深基坑圍護結構側向位移變化規律分析研究

劉 冬，曹雪山，劉 興

(1.河海大學土木與交通學院，江蘇南京210098;2.上海隧道工程股份有限公司，上海200062)

基坑開挖是一個卸載的過程，具有豎直方向與水平方向卸載，同時還有應力應變路徑問題［1］，土體的彈性模量、壓縮模量也在變化。在局部卸載過程中，由于存在主動土壓力，墻內外的土壓力差值在增加［2］，會造成地下連續墻產生向坑內的側向變形。隨著開挖深度增加，地下連續墻變形量在增加、變形位置也在變化。上海城建院研究院王印昌［3］在地連墻受力分析中采用了反反分析法，通過彎矩分析得出地連墻變化規律。研究員李剛［4］根據地鐵深基坑監測數據給出了變形特征，但二者只研究了地連墻的變形特征，并沒給出影響因素以及地連墻的厚度參考值。地連墻的變形量的影響因素眾多，其中就有土層的物理性指標、墻體的剛度。本文利用模擬分析軟件分析地連墻變形影響因素，并對結果進一步討論。

1 工程概況

中保站位于南京市鼓樓區河西寧工新寓南門及草場門大街與江東北路交叉口之間，沿草場門大街布置。地面高程為6.70～8.06 m(吳淞高程)潛水穩定水位在1.6～2.5 m，地質屬于長江漫灘相沉積地貌單元，水平層理發育，地屬秦淮河古河、長江區，土質較為軟弱，場地范圍內的土層，從上到下主要為雜填土、粉質粘土粉砂互層、粉砂層、粉質粘土層、粉土夾粉砂層、粉砂層、軟弱粘土層、粉土夾粉砂層和含卵礫石粉質粘土層，下層34 m左右為基巖。該車站是地鐵4號線與9號線的換乘站，兩線十字交叉，車站型式為地下兩層島式，基坑開挖方式為半蓋挖形式(設施工棧橋板)，車站全長525.7 m，車站結構總寬度為23.3 m，設有Φ=800 mm的立柱樁，標準段地連墻埋深39 m，與9號線換乘段坑底埋深約26 m。車站內部結構為鋼筋混凝土箱型結構，采用地下連續墻+內支撐的支護結構，采用1 000 mm地下連續墻加6道內支撐支護形式，選取標準段地連墻作為研究對象，地連墻長度約為39 m，進入中風化巖層≥3.0 m。坑底埋深26 m，第一道水平支撐采用900 mm×1 000 mm鋼筋混凝土支撐，其余五道采用壁厚為16 mm，直徑為609 mm的鋼支撐。

2 監測結果對比分析

中保站基坑圍護結構采用1.0 m×39.0 m的地下連續墻，插入比為 0.5，地下連續墻入巖為3 m。入巖的地連墻位移量很小，可以忽略不計，而開挖的26 m深度的地連墻作為彈性體，隨著坑內外的土應力差值而出現變形。為了研究地下連續墻的變形特性，選擇墻體點CXK05(有效深度為 39 m)、CXK06(有效深度為 27 m)與CXK07(有效深度為29 m)號孔作為研究對象。基坑開挖分六次開挖，對于不同開挖深度地連墻變形情況的研究，利用基坑開挖時的各工況(開挖面)為研究斷面。CXK05有效測斜深度為39 m，坑底埋深26 m。根據實際監測數據繪制CXK05隨基坑開挖深度變化曲線圖，如圖1:

由圖1可知，不同工況下，相同開挖深度的地連墻的變形量是不一樣的。由工況一知道，地連墻的最大側向位移量在5 m左右，從0～5 m的位置，地連墻的側向位移在增大，5～26 m地連墻的側向位移量在減小。在工況六的時候，這個階段由于基坑開挖到接近設計基底，這時的基坑內外的側向土壓力差值最大，地連墻作為一個彈性體，這個時候地連墻呈現了“大肚狀”，呈類拋物線，最大側移量為180 mm，處于地連墻的25 m位置。可以看出隨著開挖深度增加，地連墻的最大側移量位置不斷下移，表明“土體的側向應力隨著深度的增加而增加”。由此可見地連墻變形量與變形位置具有明顯的時空效應。Ou［5］研究臺北軟土深基坑工程實例，發現具有高穩定性系數的圍護結構的最大側向變形為 0.2%H～0.5%H。CXK05最大水平位移為180 mm，在深度為26 m位置處，最大側向變形約為0.47%H，略小于Ou統計的臺北的0.5%H，這可能是南京與臺北的地質不同造成的。

3 基坑圍護結構變形數值分析

數據取自中保站基坑標準段靠近中部位置的墻體深層水平位移監測點 CXK05(有效深度39 m)的測斜數據進行統計分析，建立有限元模型按照此監測點所在斷面內的基坑實際情況進行模擬。

3.1 有限元模型的建立

采用平面分析軟件進行分析，plaxis軟件計算簡單，使用方便，尤其對于條形基坑具有明顯優勢。分析時只考慮其一半(左邊)。取土層邊界長度為525.7 m，約為開挖深度的 20倍，深度為39 m。采用15節點的三角形平面單元模擬巖土體，網格劃分為中等粗糙，且對地連墻附近的網格實行局部加密。地連墻采用板單元模擬，支撐看做是彈性體，采用錨定桿來模擬。具體的模擬參數見表1。

由于土具有很強的壓縮性，受應力路徑與土質影響很大，并且存在塑形形變，所以在plaxis中，選取適用的本構模型很重要。根據徐中華的研究成果，發現HS模型［6］很適用，對于HS模型當中3個壓縮模量的的取值，根據王衛東［7］的研究，上海軟土地區土體的值為值的 0.9 ～1.3 倍，本文將和的取值都接近于1.2。而則取的 2.8 倍，與 Silty Clay［6］的研究結果相一致。根據所選取的土層參數進行模型建立，模型見圖2。

表1中報站基坑土層計算參數Tab.1 Soil parameters of zhongbao pit

3.2 計算結果與監測結果對比分析

如圖3所示，模擬結果顯的圍護墻體變形曲線大小為178 mm左右，十分接近于180 mm的監測最大位移，且最大位移所在位置與實際監測結果一致，位于地表以下25 m處，高于基坑底面以上1 m。在實際工程施工過程中，測斜在冠梁與混凝土支撐施工完成后進行測量，所以計算結果與實測結果在開始段具有一定的誤差，同時施工技術以及土層的物理學指標也不近相同，也是造成開挖到16 m時候有一定區別的原因，在16 m后，計算結果與實測結果基本擬合，這個時候，土的影響參數作為了主要的影響指標，其中就是三個指標。這個時候主要矛盾集中在土的模量上。所以在基坑開挖到一定深度時候，兩條曲線就基本擬合了。

根據不同施工工況下的基坑圍護墻體變形模擬結果進行統計分析，得到圍護墻體最大水平位移與開挖深度的關系如圖4所示。由圖可知，所有工況中，圍護墻體最大水平位移都位于開挖面附近。工況四與工況五最大側移量增量最小，分別增加了6 mm與5 mm，因為這兩個工況開挖深度的增長率較低，支撐與上一工況支撐的距離較近，而工況二與工況六由于開挖層距離較大，所以最大側移量增加較多。

此外，由圖4還可以看到，每個工況下，處在圍護墻體“腹部”以上的水平位移曲線都與下一工況在同一深度范圍內的曲線幾乎重合，也就是說每一個工況只會改變處在本開挖面附近以及開挖面以下的墻體的水平位移，而對上部的圍護墻體變形影響微乎其微。例如工況六，在此工況下，位于圍護墻體“腹部”以上曲線基本上是由前面五個工況各自所形成的墻體水平位移曲線疊加而成的，且本次開挖對之前開挖所形成的圍護墻體水平位移改變甚微，也就是說位于上一開挖面以上的圍護墻體基本不受此次開挖的影響。這說明:基坑自身圍護系統對于圍護墻體的側向變形限制作用十分顯著。

3.3 影響地連墻最大側向位移的因素分析

根據統計資料［8］得知，影響地連墻側移的參數主要有(剛度)、開挖深度、各土層的厚度等。選用控制變量法，假設其他參數條件不變，分別單獨改變各個土層土體的HS模型中的三個模量參數的大小。取各個土層的實際值的倍數，分別為實際值的0.3、0.5、0.8、1.0、1.3、1.5、1.8、2.0、2.3、2.5、2.8 倍，然后分別建立有限元模型，將這些模型的計算結果進行有對比分析。結果表明:距離基底較遠的土層參數變化對圍護墻體最大水平位移位置的影響較小，而地連墻的剛度(厚度)對于地連墻的最大側移的影響具有明顯的區別。

3.4 地下連續墻自身剛度對其最大水平位移影響研究

地連墻的剛度直接取決于地連墻的厚度，其他參數條件不變，只改變地連墻的厚度大小，取一組地連墻厚度為 0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9 m的有限元模型進行研究。根據模擬的結果繪制圖5，發現地連墻在不同厚度情況下具有明顯變化，圍護結構對于基坑變形起到了很大的作用。其中最小值在厚度為1.2 m處，當厚度為0.7 m時候的最大側移量只比厚度1.2 m增加了20 mm的側移量，相對增加很少，考慮到地連墻的厚度對于施工難度與經濟的影響，建議南京地區的地連墻厚度取0.7～0.9 m，相對于模擬的選取的H，南京市地連墻厚度為地連墻深度的(0.025～0.035)H。

綜上所述，在筆者所考慮的眾多影響因素中，只有圍護墻體自身剛度以及地下各土層強度是決定墻體水平位移最大值所在位置的兩個主要因素。本文著重研究了這兩種因素對墻體水平位移最大值所在位置的影響程度和變化范圍，主要是一些定性的規律分析。至于是否還有一些其他左右墻體水平位移最大值所在位置的因素，本文總結的規律適用于南京，更多的參數影響以及具體參數選取，可以更多的參考國外學者LONG［9］對于參數的研究一文。

4 結論

1)利用plaxi有限元軟件的HS模型模擬基坑開挖所得的圍護墻變形與實測較為吻合，具有較高的可靠性。

2)發現基坑開挖過程中圍護結構變形符合時空效應規律，圍護結構側向變形大小、變形的最大位置變化與分步開挖的空間尺寸及擋墻暴露時間密切相關。

3)發現圍護結構隨著開挖深度增加，地連墻側移量在基底附近達到最大值;發現地連墻的變化呈現類似拋物線，地連墻側向位移隨著自身剛度增加增而減小。

4)考慮到地連墻的厚度對于施工難度與經濟的影響，建議南京地區的地連墻厚度取0.7～0.9 m，相對于模擬的選取的H，南京市地連墻厚度為地連墻深度的(2.5% ～3.5%)H。

5)圍護墻體自身剛度以及地下各土層強度是決定墻體水平位移最大值所在位置的兩個主要因素。

［1］胡明輝.深基坑地下連續墻變形及受力特性研究分析［J］.山西建筑，2011，37(24):69－70.

［2］劉建航，侯學淵.基坑工程手冊［M］.北京:中國建筑工業出版社，1997.

［3］王印昌.地下連續墻變形－應力的反分析方法［J］.上海市政工程，2008(S1):59－62.

［4］李剛.地鐵車站深基坑地下連續墻變形特征分析［J］.鐵道標準設計，2008，6(24):100－104.

［5］OU C Y，SHIAU B Y，WANG I W.Three－dimensional deformation behavior of the Taipei National Enterprise Center(TNEC)excavation case history［J］.Canadian Geotechnical Journal，2000，37(2):438 －448.

［6］徐中華，王衛東.敏感環境下基坑數值分析中土體本構模型的選擇［J］.巖土力學，2010，31(1):258－264.

［7］王衛東，王浩然，徐中華.基坑開挖數值分析中土體硬化模型參數的試驗研究［J］.巖土力學，2012，33(8):2283－2290.

［8］張輝，熊巨華，曾英俊.長條形基坑地下連續墻側向位移數值模擬及其影響因素分析［J］.結構工程師，2010，26(1):80－86.

［9］LONG M.Database for retaining wall and ground movements duo to deep excavations［J］.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，ASCE，2001，127(33):203–224.