深基坑圍護結構變形實測及有限元分析

□文/閆偉 張亞楠 張立明

深基坑圍護結構變形實測及有限元分析

□文/閆偉 張亞楠 張立明

基于某深基坑工程，對實測圍護結構變形數據進行分析。采用彈性抗力法和有限元方法分別對基坑進行計算并將計算結果與實測變形數據進行對比。

深基坑；變形；實測；有限元分析；圍護結構

深基坑工程的復雜性決定了不可能采用理論解析計算圍護結構的變形、內力及周邊環境變形等。設計中通常采用平面桿系結構彈性支點法對圍護結構進行分析［1～2］，但是該方法對邊界條件的簡化可能造成較大誤差。數值計算方法可以考慮較復雜的邊界條件并采用較合理的土體本構模型對土體的力學性質進行模擬，可以較精確的計算圍護結構內力、變形及周邊環境的變形［3～4］。本文基于一個深基坑工程，采用常規設計方法和數值計算方法對圍護結構進行計算［5］并將計算結果與基坑實測值進行對比［6～7］，分析深基坑工程圍護結構的變形特性和各種計算方法的準確性。

1　工程概況

1.1基坑概況

天津某地下3層地鐵車站，車站主體結構標準段基坑深23.2 m，盾構井基坑深24.6 m，基坑平面尺寸約為20 m×151 m。車站主體基坑圍護結構采用整體剛度大、防水性能好的鋼筋混凝土連續墻，連續墻厚1 000 mm，十字鋼板接頭，墻長43.3 m（墻底3.9 m為素混凝土）。

基坑支撐體系采用5道混凝土撐，混凝土撐寬和高為900 mm×1 000 mm，從上至下支撐間距依次為4.5、4.5、3.5、5.5、4 m，水平間距為6 m，見圖1和圖2。

圖1　基坑標準段結構剖面

圖2　車站結構平面及支撐布置

1.2工程地質概況

站區地層主要為第四系全新統人工填土層（人工堆積），第Ⅰ陸相層（第四系全新統上組河床～河漫灘相沉積）、第Ⅰ海相層（第四系全新統中組淺海相沉積）、第Ⅱ陸相層（第四系全新統下組沼澤相沉積及河床～河漫灘相沉積）、第Ⅲ陸相層（第四系上更新統五組河床～河漫灘相沉積）、第Ⅱ海相層（第四系上更新統四組濱海～潮汐帶相沉積）、第Ⅳ陸相層（第四系上更新統三組河床～河漫灘相沉積）、第Ⅲ海相層（第四系上更新統二組淺海～濱海相沉積）、第Ⅴ陸相層（第四系上更新統一組河床～河漫灘相沉積）。

本場地地下水類型為第四系孔隙潛水，主要受大氣降水補給為主，以附近地表水系補給為輔。勘測期間地下水位埋深0.5～2.0 m（大沽高程1.61～-0.26 m）。賦存于第Ⅱ陸相層與第Ⅳ陸相層之間的粉土、砂土層中的地下水具微承壓性，為淺層承壓水。微承壓水以第Ⅱ陸相層1粉質粘土為隔水頂板。⑥2粉土、⑥4粉砂、⑦2粉土滲透系數0.5 m/d，⑨2粉土滲透系數1.0 m/d，⑨4粉砂滲透系數2.0 m/d，⑨5細砂滲透系數2.5 m/d，⑨9粉砂為主要含水地層，含水層厚度較大，分布相對穩定。勘測期間微承壓水穩定水位埋深約為3.22 m。

2　理論計算

本工程采用某基坑軟件進行設計，土層物理力學參數見表1。對基坑標準段進行計算，考慮坑外地面20 kPa超載。

表1　土層物理力學參數

各開挖步圍護結構水平位移見圖3。可以發現圍護結構水平位移均向基坑內部發展，水平位移最大值發生在基坑開挖面附近。基坑開挖較淺時圍護結構側向水平位移范圍較大，第一步開挖深度為4.5 m，圍護結構在15 m左右的范圍產生了較大的位移，約為開挖深度的3倍。而當基坑開挖至坑底，深度達到23.2 m時，圍護結構在33 m左右的范圍產生了較大的水平位移，約為基坑開挖深度的1.5倍。

圖3　設計軟件計算圍護結構水平位移

3　有限元計算

3.1有限元模型

采用有限元軟件Plaxis進行計算，模型整體尺寸為100 m×100 m。約束模型左右兩側水平位移和模型底部水平和豎向位移。

采用梁單元對地連墻進行模擬，墻與土界面折減系數為0.7。支撐采用桿單元進行模擬，支撐與樁之間為剛接。基坑外地面考慮一定范圍的20 kPa超載。

有限元模型中土體本構模型采用硬化模型（HS），根據天津地區軟土工程經驗，土體參數Eoed取Es1-2的3倍，回彈模量Eur取3Eoed。

3.2有限元計算結果

有限元計算基坑標準段各開挖步圍護結構水平位移見圖4。可以發現二者整體水平位移分布形式基本一致，但有限元計算的圍護結構水平位移與設計軟件按照彈性抗力法計算的結果相比，整體水平位移偏大并且圍護結構最大水平位移位置有限元計算的結果更靠近圍護結構底部。

彈性抗力法計算的圍護結構底部一定范圍水平位移幾乎為0，而有限元計算的圍護結構幾乎整體都發生了一定水平位移。

圖4　有限元計算圍護結構水平位移

4　計算及實測結果對比

本工程基坑變形監測從第二步土方開挖才開始，有部分變形未被監測到。CX1為基坑中部的監測點，測點監測結果見圖5。

圖5　CX1實測圍護結構水平位移

CX1測點整體水平位移較平滑，深部向坑內的水平位移也較合理，但頂部發生了向坑外的水平位移。分析其原因可能為測斜管的基點位于底部，地連墻整體發生向坑內的水平位移，導致了圍護結構頂部呈現出向坑外位移的現象。而圍護結構頂部向坑外的水平位移可能性比較小。因此認為圍護結構實際發生的水平位移應大于目前監測所得數值，工程監測過程中應及時對測斜數據進行修正，才能真正實時監測到圍護結構的變形情況。

另外，監測數據表明，在開挖初期時發生了整體的向坑內的水平位移，比理論計算的變形模式影響范圍更大。經與現場施工人員了解，現場在第一道混凝土支撐施工前即開始基坑降水，完成支撐施工并達到設計強度后才開始進行土方開挖。分析其原因為在未進行有效支撐的情況下，在坑內進行疏干降水，坑內土體由于失水發生收縮，導致圍護結構向基坑內部發生水平位移。

圖6-圖8為第三步到第五步開挖圍護結構水平位移計算與實測對比。可以發現有限元計算的圍護結構水平位移分布形式以及相應變形值與實測結果擬合較好，而設計軟件中采用彈性抗力法計算低估了圍護結構的水平位移。

分析其原因為一方面由于基坑工程的復雜性，彈性抗力法的簡化導致了計算與實際情況的差別較大；另一方面，按照勘察報告中取用的m值偏高并且越是下部力學性質較好的土層m值取值較合理值更大，導致了按照彈性抗力法計算整體水平位移偏小并且圍護結構下部水平位移發揮很小的變形模式。

圖6　第三步開挖計算與實測對比

圖7　第四步開挖計算與實測對比

圖8　第五步開挖計算與實測對比

5　結論

1）采用常規彈性抗力法對圍護結構水平位移進行計算很可能低估圍護結構的水平位移，可采取對勘察所得的m值進行適當折減的方法更準確的估算圍護結構的水平位移。

2）根據勘察報告提供參數按照常規經驗進行取值，有限元計算可以較好的模擬基坑圍護結構的水平位移。

3）實測結果表明，每一步土方開挖后，圍護結構的最大水平位移均發生在開挖面下部3～5 m左右的位置。

4）在基坑支撐施工前進行降水會導致地連墻向坑內產生較大的水平位移，不利于圍護結構水平位移及對坑外變形的控制。建議在基坑支撐達到設計強度后方可進行降水施工。

［1］JGJ 120—2012，建筑基坑支護技術規程［S］.

［2］LONG M.Database for retaining wall and ground movements due to deep excavations［J］.Journal ofGeotechnical and Geoenvironmental Engineering，2001，127（3）：203-224.

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［4］孫凱，許振剛，劉庭金，等.深基坑的施工監測及其數值模擬分析［J］.巖石力學與工程學報，2004，23（2）：293-298.

［5］GB 50911—2013，城市軌道交通工程監測技術規范［S］.

［6］安關峰，宋二祥.廣州地鐵琶州塔站工程基坑監測分析［J］.巖土工程學報，2005，27（3）：333-337.

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□張亞楠/中國民航大學。

□張立明/天津軌道交通集團有限公司。

U231+.3

C

1008-3197（2016）02-45-03

中國民航大學科科研啟動基金（2013QD10X）；中央高校基本科研業務費項目（3122015C019）

2016-02-05

閆偉/男，1982年出生，工程師，博士，天津市地下鐵道集團有限公司，從事路橋、隧道施工及理論研究工作。

□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2016.02.015