圍護厚度對深基坑變形影響的分析

黃 偉，毛 毳，吳愫瓊

(1. 天津城建大學 土木工程學院，天津 300384；2. 天津市房屋質量安全鑒定檢測中心 事業二部，天津 300385)

圍護厚度對深基坑變形影響的分析

黃 偉1，毛 毳1，吳愫瓊2

(1. 天津城建大學 土木工程學院，天津 300384；2. 天津市房屋質量安全鑒定檢測中心 事業二部，天津 300385)

在圍護結構厚度對深基坑變形的影響方面，目前的研究結果多集中在基坑某個部位的厚度變化對基坑水平位移的影響．以天津某地鐵站基坑工程實例為背景，在對開挖過程進行三維數值模擬的基礎上，沿基坑長度方向選取多個剖面進行分析，重點研究了圍護厚度對基坑水平位移，基底隆起和坑外地表沉降這三種主要變形的影響．結果發現：圍護厚度對這三種基坑變形都有不同程度的影響，其中對基坑隆起和地表沉降這兩種變形的影響相當且最小，而對基坑水平位移的影響最大．圍護厚度對這三種基坑變形的影響沿基坑長度方向各不相同并有如下規律：在基坑變形越大的部位，圍護厚度對此處基坑的水平位移和基坑隆起這兩種變形的影響也越大，而對此處地表沉降的影響卻越小，反之亦然．

深基坑；三維數值模擬；圍護厚度；變形影響

在深基坑開挖過程中，圍護結構本身的截面尺寸是影響基坑變形的重要因素之一[1]．目前，對這方面的研究主要集中在圍護結構厚度對基坑變形的影響方面[2-5]，而且基本上都只是選取了基坑中某個部位，研究圍護結構厚度對基坑水平位移的影響．這種單一剖面的研究不能全面反映基坑每個部位隨厚度變化的變形情況，也沒有完整地體現出基坑其他變形的情況．本文以天津某地鐵基坑工程實例為背景，運用ANSYS有限元分析軟件[6]，模擬了圍護結構厚度的變化對基坑開挖過程中基坑水平位移、基底隆起位移和坑外地表沉降位移的影響，并選取多個剖面進行研究，得出圍護厚度對基坑不同部位變形的影響規律．

1 工程概況

本工程是能代表我國一般地鐵基坑尺寸的長條形深大基坑，如圖1所示．基坑總長度為 212,m，標準段總寬 20,m，深度 16.5,m，而端頭井處深度18.12,m，整個基坑東西對稱．基坑圍護結構采用鉆孔咬合灌注樁，標準段樁總長 28.5,m，其中進入坑底土中深度 12,m；端頭井處樁總長 31.12,m，其中進入坑底土中 13,m；圍護結構的插入比均為0.7．圍護結構采用內支撐體系，鋼管支撐間距為3,m．

圖1 基坑平面圖(單位：m)

2 有限元模型的建立

2.1 模型尺寸

此基坑東西對稱，故選取一半建立有限元模型．基坑端頭井開挖寬度 25,m，深度 18.12,m，長度15,m；標準段開挖寬度20,m，深度16.5,m，長度91,m．所以選擇總計算寬度為 180,m，深度為50,m，長度為150,m，滿足3～5倍開挖深度的影響范圍要求[7]．則該基坑計算域尺寸為 150(x)×50 (y)×180(z)．

2.2 荷載與約束條件

荷載：為便于計算，模型中以土的自重應力作為初始地應力，通過 acle設置反向的重力加速度 g＝9.8,m/s2來完成．

邊界條件：下邊界面，即 y＝-50.0,m處，設約束 x、y、z三個方向位移；對稱邊界面，即 x＝106,m處和 x＝-44,m邊界面處，設約束 x方向位移；在z＝-90.0,m處和z＝90.0,m處邊界面處，設約束z方向位移．

2.3 材料常數

2.3.1 土體常數

依據工程勘察報告的數據，將基坑的土體簡化為11層，相應的物理力學參數如表1所示．

表1 土體常規物理力學指標

2.3.2 土的本構模型及屈服準則

本文中采用 Drucker-Prager[8]模型作為巖土體的本構模型，D-P屈服面在主應力空間中表現為一曲面，其表達式為

式中：f為塑性勢函數； I1(σij)為應力張量第一不變量；I2(Sij)為應力偏張量第二不變量；α，k為材料常數，是材料 c，φ的函數，而φ，c分別為材料的內摩擦角和黏聚力．

2.3.3 單元的選用

文中運用抗彎剛度相等的方法將鉆孔咬合灌注樁等效為一定厚度的地下連續墻進行分析．研究表明：按此等效的地下連續墻，計算結果偏于安全[9]．采用實體單元 solid65模擬地下連續墻．土體則選用 solid45單元模擬，支撐使用梁單元Beam188．

基坑三維網格模型如圖2所示，其圍護結構的三維模型如圖3所示．

圖2 基坑三維網格模型

圖3 圍護結構三維模型

3 開挖施工過程的模擬

基坑開挖按照實際施工形式進行模擬．即首先從端頭井處開始，然后分段、分層進行開挖，共分5個施工段進行．其中端頭井處架設 5道支撐，開挖層數從上到下分為 2.2，6.3，10.0，14.0，16.5，18.1,m 5層．標準段處架設 4道支撐，開挖層數從上到下相應分為 2.2，6.3，10.0，14.0，16.5,m 4層．圖4為分步開挖示意圖．

圖4 基坑開挖順序示意

基坑施工過程中的分步開挖使用生死單元進行模擬．通過使用Ekill命令殺死被開挖的土體單元，來實現基坑的開挖過程；通過使用Elive命令激活支撐單元，來實現其單元剛度矩陣參與到整體矩陣的形成中．

4 圍護厚度對基坑變形的影響分析

相對端頭井而言，標準段很長，是基坑的主要部分，也是本文的研究對象．具體方法是在標準段長度方向上選取多個剖切面，通過研究這些剖面處的基坑最大變形值和相應變化率隨圍護厚度變化的變化特征，得出厚度對基坑變形的影響結果．圍護結構的厚度分別取實際工程中常用的 0.90，1.0，1.1，1.2，1.3,m 這五個數值，其他參數不變．同時設U＝(A-B)/A，其中A代表厚度變化前基坑變形值，B代表厚度變化后基坑變形值，U代表基坑變形的變化率．

4.1 圍護結構的厚度對基坑隆起的影響

(1)圍護厚度不同時基坑最大隆起曲線如圖5所示．從圖5可以看出，隨著圍護結構厚度的增加，各剖面處基坑最大隆起量都不斷減少．這說明可通過改變圍護結構的厚度，來分析厚度變化對基坑變形的影響．圍護結構厚度的增加可以起到減小基坑隆起的作用．分析應是由于圍護厚度的增加使得基坑外周圍土體向坑內的塑性位移減小導致．

圖5 不同圍護厚度時基坑最大隆起的變化曲線

(2)圍護厚度變化范圍不同時基坑隆起的變化率曲線如圖6所示．從圖6可以看出，各條曲線都有如下規律：隨著剖切面由近到遠，基坑隆起的變化率先大幅度減小、后小幅度回升．說明在隆起變形方面，圍護厚度對基坑標準段各部分的影響不盡相同，并且對靠近端頭井處的部分影響最大，而對中間段的影響相對較小．分析應該是由于端頭井處開挖深度和寬度都大于標準段部，對圍護厚度的變化更為敏感，導致靠近端頭井部分的標準段也受此影響．

圖6 不同圍護厚度下相同增量時基坑隆起變化率的變化曲線

(3)對比圖5和圖6可以發現：隨著剖切面由近到遠，兩個圖中各曲線的起伏變化規律近似一致．說明基坑的隆起變形越大，圍護厚度對基坑隆起變形的影響就越大，反之亦然．分析原因應該是隆起量越大，圍護結構周圍土體向坑內的塑性位移越容易發生．

4.2 圍護結構的厚度對地表沉降的影響

(1)圖7為圍護厚度不同時地表沉降最大值曲線．從圖7中可以看出，隨著圍護結構厚度增加，各剖面處的地表最大沉降均呈減小趨勢．說明圍護結構厚度的增加可以起到減小地表沉降的效果．分析應是由于圍護厚度的增加使得圍護結構向基坑內側的位移減小導致基坑外側土體下降空間變窄所致．

圖7 不同圍護厚度時地表沉降最大值的變化曲線

(2)圖8為圍護厚度變化范圍不同時地表沉降的變化率曲線．圖8中可以看出，各條曲線都有如下規律：隨著剖切面由近到遠，地表沉降的變化率越來越小．說明標準段中離端頭井越遠的部分，圍護厚度對地表沉降的影響越小．分析原因主要是由于端頭井處開挖深度和寬度都大于標準段部，對圍護厚度的變化更為敏感，導致靠近端頭井部分的標準段也受此影響．

圖8 不同圍護厚度下相同增量時地表沉降變化率的變化曲線

(3)對比圖7和圖8可以發現：隨著剖切面由近到遠，兩個圖中各曲線的起伏變化規律近似相反．說明基坑的地表沉降越大，圍護厚度對基坑地表沉降的影響就越小，反之亦然．分析原因應該是引起基坑地表沉降的周圍土體是一個大面積的范圍，地表沉降越大，圍護厚度的變化對其影響越不敏感．

4.3 圍護結構的厚度對圍護結構變形的影響

(1)圖9為圍護厚度不同時最大水平位移曲線．從圖9可以看出，隨著圍護厚度的增加，各剖面處基坑的最大水平位移均呈減少趨勢．這說明圍護厚度的增加可以起到減小水平位移的效果．主要原因是隨著厚度增加，圍護結構自身抗側移剛度越大，水平位移自然越小．

圖9 不同圍護厚度時基坑最大水平位移的變化曲線

(2)圖10為圍護厚度變化范圍不同時水平位移的變化率曲線．從圖10可以看出，各條曲線都有如下規律：基坑水平位移的變化率呈現中間大兩端小的規律．說明在水平位移方面，圍護厚度的變化對靠近端頭井和中間段處的影響相對較小，而對這兩者之間的部分的影響相對較大．分析原因應該是端頭井處的角部效應[10]導致圍護結構在此處的水平位移不會隨厚度變化而有明顯的改變．

(3)對比圖9和圖10可以發現：隨著剖切面由近到遠，兩個圖中各曲線的起伏變化規律近似一致．說明基坑的水平位移越大，圍護厚度對基坑水平位移的影響就越大，反之亦然．這是因為基坑的水平位移越大，抗側剛度越差，自然對圍護厚度的變化也比較敏感．

圖10 不同圍護厚度下相同增量時水平位移變化率的變化曲線

對比圖6、圖8和圖10可以發現：基坑隆起的變化率在 0.7%,～1.0%,，地表沉降的變化率在0.9%,～1.1%,，水平位移的變化率在 5%,～13%,．說明圍護厚度對基坑隆起和地表沉降這兩種變形的影響程度相當，而對基坑水平位移變形的影響最大．

5 結 論

(1)增加圍護結構的厚度，對基坑的三種主要變形都可以起到減少的作用．其中作用最明顯的是對圍護結構水平位移的影響，而作用最小的是對基坑隆起的影響．因此，在實際基坑變形控制中不應忽略厚度變化對地表沉降、基坑隆起以及水平位移的影響，并應根據影響大小區別對待．

(2)在基坑的三種主要變形方面，圍護結構的厚度對基坑影響最大的部分都不盡相同：其中對基坑隆起和地表沉降影響最大的部位在靠近端頭井處，而對水平位移影響最大的部位，既不在靠近端頭井處，也不在基坑中間部位，而是在這兩者之間的某個部分．所以在考慮厚度對基坑變形的影響時，對所有變形都選擇同一部位來進行研究是不全面的，應根據變形的種類選擇相應的部位．

(3)圍護厚度對基坑各部分變形的影響與基坑相應部分變形的大小有著直接的關系．在基坑變形越大的部位，圍護厚度對此處基坑的水平位移和基坑隆起這兩種變形的影響也越大，而對此處地表沉降的影響卻越小，反之亦然．根據此結論可以直接通過基坑各部分變形的大小來推斷厚度對基坑各部分變形的影響大小，對實際工程有一定的指導意義．

［1］ 宋 宇，張向東. 基于 ADINA的深基坑支護結構變形影響因素分析[J]. 施工技術，2007，36(11)：57-59.

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Analysis of Influence on Deformation of Envelope Thickness to Bilateral Deep Excavations

HUANG Wei1，MAO Cui1，WU Suqiong2
(1. College of Civil Engineering，TCU，Tianjin 300384，China；2. Division TWO，Tianjin Building Safety Appraisa& Inspection Center，Tianjin 300385，China)

In the influence of the thickness of the retaining structure on the deformation of deep foundation pit，the results of the present study are mostly concentrated on the influence of the thickness of the foundation ditch on the horizontal displacement of the foundation pit．Based on the case of a metro station in Tianjin city，the paper analyzes the three dimensional numerical simulation of the excavation process，and analyzes the influence of the thickness of the retaining wall on the horizontal displacement of foundation pit，the base heave and the settlement of the foundation pit．The results show that the deformation of the three kinds of foundation pit has different degrees，and the horizontal displacement and surface settlement of the two kinds of deformation are very important，but the deformation of foundation pit is minimum．The deformation of foundation pit is different and has the following rules：In the pit deformation of the site，the thickness of the foundation pit of the horizontal displacement and excavation of the two deformation of the impact is greater，and the impact of the surface subsidence is smaller，and vice versa.

deep foundation pit；3d numerical simulatio；envelope thickness；deformation effect

TU473.2

A

2095-719X(2016)05-0334-05

2015-10-19；

2015-12-05

黃 偉（1983—），男，湖北荊州人，天津城建大學碩士生.