基坑延深開挖復合支護結構有限元模擬

陳亞軍，郭力群，徐芳超

（華僑大學 土木工程學院，福建 廈門361021）

地下室加層導致了原基坑的設計深度加深.在原基坑工程已經開挖成型或原支護結構已經施工完成的情況下，延伸開挖，必然導致原支護結構不能滿足要求.這就面臨兩種選擇：一是舍棄已存在的支護結構，重新設計，這樣會造成很大的浪費；二是考慮在原有支護結構基礎上進行加固支護，充分利用原有支護結構并發揮其作用，則可以節省基坑工程的投資［1-2］.關于既有支護結構保持不變的情況，延深開挖支護結構加固技術的作用機理和計算方法的研究較少，理論滯后于實踐.陳磊等［3］對某基坑，采用現場試驗對原基坑體系進行穩定性評價后，制訂了新基坑支護方案.林華國［4］利用爛尾坑原有的支護體系，采用排樁式連續墻加預應力錨索的支護結構，局部放坡，對原爛尾坑進行加固.蔡海波等［5］以某特殊基坑工程為背景，采用FLAC3D有限元差分軟件，對基坑現有支護方案條件下進行延伸開挖.本文采用有限元數值模擬方法，對某既有土釘墻支護結構基坑的延伸開挖加固工程進行數值分析，對基坑二次開挖加固方案的可靠性和合理性進行評價，分析其中存在的薄弱點.

1 基坑工程概況

福建省晉江市某基坑，建筑占地面積約為4 363m2，安全等級為一級.原支護結構是按一層地下室進行設計的，深度4.5m左右，采用土釘墻、自然放坡支護體系，設置4排土釘，土釘傾角為15°，長度為6m，基坑已開挖至-4.5m深處，并閑置約3a時間，支護體及周圍環境處于穩定狀態.圖1為原基坑支護結構簡圖.因建設要求將一層地下室改為兩層，基坑開挖深度達8.24～11.45m，需要在原有基坑基礎上進行2次超深開挖.

2 加固方案分析及選型

圖1 原基坑支護結構簡圖Fig.1 Supporting structure of original foundation pit

2.1 基坑加固重點

1）原基坑開挖放置時間約3a，已超出了臨時性工程的設計使用年限［6］，須對其進行穩定性評價.

2）在原工程基礎上進行加深開挖深度將近7m左右，是原開挖深度的兩倍以上.原有支護結構顯然無法滿足承載力和變形要求，因此，必須采取措施在原支護結構的基礎上進行加固，而選擇合適的加固方式滿足工程要求則是支護結構加固設計的重點.

3）基坑開挖深度范圍內巖土層力學性質一般，軟弱土層較厚，故加固后的支護結構需具備較高的結構強度和整體穩定性.加固支護剖面示意圖，如圖2所示.

2.2 支護加固設計方案

基坑一次支護的存在使坡頂沒有更大的放坡空間，而內支撐支護體系整體剛度較大，能更好地控制土體的水平變形，最大限度地減少對周邊建筑物和地下管線的影響.因此，考慮采用鋼筋混凝土對撐支護方案［7］.

基坑支護加固設計方案采用人工挖孔樁加鋼筋混凝土內支撐，自然放坡聯合支護體系.支護樁樁徑Φ＝1 000mm，樁中心距s＝1 800mm，沿基坑四周布置；支護樁頂設置1 000mm×800mm的鋼筋混凝土冠梁；內支撐梁截面尺寸為800mm×800mm.

圖2 加固支護剖面示意圖Fig.2 Cross section of strengthened supporting structure

3 整體支護結構有限元模擬分析

3.1 加固支護結構體數值分析模型選擇

采用Plaxi 2D有限元軟件對支護結構進行整體模擬，選取最不利的剖面進行有限元模擬分析.模型采用平面應變模型，采取15節點的三角形單元模擬土體，通過自帶程序進行有限元網格劃分.土的本構模型選取Mohr-Coulomb模型，擋土墻和土釘面層利用板單元模擬；擋土墻兩側與土的相互作用可以用接觸面單元模擬；鋼筋混凝土內支撐可以看作彈性桿件，選用錨釘桿單元進行模擬；土釘利用土工格柵進行模擬.

3.2 模型參數

表1 土層參數Tab.1 Parameters of soils

3.3 邊界條件

圖3 基坑有限元模型Fig.3 FEM model of foundation pit

1）位移邊界條件：左、右邊界的水平位移為零，下邊界任意方向變形為零.2）應力邊界條件：地面超載作用在基坑2m以外，作用長度為10m，取超載設計值為20kPa.3）水頭邊界條件：左側隔水層保持在地表以下1.0m不變，右側土層的水頭隨著降水和開挖的進行，保持在開挖面下1.0m 左右［9］.

3.4 基坑開挖過程的模擬

基坑最終的力學效應應是前幾次開挖力學效應的總和，但并不是單純的代數和，對最后一個狀態與逐步開挖不斷疊加各步開挖的成果進行分析，得到的結果是完全不同的［10］.因此，計算分析時應采取分步施工過程.分步加載及施工流程如下：土體開挖；打入土釘；掛鋼筋網；噴射砼面層；人工挖孔樁施工（位移歸零）；內支撐施工；開挖至墊層底設計標高.

3.5 計算結果分析

基坑開挖至墊層底設計標高時的工況，如圖4～7所示.通過Plaxis 2D軟件模擬，最大水平位移為44.12mm，最大豎向位移為38.23mm；圍護樁最大水平位移為44.13mm，最大豎向位移為32.36 mm.通過程序提供的有限元強度折減法計算，當開挖至墊層底部時，安全系數為1.25.

圖4 基坑水平位移變形Fig.4 Horizontal displacement of foundation pit

圖5 基坑豎向位移變形Fig.5 Vertical displacement of foundation pit

圖6 土釘面層剪力圖Fig.6 Shear force of soil nailing surface

圖7 基坑塑性點圖Fig.7 Plastic point of foundation pit

由圖4可知：開挖完成后，水平方向的最大位移發生在基坑底部.

由圖5可知：豎直方向包括沉降和隆起，基坑外地表沉降主要出現0～10m范圍內，最大的沉降量為34.95mm；基坑底部隆起主要發生在靠近基坑壁0～10m范圍內，最大隆起量為29.45mm；基坑最大水平位移發生在基坑底部.變形實測結果與計算分析結果相近，因此，應用Plaxis 2D分析的結構是比較準確可靠的.

由圖6可知：土釘面層底處剪力值達到最大.

由圖7可知：開挖到工況8的時候，開始出現塑性點；開挖到工況9的時候，塑性點不斷增多；坑內圍護樁處存在塑性點.這說明基坑底部是薄弱點，宜通過延伸樁長或坑內被動區土加固來更好地控制基坑的位移.因此，在土釘墻后與圍護樁樁頂處的土體隨著基坑的開挖，變形逐漸增大，并不斷達到屈服點.分析其原因，主要有以下2點.

1）原基坑采用的支護形式采用的是土釘墻支護，其控制變形能力較差.

2）新舊支護結構之間沒有存在有效的連接加固措施，新舊支護結構剛度變化大，使得連接處存在較大應力，剛度相對較弱的土釘墻產生相對較大的變形.

4 結論

1）在原有基坑支護上進行加深開挖，使得原有結構的受力狀態發生變化，這已經無法滿足實際要求，需要對原基坑支護方案采取加固措施，并新增支護結構以滿足加深后基坑穩定和變形要求.

2）對于二次超深開挖，在舊支護結構與新支護結構之間存在協同工作的問題，選擇合適的分析方法對支護加固設計非常關鍵.一般設計軟件僅能計算整體結構的受力和變形，未能反映延深結構的實際工作狀態.

3）利用Plaxis 2D進行有限元數值模擬分析，可發現支護結構的薄弱點，并為基坑的位移控制提供參考.因此，應用Plaxis 2D有限元軟件能夠較準確、可靠地模擬基坑二次加深開挖支護結構設計.

［1］ 吳銘炳，林穎孜，戴一鳴，等.軟土地基地下室加層的基坑支護［J］.巖土工程學報，2010，32（S1）：210-214.

［2］ 吳銘炳，戴一鳴，林穎孜，等.基坑加深的加固措施及其效果［J］.巖土工程學報，2010，32（S2）：459-462.

［3］ 陳磊，宋燕偉，孟憲儒，等.既有深基坑加固改造工程施工［J］.建筑技術，2012，43（6）：491-493.

［4］ 林華國.某爛尾基坑設計與施工實踐［J］.山西建筑，2012，38（16）：67-69.

［5］ 蔡海波，吳順川，周瑜，等.既有基坑延伸開挖穩定性評價與支護方案確定［J］.巖土力學，2011，32（11）：3302-3312.

［6］ 中華人民共和國行業標準編寫組.JGJ 120-2012建筑基坑支護技術規程［S］.北京：中國建筑工業出版社，2012：136.

［7］ 姚桂嘉，郭力群，黃劍兵，等.中南方基坑內支撐支護體系比選［J］.福建建筑，2011（10）：9-12.

［8］ 張如林，徐奴文.基于PLAXIS的深基坑支護設計的數值模擬［J］.結構工程師，2010，26（2）：131-136.

［9］ 尹驥.小應變硬化土模型在上海地區深基坑工程中的應用［J］.巖土工程學報，2010，32（S1）：166-172.

［10］ 武亞軍，欒茂田，楊敏.深基坑土釘支護的彈塑性數值模擬［J］.巖石力學與工程學報，2005，24（9）：1550.