圓礫地層深基坑工程開挖變形機理數值分析★

林 強

(中鐵二局股份有限公司，四川成都 610032)

0 引言

南寧市作為廣西省省會，同時鎮守我國西南邊境，其經濟地位非常重要，輻射廣西省及周邊大片區域。軌道交通的規劃及建設，給南寧市的基坑工程帶來了很多新的挑戰，主要問題是圓礫層的設計與施工方面積累經驗很少。

圓礫層為南寧典型且分布廣泛的地層，目前尚無成熟的基坑工程經驗，甚至可參考的案例都非常罕見。基坑開挖卸載導致圍護結構向基坑內側隆起變形，同時引起周圍地層的塑性流動等，深基坑開挖必然引起鄰近建筑物發生一定程度的沉降變形;不均勻沉降將會對鄰近的建筑結構產生巨大的影響，造成其無法安全使用或運營，甚至會引起建筑物傾倒。

傳統的基坑分析一般采用豎向彈性地基梁法，該方法的優點是計算過程簡單明了，但是不能考慮土與結構的共同作用;若想考慮土與結構的共同作用，可以采用二維連續介質有限元法[1，2]，但二維方法無法考慮到基坑開挖的空間效應。隨著計算機能力的大幅提升，三維數值模擬方法被越來越多的應用，三維模型能夠考慮土體和結構的共同作用[3]，能夠對基坑開挖的全過程進行模擬。

本文使用專門針對巖土工程的FLAC3D數值計算軟件，對廣西大學站基坑開挖引起的圍護結構變形及周圍地表沉降進行模擬分析，著重討論圍護結構變形及地表沉降的規律。

1 工程背景

廣西大學站位于大學路和明秀路交叉的十字路口，周邊主要是規劃的住宅小區及已實施的住宅用地，西側的存車線接進廣西大學;西北角是已建設完成的世貿西城，南邊是一些老的多層住宅小區，整個周邊環境主要是居住區和廣西大學等，客流較大。本工程總長465 m，基坑開挖深度為16.24 m～18.16 m，基坑開挖寬度20.7 m～27.7 m;標準斷面寬度為20.7 m，為地下兩層。底板埋深為15.535 m(相對地面)，頂板覆土厚度大于3 m。本工程主體建筑面積21 163.6 m2，主要結構形式為雙柱三跨(7.45 m+5 m+7.45 m)和(8.95 m+8.95 m)框架箱形結構。

圖1為基坑平面圖。

圖1 基坑平面圖

車站主體大部分埋置于圓礫層中，圖2為現場照片。圓礫粒徑以2 mm～40 mm為主，占79.6%，顆粒分布詳見圖3。粒間充填物以中、粗砂為主，層厚約 5.00 m ～15.60 m，滲透系數 k=60 m/d，內摩擦角φ=32°(固結快剪)。圓礫層下部為不透水泥巖層。

圖2 圓礫層照片

圖3 基坑模型及土層網格劃分

2 數值模擬

2.1 數值模擬方案

本文假設基坑周圍不存在任何建構筑物，在這樣的條件下模擬計算基坑周圍的地表沉降，以此代替基坑開挖對周圍建構筑物的影響。

摩爾—庫侖模型一般適用于松散或膠結的顆粒狀材料、土體、巖石、混凝土的剪切破壞分析[4]。南寧地區的圓礫地層地質情況比較符合摩爾—庫侖模型的使用條件。因此，本文中數值模擬選用的本構模型是摩爾—庫侖模型，地下連續墻采用彈性模型，開挖采用單元激活方法。

2.2 建模及邊界條件

本工程基坑為雙軸對稱的矩形，根據對稱性原理，可以選擇1/2長度進行建模，但實際基坑長度近500 m，中間部分基本處于同樣的受力狀態，所以不需要取250 m進行建模。確定基坑模型尺寸為:寬度取基坑的標準段寬度20 m，開挖深度19 m，基坑長度36 m。根據現行國家及各地方規范中，基坑開挖對周圍環境的影響范圍一般不超過4H，且地面沉降影響范圍同時受到基坑平面規模和基坑長寬比的影響[6]。綜上各種因素，基坑開挖的影響范圍暫定為4H。整個模型的尺寸為96×144×39(長×寬×高)，如圖3所示。

地下連續墻在本次模擬中采用實體單元模擬。根據Zdravdovic(2005)[5]的研究，在二維基坑模擬中，采用實體單元和梁單元計算所產生的墻體變形差別小于4%，而墻體變形引起的地層損失是造成地表沉降的主要原因[6]，上述梁單元相當于三維模型中的襯砌單元，因此采用實體單元和襯砌單元的模擬結果相差不大，可以忽略。另一方面相比于襯砌單元(liner)，實體單元的優勢在于物理模型清晰，參數相對較少且容易確定[4]。

根據廣西大學站基坑的監測數據，緊貼地下連續墻背后的土體位移很小，為簡化計算模型，假設地下連續墻與土地界面上沒有相對滑移，即采用兩者共用節點的處理方式。

基坑周圍施加均布超載q=15 kPa，模型上表面為自由邊界，底面為固定邊界，其他邊界都只約束法向位移。

2.3 計算參數及工況

據地勘報告，本工程地貌形態按《廣西壯族自治區南寧市地質系列圖集》地貌及外動力地質現象分布圖區分，屬邕江北岸Ⅱ級階地，第四系沉積物為邕江河流沖積砂礫層及土層，下伏基巖為下第三系泥巖、粉砂質泥巖、泥質粉砂巖、粉砂巖。場地穩定水位埋深約4.00 m，與邕江有一定的水力聯系。地下水位隨季節變化幅度約為3 m～5 m。計算中選取的土層物理參數如表1所示。

表1 土層參數

本工程的圍護結構體系包括地下連續墻和內撐，參數選取見表2。本文采用Beam單元模擬內撐，一般在非動力分析中，不計結構單元的重量，但內撐的自重量級是不可忽略的，且全部作用在地下連續墻上，因此其重量不可忽略。本文采用的處理方法是將內撐的重量折算到地下連續墻的自重里，內撐本身采用無重量的Beam單元。

表2 鋼筋混凝土及鋼管參數

根據施工方案，工程體結構采用明挖順作法施工，支護結構為800 mm厚地下連續墻+內撐(一道混凝土支撐和兩道鋼支撐)。本工程在深度方向共分為五個工況進行施工(見表3)，而在長度方向為上述開挖步驟的循環推進。數值模擬過程按照表3所列的施工步驟，分為5個工況。

表3 施工步驟

3 數值模擬結果分析

3.1 地下連續墻側移

圖4給出了連續墻側移數值模擬的計算結果。可以看出絕大部分墻體側移發生在前四個工況，工況四到工況五幾乎沒有位移發展。墻體側移的最大值均發生在約16 m深處。相鄰工況間的位移發展程度基本與支撐的豎向間距成正比關系，即橫撐豎直間距越大，則墻體側移發展越大。這樣也從數值計算的角度進一步證明基坑開挖的時空效應。

從圖4中可以看出，剛開始開挖時，由于第一道混凝土支撐的作用，圍護墻整體變形不明顯。隨著開挖的進行，土壓力對圍護結構的作用愈加明顯，從工況2到工況4，變形發展明顯。造成這種現象的原因是，開挖使得地下連續墻兩側壓力差增大，而下層鋼支撐的剛度小于第一層混凝土支撐。從工況4到工況5，由于底板的支撐作用很好的約束了地下連續墻底部的位移，因此變形發展不大。絕大部分變形都發生在基坑開挖的過程中，所以，編制合理的施工方案和及時澆筑底板對控制圍護結構變形會起到很有利的作用。

圖4 墻體側移計算結果曲線

3.2 坑周地表沉降

圖5給出了五個工況的地表沉降計算結果，并用通過數據點的曲線相連。從圖中可以看出，各個工況間的沉降發展量值與前述地下連續墻側移有相同的規律，即前幾個工況間沉降發展較大，工況四和工況五之間沉降幾乎沒有變化。最大沉降發生在距離基坑邊緣約13 m處，隨后逐漸收斂至某一數值。

圖5 坑周地表沉降計算值曲線

圖5的計算結果規律符合GB 50497-2009建筑基坑工程監測技術規范推薦的周邊地表沉降經驗曲線，可以看出，基坑最大沉降值發生在墻后約0.5H處，主要影響范圍為2H，而總影響范圍約為4H。

4 結語

1)摩爾—庫侖模型參數較少且比較容易測得，是一種比較適合圓礫層地區的本構關系模型，能夠比較好的反映地層的變形特性。

2)通過數值計算結果分析，廣西大學站基坑工程地下連續墻側移最大值為22 mm，最大變形位置約為15 m～17 m深度范圍內;地表沉降最大值為5.2 mm，主要發生在距離基坑邊緣30 m范圍之內，之后位移逐漸減小。這些結果能夠為以后的類似工程提供有用的參考。

3)地下連續墻墻體變形基本符合經驗規律。計算數據反映出第一道混凝土支撐和基坑底板對地下連續墻有很強的約束作用，如能合理及時設置，能夠很好的控制墻體變形;同時施工過程應設計合理的施工步驟，并及時封閉開挖面，以減少圍護結構的變形。

4)計算數據表明，圓礫地層基坑開挖對周圍環境的影響范圍可達4H，而主要影響范圍為2H左右。因此，可在基坑開挖中著重監測主要影響區域的地表及建筑物沉降，以保證其安全。

5)本文的計算結果符合基坑變形的一般規律，但是坑底附近的地下連續墻變形與通常情況差異較大，筆者認為造成這種結果的原因是坑底附近的應力條件和邊界條件都比較復雜，很難在數值模擬中量化的實現，需要豐富的經驗積累，以確定合適的應力釋放程度及邊界條件。

[1] DBJ-61-97，基坑工程設計規程[S].

[2] CLOUGH G W，WEBER P R，LAMONT J.Design and observation of tied-back wall[C]//Proc ASCE Spec Conf on Perf of Earth-Supported Strut，1972:1367-1390.

[3] 沈 磊.超大深基坑變形特征的數值模擬及其實測分析[J].地下空間與工程學報，2005，1(4):538-542.

[4] Itasca Consulting Group，Inc.，ed.Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3 Dimensions，Version 3.0，Users’Manual.2002:Minneapolis，MN，USA.

[5] ZDRAVKOVIC L，POTTS D M，ST JOHN H D.Modelling of a 3D excavation in finite element analysis[J].Geotechnique，2005，55(7):497-513.

[6] 宋建學，鄭 儀，王原嵩.基坑變形監測及預警技術[J].巖土工程學報，2006，28(S11):1889-1891.

[7] 丁勇春.軟土底層深基坑施工引起的變形及控制研究[D].上海:上海交通大學博士學位論文，2009.