超深大基坑支護設計原理及三維有限元數值分析

何首文

(山西一建集團有限公司，侯馬　043003)

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超深大基坑支護設計原理及三維有限元數值分析

何首文

(山西一建集團有限公司，侯馬043003)

隨著我國經濟的高速發展，城市可以利用的空間越來越少，這就要求更多的建筑開始向地下發展，深基坑支護在城市建設中頻繁使用，如何保證深基坑的安全性、合理性已經成為深基坑設計中的重要問題。本文結合工程實例，利用巖土計算軟件理正深基坑7.0和有限元分析軟件Midas-GTS對基坑的安全性進行分析，其支護結構設計和三維有限元分析結果其分析結果可為優化設計和施工提供有益參考，為類似工程提供借鑒。

深基坑；支護；理正；有限元模擬

1　引言

深基坑支護結構的最根本要求就是“安全、造價低、施工方便”，這是全面考察主體結構的表現，如水位高低的波動、現場環境的變動等。將多種支護結構設計相對比，從中選擇最適合該施工情況的支護形式[1-4]。由于深基坑工程屬于危險性工程，稍有不慎，將對人們的生命安全和財產安全造成嚴重影響，其造成的后果不可估量[5-8]。因此，在深基坑開挖的過程中，需要充分考慮基坑開挖造成的位移和穩定性，尤其是深大基坑的施工；在基坑開挖過程中如何對保證深基坑開挖的位移和穩定性成為其施工最大難點。

2　工程概況

該深大基坑工程位于山西省某地，該項目擬建3棟商住樓，其中中心塔樓25層，基坑邊裙樓6層，地下室3層。本基坑的土層以粉土和砂土居多，巖土參數見表1。故本基坑需充分考慮水文地質條件和經濟成本原因，結合專家意見，選取鉆孔灌注樁方案，采用直徑為鉆孔灌注樁，其間距為1 250mm，外加三軸攪拌樁。為了防止由于基坑開挖引起的鉆孔灌注樁側向位移過大、地基土變形，合理確定基坑的開挖工況、支撐的程序尤為重要。深基坑的開挖深度與最下道鋼支撐到坑底的距離不能過大。在全面整合研討之后，可以四步來豎向開挖深基坑，配置3道鋼支撐，支撐材料則選取直徑為106mm，壁厚16mm的鋼管。深基坑支護平面布置見圖1所示。

巖土參數力學表如表1所示。

3　深基坑支護原理分析

利用有限元方法來計算板樁結構的原理及模式如圖2所示，它的主要原理是將彈性地基梁繞中心位置旋轉90°，然后將挖面以上的土體彈簧單元移動到非工作結構處。墻后具有支撐墻體的結構，該結構在支撐的過程中同時受到主動土壓力的作用，對于墻體前需要被施工的土及鋼結構的支撐結構為彈性地基。根據就近單元原則對墻體上的土承受的壓力進行排列劃分，從而將單元簡化為單元節點上的一點，然后對該點的集中力載荷進行分析。對于同樣區域的土下部分土體的彈簧載荷分析的原理與墻體相似，也是對土體的就近單元進行劃分，然后將載荷分析簡化為對某個節點的集中力荷載分析，其節點上承受彈性支撐力，然后利用有限元的相關原理和計算方法來對支護墻體進行載荷研究和穩定性分析，如圖2所示。

圖1　深基坑支護平面布置圖

表1　巖土參數力學表

上述的分析過程可以簡要地表述如下：首先將分析土域的土體以及其支撐架構當作彈性支撐，然后利用墻體與支撐結構的共同協調作用可知，它們將同時變形，因此利用同時變形的原理對支護結構的分析結果是相對比較準確的。

排樁加內支撐的結構形式確定基坑開挖施工工況是確保工程進行的前提，根據在實際施工過程中的基坑開挖的進度情況以確定支護結構開挖過程中的受力計算簡圖。

圖2　深基坑有限元計算模式

4　深基坑支護有限分析

土體主要由固體、液體、氣體三相結構組成的一種復雜體，土體的本構關系主要是指其對應的應力與應變之間的關系。土體的組成元素相對比較復雜同時成分之間的離散性較大，由于元素之間的物理性能差距較大，因此對于土體整體來說其具有非線性、粘塑性等物理性質。國內外對土體的本構關系研究已經有幾十年的經驗了，在相關的研究理論的發展中專家提出了上百種關于土體本構的研究模型，并且在實際的工程應用實踐中將已經成熟的研究理論引入了進去。同時人們利用先進的計算機編程的方式來建立相關的數學模型，逐步引入數值分析技術以解決一些工程中的實際問題。在土體相關關系從理論研究發展到實際的應用過程中，成熟的理論及研究模型要被人們認可并且應用實踐中是十分有限的。

4.1深基坑開挖有限元模擬過程

該施工模擬過程主要分三步進行，其在開挖過程中主要采用“空單元”法來進行。其主要的計算過程及步驟如下：

對深基坑施加足夠重力載荷的同時計算其初始的應力場和位移場。如圖3所示。

圖3　深基坑支護有限分析模型

第一次開挖的深度為1.2m，開挖過后的深基坑單元用“空單元”來表示，并對該過程中產生的應力場和位移場進行分析和計算。

設置第一道支撐，第二次開挖的深度為6.7m，開挖過后的深基坑單元用“空單元”來表示，并對該過程中產生的應力場和位移場進行分析和計算。

設置第二道支撐，第三次開挖深度為12.2m，開挖過后的深基坑單元用“空單元”來表示，并對該過程中產生的應力場和位移場進行分析和計算。

設置第三道支撐，第四次開挖深度為15.5m，開挖過后的深基坑單元用“空單元”來表示，并對該過程中產生的應力場和位移場進行分析和計算。

4.2深基坑開挖有限元分析結果

從圖4的位移圖中分析可知，圍護樁支付體系的水平位移在一定的范圍內，本次模擬試驗中其水平位移在30m以內，其中第一次開挖過程中其基本不發生水平位移，第二次開挖過程中其可能產生在坑底處8mm左右的水平位移，第三次開挖出現的水平位移高達18mm，本次水平位移發生的位置集中在距離坑深6m左右的位置，而到了第四次開挖，本次產生的水平位移達到了23mm左右，該水平位移主要發生在距離坑底8m處。

圖4　深基坑支護結構水平位移對比圖

各次開挖過程中圍護樁的彎矩會發生如圖5的變化。

在具體的工程實踐應用中，如本次的深基坑開挖工程中圍護樁承受土體的水平載荷而發生的彎矩會隨著開挖深度的加深而不斷增大，同時支撐土體的支撐結構受到的彎矩也在不斷增加，通過以上的分析我們知道最大彎矩值發生在第四次開挖過程中，其值為-1839KN/m，將該彎矩值與圍護樁所能承受的彎矩極限值比較，整個開挖過程中圍護樁的結構性能基本上能得到保障。同時在施工過程中不斷增加開挖深度，其支撐的支護樁的正、負向的彎矩也會不斷地增大，因此為了保障施工過程的安全性，必須增加施工的截面尺寸，同時向支護樁中配置鋼筋以增強其支撐力，另外圍護樁中的雙向配筋也能起到對施工過程中的安全性能加固的作用，能夠充分抵抗樁身彎矩的變化而產生的影響。

圖5　圍護樁開挖彎矩圖

同時對于支護樁的安裝也需要滿足一定的安全要求，如支護結構應該埋深的深度問題，如果埋深的深度增加其支護樁的側向位移將會減少。當支護樁的埋深深度得到了保障后，在施工過程中其發生的最大位移一般處于開挖面附近，因此如果此時繼續對支護結構增加埋深深度，其起到的抵抗基坑變形的能力并不會得到明顯的提高。

通過國內外相關專家的不斷研究，發現在保證基坑底部不隆起以及支護樁的埋深深度滿足條件最小的情況下，其圍護樁的位移量與支護樁的埋深深度并沒有太大的關系。因此在選擇支護樁的埋深深度的時候主要考慮其正、負向的彎矩值，以保證其在施工過程中能夠充分利用材料實現對樁的優化設計。

在開挖過程中深基坑底部出現隆起的主要原因是在土體卸載過程中其原始的應力狀態發生了相應的變化。在整個開挖過程中其隆起值的曲線圖如圖6所示。從圖中可以知道其基坑中心為水平距離的零點，基坑的總寬度為18m。

通過對圖6的曲線圖分析可知，基坑底部的隆起量會隨著開挖深度的增加而不斷增加，大約在基坑深度的中間位置其發生的隆起量最大，基坑側壁依靠圍護樁的保護以及約束因此其隆起量相對較小而忽略。第四次開挖過程中基坑深度的中間位置的隆起量為7.86mm，本次的工程實踐中坑底隆起量的變化基本上是均勻的，沒有出現較大幅度隆起起伏。因此整個施工過程中坑底隆起處于彈性工作狀態，整個工程環境安全不會因為隆起而發生基坑破壞。

圖7　樁外土體沉降圖

施工中圍護樁外部的土體產生的變形曲線圖如圖7所示。

5　結論

在水平壓力的作用下開挖后的基坑會使其支撐的圍護樁發生一定的變形，從而使得整個施工區域除圍護樁以內的土體出現沉降，隨著開挖深度的深入，土體的沉降量越來越大，其最大的沉降量為21mm，而靠近樁附近的土體因為受到圍護樁或者支護樁的保護其沉降量不明顯；反之施工土體距離基坑越遠開挖效果對其沉降的影響也越小，其在坑深3倍處位置的變形量區域平穩。

水的因素是影響基坑安全的性的最重要的影響，本文在建立有限元分析模型時對水位進行了設置，研究在水位變化的情況下基坑圍護結構的位移和基坑外側土體的沉降。

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Super Deep Foundation Pit Supporting Design Principle and the Three-dimensional Finite Element Numerical Analysis

He Shouwen

(ShanxiFirstConstructionGroupCo.，Ltd.，Houma043003，China)

Along with the rapid development of economy in our country，the space that a city can take advantage of becomes less and less.Thus,it is necessary to develop underground buildings，using deep foundation pit supporting. How to guarantee the security and the rationality of the deep foundation pit has become the important problem in the design of deep foundation pit.Based on the engineering example and using the calculation software of geotechnical principle of deep foundation pit and the finite element analysis software Midas GTS-7.0 to analyze the security of foundation pit, its analysis results can provide reference for optimization design and construction of similar projects.

Deep Foundation Pit；Support；Richard；Finite Element Simulation

何首文(1976-)，男，工程師。主要從事建筑工程檢測工作。

TU472

A

1674-7461(2016)01-0075-05

10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2016.01.13