復雜環境下超深基坑圍護結構變形性狀數值模擬

陳 忠

（江蘇省有色金屬華東地質勘查局，江蘇南京210007)

復雜環境下超深基坑圍護結構變形性狀數值模擬

陳 忠*

（江蘇省有色金屬華東地質勘查局，江蘇南京210007)

圍護結構是超深基坑支護結構重要的組成部分。由于超深基坑周邊環境的復雜性、土體性質的多變性及超深基坑計算軟件的局限性，很難預計在超深基坑開挖過程中圍護結構的變形性狀。利用Plaxis軟件對南京市世紀花園超深基坑開挖時南側圍護結構的變形性狀進行了數值模擬，結果顯示：圍護結構最大側移的深度一般位于開挖面附近，隨開挖深度增加而不斷向下移動；圍護結構頂最大側移的大小取決于初期懸臂開挖的深度及首道支撐的位置和剛度；隨著開挖深度的增加，圍護結構頂的豎向位移呈現出先線性增長，后趨于穩定的趨勢。數值模擬能很好地預測復雜環境下超深基坑開挖過程中圍護結構的變形性狀，能為類似復雜環境下超深基坑工程的設計、安全開挖起到借鑒作用。

超深基坑；敏感環境；H-S模型；開挖效應

1 概述

由于土地資源的緊張，在城市中心地區開挖深度大于12m的超深基坑工程越來越多。在城市中心地區，對超深基坑工程本身及周邊建（構）筑物的變形控制要求十分嚴格。在施工過程中如果出現異常，且這種異常又沒有被及時發現任其發展，最后導致超深基坑環境效應問題的發生，后果不堪設想[1-3]。為了確保超深基坑工程安全，必須采用可靠的圍護結構，以保證超深基坑本身和周邊建（構）筑物的正常使用。

由于超深基坑周邊環境的復雜性、土體性質的多變性及超深基坑計算軟件的局限性，很難預計在超深基坑開挖過程中圍護結構變形性狀的特征及變化趨勢，導致設計人員對設計方案沒底，特別是超深基坑位于高層建筑、地鐵車站、隧道、市政廣場等各類復雜環境中，而數值模擬則提供了解決方法。它能預計開挖過程中圍護結構變形性狀的特征及變化趨勢。本文用Plaxis有限元數值模擬軟件對超深基坑工程分步開挖時，圍護結構變形性狀的特征及變化趨勢進行了數值模擬，為同行在復雜環境下超深基坑工程的設計、安全開挖起到借鑒作用。

2 圍護結構變形性狀的理論分析[4]

（1）水平位移。當基坑開挖較淺，還未設圍護結構時，不論對鉆孔灌注樁墻、水泥土攪拌樁墻、旋噴樁樁墻等剛性圍護結構，還是鋼板樁、地下連續墻等柔性圍護結構，皆表現為墻頂位移最大，向基坑深度方向水平位移，呈懸臂式位移分布。隨著基坑開挖深度的增加，剛性圍護結構繼續表現為向基坑內的三角形水平位移或平行剛體位移。而一般柔性圍護結構若設支撐，則表現為墻頂位移不變或逐漸向基坑外移動，墻體腹部向基坑內突出，即拋物線型位移。而對于有多道內支撐的基坑圍護結構，其常見的是拋物線形位移，其最大變形位置一般位于開挖面附近。

（2）豎向位移。在實際工程中，圍護結構豎向位移往往被忽視，事實上由于基坑開挖土體自重應力的釋放，致使圍護結構有所上升。但影響圍護結構豎向位移的因素較多，支撐、樓板的重量施加又會使圍護結構沉降。當圍護結構底下因清孔不凈有沉渣時，圍護結構在開挖中會下沉，地表也沉降。因此在實際工程中出現圍護結構的隆起和沉降都是有可能的。圍護結構的不均勻下沉會產生較大的危害，實際工程中就出現過圍護結構不均勻沉降造成冠梁拉裂等情況。而圍護結構同立柱的差異沉降又會使內支撐偏心而產生次生應力，尤其是在逆作法施工當中，可能會使樓板和梁系產生裂縫，從而危及結構的安全。因此應對圍護結構的豎向位移有足夠的重視。

3 南京世紀花園超深基坑工程簡介

南京世紀花園是南京市區內的一個綜合性工程項目，主樓4棟16層，4層地下室。該工程項目的基坑呈近正方形，東西寬約146m，南北長約179m，開挖面積約2.6×104m2，開挖深度20m，局部22m。該超深基坑周邊全為敏感建（構）筑物：東、西、北分別是城市主干道——王府路、中華路、建業路，道路繁忙，車流、人流量大；南是花園小區，小區三幢居民樓為復合地基的7層磚混結構，基礎埋深1.8m，基礎下為長5.8m石灰樁，距超深基坑邊緣5～7m；小區周邊地下為不同時期給排水、通訊、燃氣、電力等新舊管線，一般距超深基坑邊緣5m（圖1）。

圖1 超深基坑周邊環境圖

為了保證支護結構及超深基坑本身的安全，同時嚴格控制開挖引起的周邊土體的變形，以保證超深基坑周邊敏感建（構）筑物的正常使用，因此，該超深基坑支護結構形式采用灌注樁+止水帷幕+多支點4層內支撐，其中圍護結構為為?1250mm＠1400mm、嵌固深度16m的鉆孔灌注樁（圖2）[5]。

4 超深基坑開挖引起圍護結構變形性狀數值模擬

（1）本構模型。Hardening Soil Model（簡稱H-S模型）是Plaxis軟件中的一種本構模型，由Schanz提出。該模型為等向硬化彈塑性模型，既可適用于軟土也適用于較硬土層。H-S模型使用3個剛度（軸向加荷剛度E50、軸向卸荷剛度Eur及主固結儀加載中的切線剛度Eoed）來描述土體特性，對于模擬基坑開挖這種要求較準確地反映加、卸荷狀態下土體力學屬性的工程，選用H-S模型較為適合[6]。

（2）計算模型。由于超深基坑南側有3幢7層居民樓加上各種管線密布，該區段引起的基坑環境效應問題的影響最大，因而選取該區段中部為計算斷面，斷面圖見圖2。由圖2可見：該斷面處開挖深度20m，設置4道砼支撐，各支撐點中心標高分別為-2.5m、-7.9m、-12.2m和-16.5m。

圖2 超深基坑南側圍護結構斷面圖（未標尺寸：mm）

（3）模型參數。灌注樁與土體的相互作用采用PLAXIS軟件中的Goodman接觸面單元來模擬，該接觸單元切線方向服從Mohr-Coulomb破壞準則。灌注樁圍護結構的受力形式與地下連續墻相類似，因此本模型中按照剛度等效的原則把灌注樁等效成地下連續墻進行分析，這樣有利于模型的建立和網格的劃分。經驗表明：按等效的壁式地下連續墻設計，結果偏于安全。所選斷面處鉆孔灌注樁直徑為1250mm，樁間距為1400mm，等效后的地下連續墻厚度為1009mm[7]。灌注樁的物理力學參數如表1所示。

（4）模型建立。在水平方向，模型的坑內部分自灌注樁圍護結構延至第一道對撐處，坑外部分自灌注樁向外延伸58m；豎直方向按實際情況分層設置土層，并自坑底向下延伸40m；模型的總尺寸為80m×60m。土體采用15結點的三角形單元模擬，灌注樁采用梁單元模擬，水平支撐采用彈簧單元模擬。豎向邊界約束水平位移，下邊界約束水平和豎直方向的位移。計算網格總單元數為862個，總結點數為7253個，墻后一定范圍內考慮建筑物荷載125kPa（圖3）。有限元分析過程見表2。

表1 世紀花園超深基坑灌注樁計算參數表

表2 超深基坑有限元模擬過程表

圖3 超深基坑典型斷面平面有限元模擬網格圖

（5）數值模擬結果及分析。圖4為計算斷面處鉆孔灌注樁在不同工況下的水平位移計算結果。從圖4可見：①開挖初期，由于首道混凝土支撐尚未澆筑，灌注樁最大側移出現在樁頂位置，灌注樁上部傾斜變形；②隨著開挖深度增加，樁體的側向位移增大，最大側移的位置開始下移且基本位于開挖面位置，首道混凝土支撐的澆筑有效地限制了樁頂的水平位移，樁頂的水平位移逐漸減小，灌注樁的變形呈現出頂部和底部變形小，中間位移大的紡錘形形態；③當基坑開挖8～9m時，開挖面到達強度較低的淤泥質粉質粘土層，坑內土體抵抗變形的能力下降，樁體側移的增長較快，但樁體變形的形態基本不變。

圖4 灌注樁圍護結構在不同工況下的水平位移圖

圖5（a）為灌注樁在不同開挖深度下的最大側向位移圖。由圖5（a）可知：①樁體的側向位移在開挖初期增長較慢，當開挖深度大于8.4m后，變形速率增長較快。這是因為開挖深度較淺時，中上部土層經加固后強度大幅度提高，灌注樁內、外側所受的土壓力差較小，且第一道混凝土支撐的剛度較大，能夠有效約束樁體上部變形；②當開挖深度大于8.4m后，坑內強度較高的粉土、粉砂層厚度不斷減小，灌注樁內、外側所受的土壓力差增大，而第一道混凝土支撐對樁體中下部的變形約束能力較低，導致樁體變形增長較快。

圖5（b）為不同開挖深度下灌注樁最大側移對應的深度圖。由圖5（b）可知：隨著開挖深度增加，樁體最大側移的深度也不斷增加，且由于基坑上部支護剛度較大，最大側移對應的深度始終位于開挖面以上。

圖5 灌注樁圍護結構在不同開挖深度下的最大側移及對應的深度圖

圖6（a）為灌注樁樁頂在不同開挖深度下的水平位移。由圖6可知：①樁頂水平位移表現出隨著開挖深度的增大而減小的趨勢，這說明樁頂水平位移的大小主要取決于初期懸臂開挖的深度及首道支撐的位置和剛度，初期懸臂開挖量越大，樁頂的水平位移量也越大。由于首道鋼筋混凝土支撐的剛度較大，能夠很好地約束樁體上部的變形，隨著開挖深度增加，樁體變形向下發展，上部樁體在鋼筋混凝土支撐的作用下出現一定的變形回復，樁頂的水平位移減小；②減小初期基坑懸臂開挖深度，盡量將支撐設在圍護結構頂部對于減小基坑圍護結構頂部的水平位移具有積極的意義。

圖6 灌注樁圍護結構頂在不同開挖深度下的豎向位移

圖6（b）為灌注樁樁頂在不同開挖深度下的豎向位移。由圖6（b）可知：①受開挖卸載的影響，灌注樁樁頂的豎向位移表現為回彈；②隨著開挖深度的增大，樁頂回彈呈現出先線性增長，后趨于穩定的趨勢。

5 結論

應用PLAXIS有限元分析軟件對江蘇南京世紀花園超深基坑的圍護結構變形隨開挖深度變化的規律進行了分析。主要結論如下：

（1）圍護結構的側向位移隨開挖深度增加而增大，且隨著開挖深度增加，圍護結構變形增長的速度加快；圍護結構最大側移的深度一般位于開挖面附近，隨開挖深度增加而不斷向下移動；圍護結構水平位移隨著開挖深度的增大而減小，圍護結構頂最大側移的大小主要取決于初期懸臂開挖的深度及首道支撐的位置和剛度；（2）圍護結構頂的豎向位移表現為回彈，隨著開挖深度的增加，圍護結構頂的豎向位移呈現出先線性增長，后趨于穩定的趨勢。

[1]王平,王衛東,王子江.深基坑圍護技術指南[M].北京:中國建筑工業出版社,2012.

[2]王京，曹代勇，趙珍梅.基于GIS的線性構造異常和裂縫綜合分析[J].物探與化探,2012,36(1):33-38.

[3]李遠強.探地雷達探測地裂縫的幾個實例[J].物探與化探, 2012,36(4):651-654.

[4]中國土本工程學會土力學及巖土工程學會.深基坑支護技術指南[M].北京:中國建筑工業出版社,2012.

[5]胡光云,余日勇,胡一池.城市中心超深基坑工程變形控制的設計[J].山西建筑,2009，35(19)：89-90.

[6]Brinkgreve R B J.Selection of Soil Models and Parameters for GeotechnicalEngineering Application[R].Soils Constitutive Models，Proceedings of the Sessions of the Geo-Frontiers 2005 Congress,ASCE,Austin,Texas:69-98.

[7]徐中華,王建華,王衛東.軟土地區采用灌注樁擋土的深基坑工程變形性狀研究[J].巖土力學,2009,30(5):1362-1366.

TU473

A

1004-5716(2015)01-0015-05

2014-02-21

陳忠（1968-），男（漢族），江蘇海安人，高級工程師，現從事巖土工程的生產、管理和科研工作。