數值模擬分析基坑開挖空間效應的變化規律

管文艷

(建設綜合勘察研究設計院有限公司，北京100007)

1 引言

隨著建設的需要，基坑工程日益復雜，隨之而來的事故也是多種多樣，除了基坑本身發生穩定性破壞外，還包括周圍環境破壞以及對施工安全的不良影響。在2012版的建筑基坑支護技術規程中明確指明支護結構的安全等級由支護結構及土體變形對周邊環境影響或主體結構施工安全的影響程度來判斷[1]。

關于基坑變形規律，許多學者都通過統計分析及數值模擬提出自己的觀點，如徐中華通過總結上海地區基坑變形監測數據，指出南方地區軟土基坑的支護結構最大變形位置一般處于坑底附近[2][3]。王衛東通過對南方軟土地區基坑變形監測數據統計分析，得到不同剛度的支護結構對應的地表沉降變形規律以及沉降影響范圍[4]。上海地方規范在估算基坑周邊地表變形方面，提出了墻后土體損失量與地表最大沉降量的半預測公式，為計算地表沉降提供更準確的方法[5]。劉建航院士在軟土市政工程施工手冊中提出了地表沉降槽的計算方法，更進一步肯定了通過理論計算地表沉降的可能性。Caspe和劉興旺等人將支護結構后土體分為塑性平衡區和彈性平衡區，并對墻后土體變形的理論計算進行了部分推導[6][7]。殷德順以數值模擬為手段，對劉興旺等前人的研究成果進行了驗證，并提出了由墻體位移計算墻后土體位移的理論方法[8]。

本文以MIDAS有限元分析軟件為計算工具，結合萬達廣場工程實例，計算該基坑工程在開挖過程中的變形數據。通過對比基坑現場監測數據及前人總結的基坑變形規律，證明有限元軟件在分析基坑變形中的準確性。分析數值模擬計算的變形數據，總結在數值模擬中硬化土模型的參數選取方案并分析基坑變形規律。

2 工程實例

2.1 工程概況介紹

萬達廣場深基坑工程占地135 936m2，基坑長350m、寬320m、基坑重要性等級為一級。具體支護形式如圖1所示，該基坑工程主要支護形式為雙排樁結合鋼支撐支護、雙排樁結合錨索支護、型鋼水泥土墻結合錨索支護，基坑最大開挖深度為12.8m，支護形式十分復雜?；颖眰扔兄袊y行等重要建筑，具體位置如圖1所示，該基坑所處位置地下水豐富，需要重點監測地表沉降變形。

如表1所示，基坑所處位置的土體以粉質粘土、粉砂、淤泥質黏土為主，內摩擦角和粘聚力系數都很小，該類土質處的基坑容易發生大的變形。

圖1 基坑支護布置圖

表1 各層土的性質參數

3 有限元參數選取

3.1 土體單元參數

運用MIDAS軟件模擬萬達廣場深基坑工程，首先選擇土體計算模型，在本次模擬中，主要分析基坑的變形，故以往簡單的摩爾庫侖模型不能夠滿足分析的需要，所以我選擇硬化土模型、也就是修正摩爾庫侖模型。修正摩爾庫侖模型在計算中需要輸入兩個彈性模量，分別為土體壓縮時的彈性模量和土體卸荷時的彈性模量。修正摩爾庫侖計算出的坑底隆起變形要遠小于摩爾庫侖計算出的變形，更符合工程實際的變形情況。

按照上海地區的經驗，土體卸荷后的彈性模量為土體壓縮時的彈性模量的3～5倍，而土體壓縮時的彈性模量采用公式1、2計算得到:故本次模擬中的彈性模量(Mpa)如表2所示。

表2 各層土的彈性模量T

3.2 結構單元參數

根據實際工程案例，共有三種支護形式，如表3所示。

表3 支護結構參數

其中，支護墻均按照等抗彎剛度換算成地下連續墻，根據設計報告將型鋼水泥土墻轉變為0.S6m地下連續墻，雙排樁轉換為1.1m地下連續墻，這樣更方便模擬結構單元，具體的支護結構如圖2所示。

圖2 基坑支護結構模擬圖

4 計算結果

4.1 基坑開挖

基坑開挖后如圖3所示，右側藍色區域為12.8m開挖，左側分別為粉色區域6.5m開挖和黃色區域7.7m開挖。

4.2 準確性分析

根據現場實際監測的變形數據判斷本次數值模擬的計算結果是否準確。選取樁頂水平位移為例，通過現場監測的30個樁頂水平位移數據對比分析數值模擬的準確性，如圖4所示。

圖3 基坑開挖示意圖

圖4 樁頂水平位移對比分析

圖5 墻后土體x方向水平位移云圖

經過以上曲線分析，可以判斷出通過數值模擬計算基坑變形較為準確，而且通過對比其他實測數據及變形規律，進一步認為數值模擬的結果是合理的。

5 基坑變形分析

5.1 基坑變形空間效應

根據上海地區研究結果，可以認為基坑開挖引起的變形存在空間效應，即基坑支護結構中部變形要大于基坑角點處變形。但是，因為基坑工程存在特異性，通過實際觀測數據總結出的變形規律只能應用于單個地區，無法推廣。相比之下，數值模擬計算中靈活準確快速的特點就得以發揮。

圖5為基坑支護墻后土體x方向水平位移云圖

由圖4可以分析:

1)基坑開挖，支護結構后土體均向坑內移動;

2)型鋼水泥土墻對應的土體水平位移小于雙排樁支護結構對應的土體水平位移，主要原因是開挖深度不同，而且支護結構的抗彎剛度也不一致;

3)墻后土體水平位移無論何種支護形式，均存在空間效應，即坑角處水平位移遠遠小于支護結構中部的土體水平位移。

5.2 結合工況分析基坑變形

圖6、7為具體的水平位移變化曲線通過曲線，可以分析處基坑開挖過程中不同的工況導致基坑墻后土體水平位移變化情況。

由圖6、7可以分析出:1)隨著工況的增加，墻后土體水平位移增加;2)每一個工況，支護結構中部對應的墻后土體水平位移大致相同;

3)水平位移增加幅度較大的工況均為開挖工況，即當基坑開挖時墻后土體水平位移變化較大;

4)雙排樁支護墻后土體的水平位移不是坑角點最小，而是臨近坑角的點水平位移最小;

5)雙排樁支護墻后土體水平位移的空間效應比值，即坑角處土體水平位移和中部支護墻后土體水平位移的比值，在第二次開挖時約為1.8，隨著開挖深度的增加，比值逐漸增大，最后一次開挖比值約為3.1倍;

6)SMW支護結構墻后土體水平位移的空間效應比值則恰恰相反，開挖2時比值約為15倍，隨著開挖深度的增加，坑角處土體水平位移變化速率增大，空間效應比值逐漸減小，最后一次開挖時，空間效應比值約為3.5倍。

5 結論

(1)硬化土模型模擬基坑開挖引起的變形規律，結果比較準確，可以作為分析變形的手段之一;

(2)基坑開挖后，無論何種支護形式，均會產生空間效應，坑角處的變形小于支擋結構中部對應的變形;

圖6 SMW墻后土體水平位移

圖7 雙排樁墻后土體水平位移

(3)通過分析SMW和雙排樁支護形式，對比空間效應的不同變化規律，SMW支護中坑角處在開挖深度較小時變形很小，隨著開挖深度的增加，變化速率增大;相比較下，雙排樁支護結構的空間效應變化呈現從小到大，即隨著開挖深度的增加，支護結構中部的變形增大速率大于坑角。

[1]JGJ120-2012.建筑基坑支護技術規范[S]

[2]徐中華.上海地區支護結構與主體地下結構相結合的深基坑變形性狀研究[D].北京:上海交通大學，2007

[3]李琳等.軟土地區深基坑變形特性分析[J].土木工程學報:2007，(40):66-72.

[4]王衛東等，上海地區深基坑周邊地表變形性狀實測統計分析[J]. 巖土工程學報，2011，(11):1659-1666.

[5]DBJ-61-97.上海市標準基坑工程設計規范[S]

[6]CASPE M S.Surface settlement Adjacent to Braced Open Cuts[J].JSMFD，ASCE，1966，92(SM4):51-9.

[7]劉興旺等，基坑開挖地表沉陷理論分析[J].土木工程學報，2000，33(4):51-55.

[8]殷德順等.支護水平位移對支護后土體變形的影響[J]. 中國水運，2007(9):124-126.

[9] TERZAGHIK.Theoretical soil mechanics in engineering practices[M].Wiley New-York，1948

[10]呂少偉.上海地鐵車站施工周圍土體位移場預測及控制技術研究[D].同濟大學，2001

[11]劉國彬等.基坑工程手冊[M].北京:中國建筑工業出版社，2009