深基坑開挖過程水平位移影響數值分析

賀湘靈（海峽（福建）交通工程設計有限公司，福建 福州 350000）

深基坑開挖過程水平位移影響數值分析

賀湘靈
（海峽（福建）交通工程設計有限公司，福建 福州 350000）

深基坑工程在進行開挖施工的過程中，勢必會對四周的建筑物、構筑物以及市政工程造成一定的影響，其中主要影響為深基坑的水平位移，水平位移超過一定限值，引起四周土體的不均勻沉降，導致建筑構筑物破壞。本文以某地鐵車站為研究對象，通過有限元軟件模擬了深基坑的開挖過程，得到了土體和支護結構隨著深基坑開挖的水平位移和受力的變化情況。通過對變形因素的討論，得出不同因素對變形影響的敏感性，從而找出影響變形的敏感因素，為設計優化提供了方法和依據。

深基坑；水平位移；有限元

引言

越來越多的城市建設正在探求地面空間、地上空間以及地下空間的整體開發，從根本上解決城市用地空間的不足和社會經濟發展之間的矛盾。對深基坑工程支護結構進行設計，依據基坑工程所處區域的周邊環境的要求，根據周圍環境的允許基坑變形值以及基坑土體性質，對基坑支護結構的水平位移進行分析計算。通常情況下，對于一般民用建筑而言，當建筑物的相對傾斜為1/300時，則會致使建筑結構外墻出現開裂的現象，當建筑物的相對傾斜超過1/150時，則會致使建筑物結構出現結構性破壞，嚴重危急建筑物使用安全[1]。

圖2-1 基坑橫剖面圖

1 數值模擬概述

巖土工程結構的數值解是依據滿足了基本方程與邊界條件的前提下共同推導得出的。差分法采用差分方程即代數方程的形式近似的代替了基本方程的形式，從而使對微分方程求解的問題便轉換成為了對高階代數方程組進行求解的問題[2]。FLAC3D是二維有限差分程序FLAC2D的擴展，采用ANSIC++語言編寫。該程序可以通過單個的流體質點的運動參數隨著時間的變化規律，以及相鄰質點問的這些參數的變化規律來對整個流場中的流體運動進行研究[3]。在本文數值模擬過程當中，分析模型選擇使用的二維有限元，土體本構關系選擇Druck-Prgaer模型，地下連續墻選擇使用梁單元，基坑支撐使用桿單元，基坑地下連續墻和土體之前的相互作用力通過選擇使用“滑動庫侖摩擦模型”進行模擬分析。

2 工程概況

本文通過對某地鐵車站的基坑工程作為研究對象。該地鐵車站的基坑工程擬定開挖深度為16.8m，開挖寬度為16.8m，開挖長度為199.5m。該基坑工程圍護結構的設計等級為一級，地面最大準許沉降值范圍為≤0.001H，基坑圍護結構的最大允許水平位移為≤0.0014H。因為該基坑工程的地址條件較為復雜并且存在較為豐富的地下水，所以基坑圍護結構選擇使用厚度為500mm的地下連續墻，該圍護長度為28.6m，入土深度為11.5m，橫向支撐選擇使用4道直徑600mm鋼管，豎向間距分別為5m、4m和4m。在基坑工程完成開挖之后適時安設鋼支撐并施加預應力與鋼支撐，預應力施加的原則是取50%的設計軸力，實際施工過程中，預應力施加大小可以根據實際需求進行一定范圍內的優化調整。

3 基坑水平變形影響分析

3.1 水平位移監測

在基坑開挖過程中對水平位移進行實時監測，監測數據分析中要注意的警戒標準有兩種，其一是最大允許值，其二是變化速率。這兩種指標中有一種達到警戒值都需要及時作出判斷，形成決策。根據《建筑基坑工程監測技術規范》

(GB50497.2009)要求，水平位移警戒標準值為：累計水平位移達30mm或水平位移5mm/d，累計沉降值達20mm或沉降速率達3mm/d[4]。

3.2 水平位移有限元結果

對基坑工程開挖施工的有限元模擬分析，不僅僅需要對基坑工程涉及的各種材料自

身非線性特征進行考量，而且需要充分考慮到基坑開挖所導致的途徑依賴性和非線性。本文選擇使用“空氣單元”的方法實現對該過程的模擬，對開挖掉的基坑微元賦以非常小的值，將“空氣單元”的荷載、質量、應變等參數均設置為零，不必重新進行網格劃分，提高模擬分析的效率[5]。

基坑開挖的過程是一個不斷屈服、流變的過程，也是土體和基坑圍護結構等結構不斷出現變形并且達到新平衡的過程。圖4-1給出了不同工況下基坑土體水平位移的有限元云圖。

圖4-1不同開挖階段基坑土體水平位移的有限元云圖

從以上云圖能夠得知，基坑土體開挖導致基坑周圍的大部分土體向坑內移動，基坑被動區土體最大水平位移通常情況之下都出現在基坑開挖面之下的一定距離，并且這個最大位移的產生位置隨著基坑開挖深度的不斷增加而逐漸往下發展，與被動區相對應的主動區土體水平向最大位移總體上略微向上偏一點且范圍較大。

表3-1 墻體水平位移監測值與模擬值對照表(mm)

圖3-1 不同入土深度下的墻體最大水平位移

對比數值模擬結果數據和實際監測數據可明顯地看出，不同開挖階段的水平位移模擬值都比相應的實測值大，施工完成后在墻體最大水平位移模擬值為24.48mm相對應的實測值為16.41mm，兩者相差8.07mm，這是由于模擬時所取模型及參數的不精確性造成的。對各步施工完成后的模擬值和實測值進行系統地對比分析，可得出兩者間存在一種比例關系，比例系數一般在1.5左右。

3.3 墻體入土深度影響分析

對于存在內支撐的基坑工程，嵌固深度的增加對于基坑側向變形和基坑地表沉降影響并不顯著，而且基坑圍護的入土深度直接和工程造價相關聯，所以，在滿足基坑整體穩定性的基礎之上，需要通過其他措施對墻體變形進行控制。圖3-1表示的是不同入土深度下的墻體最大水平位移。

圖3-2 不同支撐預應力下墻體變形曲線

3.4 支撐預應力影響分析

對鋼支撐分別施加大小不一的預應力進行模擬分析，得出基坑地表最大變形曲線如圖3-2所示。從圖中可以看出，施加在鋼支撐上的預應力值為75%設計軸力時，基坑墻體最大水平位移降低了40%，所以，對基坑支撐施加一定程度的預應力能夠有效控制墻體變形，當施加在鋼支撐上的預應力值超過75%設計軸力時，再增大預應力值對基坑變形的控制并沒有太多效果，所以比較合理的基坑支撐預應力施加值為設計軸力的50～70%。

4 結語

本文通過FLAC3D程序模擬某地鐵車站的深基坑工程開挖過程，因為土體模型受環境影響較大使數值模擬過程與實際工程結果有一定偏差，但有限元結果對深基坑工程仍有一定指導意義。通過有限元模擬分析可以得出，一旦基坑工程的嵌固深度大于0.9～1.0H，此時繼續增加入土深度并不會對基坑變形的降低起到作用，所以，只需要計算出基坑圍護結構的最小入土深度即可保證基坑的整體穩定性。如需改善基坑墻體的內外側土體受力情況，可以對支撐結構施加一定的預應力，以此增加主動土壓力，降低被動土體壓力，通過此手段對基坑工程的各項變形指標起到一個較為有效地控制效果。

[1]孫凱華, 譚勇強. 高層建筑物抗地表傾斜變形影響能力的初步分析[J]. 煤礦開采, 2009, 14(4):49-51.

[2]孫曉俐. 大連衡隆廣場深基坑工程穩定性數值模擬分析[D]. 桂林理工大學, 2012.

[3]許薇, 葛文璇. “結構力學”習題課的改革與探索[J]. 中國電力教育, 2012(25):56-56.

[4]GB50497-2009《建筑基坑工程監測技術規范》

[5]徐楊青, 王永寧, 程杰林. 模擬深基坑開挖和支護全過程的有限元數值分析[J]. 巖土力學, 2002, 23(z1).

G322

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1007-6344（2016）04-0323-02

賀湘靈（198401-），男，湖南長沙人，碩士研究生；