臨近高架的基坑開挖變形特性的數值分析

阮泳華

(上海上咨建設工程咨詢有限公司，上海 200003)

0 引言

隨著上海地區經濟的快速增長，地下空間的利用越來越受到重視，帶動的深基坑開挖工程也迅速增多，新建工程往往距周邊建筑非常近，基坑開挖引起周圍地表沉降、對臨近建筑的影響也越來越受到重視。

本文以上海某深基坑工程為例，借助專業巖土有限元分析軟件ZSoil建立數值計算模型，對基坑開挖施工過程進行動態數值模擬預測。通過模擬結果與實測數據的分析比較，總結了采用SMW工法樁進行基坑維護設計的深基坑在施工中支護結構變形及應力規律。

1 工程概況與工程地質條件

1.1 工程概況

本工程基坑面積約為4400m2，普遍開挖深度約10m。基坑周邊環境條件較為復雜，基地四周主要鄰近高架下匝道結構，保護難度以及重要性均較高，其平面圖如圖1所示。

基坑安全等級為二級，采用明挖順作法施工，基坑圍護結構采用φ850@600三軸水泥攪拌樁內插H700×300×13×24型鋼，基坑豎向設置兩道鋼管支撐。

1.2 工程地質資料

該基坑所處區域屬濱海平原地貌，根據地質勘察報告，在基坑開挖深度及影響范圍內，各主要土層物理力學指標及計算參數如表1所示。

表1 各土層物理力學指標及計算參數

1.3 基坑圍護方案

結合上海地區工程經驗、場地工程地質條件及周邊環境條件，本基坑工程的圍護方案如下:

擋土體系采用φ850@600三軸水泥土攪拌樁內插H700×300×13×24型鋼，普遍區域H型鋼插二跳一，并插入基底下12.5m，型鋼有效長度22.5m，φ850@600三軸水泥土攪拌樁水泥摻量均為20%，采用套接一孔法施工。另外，基坑內設置兩道鋼支撐，第一道支撐采用單鋼管支撐，采用φ609×16鋼管，Q235B鋼，第二道支撐中心線位于地表下5.8m，采用雙拼φ609×16鋼管，并設置雙拼 H700×300×13×24型鋼圍檁。

具體圍護形式見圖2。

2 數值計算模型介紹及參數說明

2.1 工況定義及參數說明

本次模擬計算以高架為主要研究對象，對如圖1所示的工程原型進行簡化，建立平面有限元分析模型，計算斷面的支撐布置和土層分布等如圖2所示。

2.2 計算模型及材料參數

1)材料參數。

土體本構模型采用小應變硬化土(HSS)模型。該模型由Schanz(1998)和 Schanz等(1999)在 Vermeer(1978)的硬化土(HS)模型的基礎上，考慮了土體小應變剛度的特性，加以改進而獲得，具體參數如表1所示。

2)單元選擇。

計算過程中土體采用四節點等參單元，圍護墻體采用梁單元，支撐采用二力桿單元模擬。

2.3 計算模型及工況設置

模擬中所采用的計算工況參見實際施工工況，計算時，為模擬基坑開挖，通過匹配被開挖土體的卸載函數與堆土的加載函數實現。

3 計算結果及分析

3.1 基坑變形分析

計算結果與實測數據對比如圖3所示，基坑開挖第二層土體時，水平位移計算最大值為21.9mm，實測最大值為24.6mm;基坑開挖至坑底時，水平位移計算最大值為36.3mm，距地面距離為9.7m，實測最大值為39.4mm，距地面距離為9.5m，計算值與實測值誤差不超過10%，計算結果表明:考慮土體小應變剛度特性的HSS模型能夠更好地模擬基坑實際變形情況。

3.2 基坑開挖對高架的影響

高架匝道側的基坑開挖地表沉降曲線如圖4所示，從基坑開挖地表沉降曲線可以看出，地表最大沉降量28.1mm，距基坑邊約3.1m，基坑開挖的有效范圍約12m，與基坑到高架匝道基礎的距離基本接近，數值計算結果高架匝道沉降最大約0.04mm，最大側移約0.06mm，實測結果為0.07mm。從計算結果可以看出，雖然高架匝道距離基坑邊較近，但由于高架采用樁基礎，樁基進入持力層較深，基坑開挖對高架沉降變形較小。

4 結語

本文通過對上海某基坑抽象出的計算模型，采用HSS模型對其進行數值分析，計算結果表明:采用小應變模型能較好的模擬基坑開挖的變形特性以及基坑開挖對高架變形的影響，對實際工程有一定的參考價值。

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