負超孔隙壓力消散對基坑穩定影響有限元分析

李 濤

0 引言

近年來我國的高層建筑不斷增加，深基坑工程愈來愈多。進行基坑開挖時，圍護結構的變形與周圍地表沉降成為研究的熱點和難點問題［1，2］，尤其在含水量大、滲透系數小的軟土地區開挖時，由于基坑開挖卸載將在坑底和周圍土體中產生負的超孔隙壓力［3］，使得開挖到設計標高時坑底的隆起和圍護結構變形并不會立即完成。在國外，Whittle(1993)［5］，Ou ＆ Lai(1994)［6］等較早的研究了負超孔隙壓力的消散以及帶來的影響;在國內，連鎮營(2001)［8］，李廣信(2001)［9］，李玉岐等(2005)［10］分別研究了滲透系數對基坑開挖過程中負超孔隙水壓力消散以及消散過程中對擋墻穩定和基坑隆起的影響。本文主要利用ABAQUS有限元軟件建立二維基坑開挖模型，利用修正劍橋土體本構模型，研究基坑開挖過程中負超孔隙壓力的消散對基坑支護結構穩定性的影響。

圖1 有限元分析網格劃分圖

表1 修正Cam-Clay模型的計算參數

1 工程概況及模型概述

太原市某深基坑工程，假定地下水位位于地表，基坑長約100 m，寬約30 m，平面呈矩形分布，基坑開挖深度10．0 m，地面標高為±0．0 m，基坑底標高為 -10．0 m。圍護結構采用樁錨支護，在3 m，6 m分別打長度為15 m和20 m的土層錨桿，樁截面直徑0．8 m，基坑分3步開挖，每步開挖3 m，3 m，4 m，每步開挖后的施工間歇時間分別為10 d，20 d，30 d。因荷載分布，施工條件等均為軸對稱，以基坑各邊中線為對稱軸，根據對稱性，取基坑的1/2作為計算區域建立二維模型。據基坑開挖影響范圍(水平方向)和影響深度分別約為開挖深度的3倍～4倍和2倍～3倍，取計算區域為60 m×30 m。土體及圍護結構的網格剖分如圖1所示。為便于計算，選取土體參數的加權平均值，取土體豎向和水平向滲透系數 k=1．2×10-6m/s，土體干密度 rd=1 342 kg/m3，飽和密度rsat=1 847 kg/m3，土體為完全飽和土，飽和度為1．0，孔隙比1．02，土體本構模型采用修正的Cam-Clay模型，其計算模型的計算參數見表1;樁支護結構單元采用梁單元模擬，支護單元模型采用線彈性模型，彈性模量取2．6×109Pa，泊松比取為0．25;每步開挖結束后假設基坑開挖底面孔壓為0。

2 有限元分析結果

各步開挖結束時，基坑的負超孔隙壓力的有限元結果和各步施工間歇期結束后負超孔隙壓力的有限元結果如圖2～圖7所示。各步開挖結束時的基坑支護結構彎矩和變形及施工間歇期結束后對比圖如圖8，圖9所示。

圖2 第一步開挖結束后負超孔隙壓力分步云圖

圖3 第一步開挖結束10 d后負超孔隙壓力分步云圖

圖4 第二步開挖結束后負超孔隙壓力分步云圖

圖5 第一步開挖結束20 d后負超孔隙壓力分步云圖

對比分析施工結束后和超靜孔隙水壓力消散后樁身彎矩的變化(見圖8)，可以發現，前兩步開挖結束后和超靜孔隙水壓力消散后對比，樁身最大正彎矩基本無變化，最大負彎矩有明顯增大，第一步開挖結束后和第一次超靜孔隙水壓力消散后對比，最大負彎矩從58．9 kN·m增大到64．7 kN·m，增大幅度13%;第二步開挖結束后和第二次超靜孔隙水壓力消散后對比，最大負彎矩從192 kN·m增大到206 kN·m，增大幅度7%;第三步開挖結束后和第三次超靜孔隙水壓力消散后對比，負彎矩有所減小，正彎矩有所增大，最大負彎矩從352 kN·m回落到330 kN·m，回落幅度6．7%，最大正彎矩從170 kN·m增大到176 kN·m，增大幅度4%;綜合比較彎矩變化的情況，超靜孔隙水壓力消散對樁身內力的變化是不利的。

圖6 第三步開挖結束后負超孔隙壓力分步云圖

圖7 第三步開挖結束30 d后負超孔隙壓力分步云圖

圖8 開挖結束與超靜孔隙水壓力消散后樁身彎矩對比圖

圖9 開挖結束后和超靜孔隙水壓力消散后樁身水平位移對比圖

對比施工開挖結束后和超靜孔隙水壓力消散后的樁身水平位移(見圖9)。從曲線圖可以看出，每一次超靜孔隙水壓力消散后樁身水平位移均有所增大，第一次超靜孔隙水壓力消散后和第一步開挖結束后對比，最大值增大了13 mm，第二次超靜孔隙水壓力消散后和第二步開挖結束后對比，最大值增大了5 mm，增大幅度較上步小，第三次超靜孔隙水壓力消散后和第三步開挖結束后對比，最大值增大了4 mm。可見，超靜孔隙水壓力消散后樁身的變形均有不同程度的增大。

3 結語

綜合比較超靜孔隙水壓力消散對樁身彎矩、樁身變形可知，隨著超靜孔隙水壓力的消散，樁身彎矩和變形均有不同程度的增大，超靜孔隙水壓力的消散對基坑施工工程中的穩定性是不利的，結合計算結果并探討變化產生的原因，主要原因在于:開挖卸荷引起土中產生負的超靜孔隙水壓力，在初期的時候將減少支護結構上的總壓力，對支護結構的穩定是有利的，但隨著孔壓的恢復，地基土有效應力逐漸降低，土體變形產生膨脹，引起土體抗剪強度的降低，從另一方面來講，對于土體的卸荷過程，完成的初期是安全的，而消散后是不利的。這也就要求施工人員在進行工程施工時，快速施工，利用產生負超靜孔隙水壓力的初期，提高基坑施工過程中的穩定性。

［1］ 陸培毅，顧曉魯，錢 征．天津港務局綜合業務樓深基坑支護與監測［J］．巖土工程學報，1999，21(3):323-327．

［2］ 婁奕紅，俞三溥，王秉勇．基坑支護結構內力及變形動態分析［J］．巖石力學與工程學報，2003，22(3):462-466．

［3］ 付艷斌，朱合華，楊 駿．軟土卸荷時效性及其孔隙水壓力變化實驗研究［J］．巖石力學與工程學報，2009，28(1):3248-3249．

［4］ Ou C Y，Chiou D C．Three-dimensional finite element analysis of deep excavation［J］．J．Geotech．Engrg．ASCE，1996，122(5):337-345．

［5］ Whittle A J，Hashash Y M A，Whitman R V．Analysis of a deep excavation in boston［J］．J．Geotech．Engrg，ASCE，1993，119(1):69-90．

［6］ Ou C Y，Lai C H．Finite element analysis of deep excavation in layered sandy and clayey soil deposits［J］．Canadian Geotechnica Journal，1994(31):204-214．

［7］ Whittle A J，Hashash Y M A，Whitman R V．Analysis of a deep excavation in boston［J］．Geotech．Engrg．，ASCE，1993，119(1):69-90．

［8］ 連鎮營，韓國城．土體開挖超孔隙水壓力三維數值分析［J］．工程力學，2001(sup):502-506．

［9］ 李廣信，陳 平，介玉新，等．加筋擋土墻在二維超靜孔壓下的穩定分析［J］．土木工程學報，2001，34(3):103-106．

［10］ 李玉岐，魏 婕，謝康和．負孔壓消散對坑底的回彈影響研究［J］．長江科學院院報，2005，22(4):52-55．