基于3D有限元法地基開挖板樁墻變形分析

王 維

(貴州建工北盤江建設工程有限公司，貴州 六盤水 553000)

1 概述

在進行水利工程建設時，基坑作用是重要的施工步驟，是保證水工建筑物后期安全運行的重要一步。然而，由于基坑作業環境復雜，開挖過程中容易引起地表沉降、地下連續墻和基坑坍塌等風險問題，因此合理評估深基坑開挖的變形規律十分重要[1-5]。當前，伴隨計算機技術的高速發展，數值模擬方法被廣泛應用于基坑工程中，為解決研究基坑變形的相關問題提供了強有力的技術支撐[6]。

目前國內外對基坑數值模擬方法進行了相關研究。芮福才[7]利用FLAC3D軟件還原基坑開挖的整個過程，并施加咬合樁以加固橋梁墩臺，繼而對基坑周圍巖土體的受力和位移進行研究；黃廣龍[8]為研究基坑開挖結束后豎向位移的變化，通過數值模擬技術對五種不同工況下的施工方案進行研究；匡德[9]以克孜加爾水閘工程為例，對樁錨支護結構設計方法進行討論，并對結構設計效果進行數值模擬分析；章致遠[10]利用數值模擬技術還原基坑開挖、支護和排水的全過程，繼而通過對基坑周圍巖土體的位移、塑性區和基坑的安全系數進行分析。還有部分學者采用類似方法對基坑工程進行了相關研究[11-13]。

當前大多數研究采用二維有限元模型來評估板樁墻的變形，而大多數項目由于并非平面應變問題，不能簡化為二維問題。文章以六盤水市的基坑工程為例，采用PLAX3D研究不同施工支護順序下，板樁墻的水平變形特征和基坑的沉降規律。

2 研究概況

本次研究的基坑工程位于六盤水市，地下開挖深度約7.2m，開挖區域為長方形，長58.7m，寬32.8m，在開挖的長邊和短邊安裝2個測斜儀，同時安裝水平沉降監測儀，如圖1所示。基坑土層分為7個不同層，包括人工填土、淤泥質粘土、軟粘土、粉質粘土、砂土、粉土和硬粘土。該項目的地下施工初始階段先在開挖區域周圍安裝板樁后開挖。首先開挖至地面以下1.50m的深度，在開挖至3.9m深之前，支撐安裝在0.8m深(1級)的位置。隨后，在開挖至5.8m深之前，支撐安裝在標高0.00(2級)以下2.9m處。在開挖達到最終深度7.2m之前，在5.1m深處安裝了3級支撐。

圖1 基坑工程平面圖

3 數值模型

本次建立的三維有限元基坑模型如圖2所示。有限元網格由139957個四面體單元組成，平均尺寸為1.96m，使用的土壤本構模型是硬化土壤模型(HSM)，該模型是1種用于描述軟土和硬土的高級土壤模型，采用了雙曲線模型和莫爾-庫侖破壞準則，被廣泛用于基坑模擬中。圖中還可看出，該基坑開挖前存在一定地下水，施工前11m與35m處有較大的孔隙水壓力，由于深井抽水會導致孔隙水壓力下降，開挖采用18m長的板樁墻和3級支撐系統支撐。由于板樁具有復雜且不對稱的橫截面，在三維有限元中采用板單元對板樁進行建模，板樁的彎曲截面積簡化為直面板單元，同時建立支柱和墻為板樁提供側向支撐，在有限元中合理地建模為梁單元。施工順序詳見研究概況，數值計算參數見表1。

表1 模型計算力學參數

圖2 三維有限元基坑模型

4 數值結果分析

不同施工順序下，測斜儀實測墻體變形數據與數值模擬結果如圖3所示，圖3(a)為測斜儀A測試結果，圖3(b)為測斜儀B測試結果。現場實測結果表明，測斜儀A側在第1階段開挖完成后(開挖至地面以下1.50m)就已經出現明顯變形，在基坑深度9m左右，側向變形達到了150mm，而在18m以下深度未出現變形，此時未采取相應的支護措施；當進行第2、3、4階段開挖后(均采取了支護措施)，除基坑表面有一定變形外，其余高程范圍內并未出現明顯變形，其中當開挖進行到第4階段，表面位移為50mm。從數值分析結果來看，在前3段施工階段，數值結果與實際測量值有一定差異、偏保守，最大變形出現在第3段施工階段，為140mm。此外，數值分析得出的最大變形位置的高程隨施工的進行逐漸下移，最終在第4階段與實測結果靠近。

圖3 不同施工順序下實測與數值模擬結果

測斜儀B側的實測結果與A處有一定差異，在第3階段開挖完成后變形達到最大，為200mm，在基坑深度8m左右，說明在第3階段開挖導致基坑多處發生了微小的彈性變形，當第4階段開挖支護后，逐漸恢復。此外，在不同施工階段，B側墻體表面變形與A側有較大差異，此處在第1、2階段開挖完成后，表面位移為80mm，第3、4階段開挖完成后表面位移為恢復至30mm和0mm。從B側的數值結果可以看出，雖然最終得到水平最大變形位移十分接近，但當細分到各個施工階段的變形時，與實測結果有一定差異，可能是由于數值模擬中的支撐安裝與實際工程中的支撐安裝工藝有一定差異造成的。基坑變形云如圖4所示。

圖4 不同施工順序下基坑變形云圖

為探討基坑最終沉降變形規律，本文將施工完成后的實測沉降數據和數值模擬沉降數據進行對比分析如圖5所示。由圖可知，距離墻體不同位置處，沉降有較大差異。當位于墻體邊界時，數值模擬得出基坑沉降為100mm，實測結果為160mm；當距離墻體30mm時，數值模擬得出基坑表面未發生沉降，而實測測出沉降為30mm。在距離墻體4mm時，二者結果一致。

圖5 基坑最終沉降變形規律

5 結論

本文以位于六盤水市的基坑工程為例，采用PLAX3D研究了不同施工支護順序下，板樁墻的水平變形特征和基坑的沉降規律，同時與實測結果進行對比。研究結果表明，雖然數值模擬和工程實測結果，開挖結束后得到水平最大變形位移十分接近，但當細分到各個施工階段的變形時，數值結果與實測結果有一定差異，可能是由于數值模擬中的支撐安裝與實際工程中的支撐安裝工藝有一定差異造成的。此外，對于沉降結果而言，數值結果與實測結果得到的基坑沉降規律一致，但二者數值上相差30mm左右。本例中，當位于墻體邊界時，數值模擬得出基坑沉降為100mm，實測結果為160mm；當距離墻體30mm時，數值模擬得出基坑表面未發生沉降，而實測測出沉降為30mm。在距離墻體4mm時，二者結果一致。因此在實際工程中，需要根據實測數據對數值模型進行修正，以免造成較大誤差。