水平位移規(guī)律基本一致。圖3 為工況6 下鋼板樁的水平位移云圖，由圖3 可知基坑開挖施工過程中圍護(hù)樁的最大水平位移為10.43mm，滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求的變形控制值。同時，通過觀察發(fā)現(xiàn)，圍護(hù)樁的最大位移位置出現(xiàn)在約0.9 倍基坑開挖深度處，即圍護(hù)樁產(chǎn)生最大水平位移的位置為基坑開挖面附近。

3.2 基坑豎向位移分析

圖4 為工況6 下基坑的豎向位移。由圖3 可知，隨著離坑邊的距離增加，地表的沉降逐漸減小，坑周邊的沉降最大值為4.7mm。同時，模擬結(jié)果顯示基坑底部發(fā)生隆起，隆起最大值為5.5mm，這是由于基坑開挖深度較大，被動區(qū)開挖土量較大，在土壓力作用下基坑底部中心產(chǎn)生較大隆起。

4 結(jié)語

本文借助有限元軟件對基坑開挖過程中的各工況進(jìn)行數(shù)值模擬分析研究，得到以下結(jié)論。

（1）隨著基坑開挖深度的增大，鋼板樁樁身水平位移逐漸增大，最大水平位移為10.43mm，位于開挖深度0.9 倍處。

（2）基坑開挖施工過程中，基坑周邊地表沉降最大值為4.7mm，基坑坑底隆起最大值為5.5mm。