對某軟土深基坑的開挖變形特性研究

張會軒 陳振相

引言

隨著城市發展的不斷加快，大量的深基坑工程不斷涌現。基坑的圍護體系不僅要保證基坑土體的穩定和變形，還要保證周邊建筑物、市政管線、道路等的安全與正常使用。一般來說，深基坑支護方案的選擇，重點是從支護體系的變形來考慮。然而，從目前多數基坑發生事故的原因來看，主要是對基坑開挖過程中變形控制的研究存在不足。

基坑工程的研究已有80年之久，研究的方法有：理論分析與模型預測法、經驗估算法、模型試驗法和數值仿真法等。現在看來，數值仿真的前景一片大好。隨著計算機的發展，計算軟件層出不窮，有很多軟件對基坑的開挖模擬有很好的效果，如：FLAC-3D、ANSYS、PLAXIS3D、MIDAS/GTS、ABAQUS等。本文擬通過大型通用數值軟件ABAQUS模擬武漢某深基坑開挖過程，并將結果與監測結果進行對比分析，得到的結果可為類似工程作參考。

1 工程概況

該軟土深基坑位于武漢市漢陽區。擬建場地為整體地下車庫，基坑東西長約165m，南北長約235m。地下車庫分二層和三層兩個部分，其中三層地庫部分位于基坑西南側，東西長約100m，南北長約145m。二層地庫支護設計深度9.9m，三層地庫支護設計深度13.9m。

2 地質概況與周邊環境

2.1 工程地質條件

擬建場地原為稻田地和水塘，現已回填。場地地貌單元屬于長江二級階地。地層根據鉆探揭露，包括人工填土層、第四系全新統湖相淤積層、第四系全新統沖積層、第四系上更新統沖積層、第四系殘積層、白堊～第三系泥質粉砂巖。其中對基坑支護降水有影響的地層主要為上部4層。該場地的土層參數見表1。

表1 土層基本物理力學參數

2.2 周邊環境情況

基坑北側：地庫外輪廓線距用地紅線約6.0m，西北角距北用地紅線約60.0m，紅線緊鄰在建梅林四街，中部紅線緊鄰預留軌道變電所用地；基坑東側：地庫外輪廓線距用地紅線約6.0m，紅線緊鄰在建梅林東路；基坑西側：地庫外輪廓線距用地紅線約21.0～27.0m，紅線緊鄰江城大道；基坑南側：距用地紅線約6.0～12.0m，紅線緊鄰在建梅林五街。基坑東側、南側、北側在建道路已建成，但尚未通車，道路兩側埋藏有燃氣、通訊、電力、雨水、污水等市政管線。

3 計算模型

綜合考慮工程周邊交通實際情況，地面超載和支護結構變形可能最大的地方，選取基坑三層地下室南側一剖面（I-J剖面）進行模擬分析。模型尺寸為：基坑開挖實際深度為13.9m，基坑開挖寬度取50m，模型寬高一般為開挖寬高的三四倍，模型的水平方向取200m，豎直方向取56m。根據工程實際深度和地質勘察資料，將土體按照不同材料分為5層，土體采用修正劍橋模型。模型簡圖如圖1所示。計算時施加邊界約束條件為：地面和基坑開挖面為自由邊界，不受任何約束，左右邊界受水平向位移約束，下邊界受到水平向和豎直向的雙向約束。樁土間的接觸采用Tie接觸。網格的劃分為：土體采用四節點平面應變單元（CPE4），內支撐與支護樁采用二維線性剪切應變單元（B21），網格總數量為11542個。在基坑開挖之前，基坑內土體已經受到了地球引力的影響，為了平衡地球對土體變形的影響，采用初始地應力平衡方法，給基坑模型所有土體一個重力。在基坑第一層開挖前建立*Geostatic分析步，輸入*initialconditions，type=stress，geostatic。

圖1 I-J剖面的土層劃分與支護情況

4 計算結果與監測結果對比

4.1 水平變形

圖2 測點C16處各工況下基坑水平變形隨深度變化對比圖

從圖2可以看出，本次數值模擬結果基坑水平方向變形的對比中，數值模擬結果和監測結果圖形相似，模擬數值和監測數據接近，說明這次模擬是成功的。隨著基坑的開挖，基坑的水平變形沿開挖深度方向，先增大后減小，再增大再減小，總體呈“拋物線型”。

4.2 墻后地表沉降

由圖3可以看出，本次數值模擬結果周圍地表沉降對比中，數值模擬結果和監測結果圖形相似，說明這次模擬是成功的。隨距基坑的距離增加，基坑周圍地表沉降變形先增大后減小，總體呈“凹槽形”。本次周圍地表沉降變形數值模擬的結果偏小，可能是因為模擬是理想下的施工條件，監測結果受施工因素的影響。

5 結論

本文通過有限元軟件ABAQUS模擬武漢某軟土深基坑開挖變形特性，并把模擬結果與監測結果進行對比，得出以下幾點結論：

圖3 測點C16處基坑周圍地表沉降隨距基坑距離變化對比圖

（1）隨著基坑的開挖，基坑的水平變形沿開挖深度方向，先增大后減小，再增大再減小，總體呈“拋物線型”。

（2）基坑周圍地表沉降，隨距基坑的距離增加，沉降變形先增大后減小，總體呈“凹槽形”。

（3）基坑開挖過程模擬得出的基坑變形與監測結果得出的圖形相似，說明用ABAQUS對軟土深基坑開挖過程模擬是可行的，以后類似工程可用ABAQUS模擬做預測，指導設計與施工。

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