軟土地區考慮時間效應的深基坑支護數值分析

張祖林

（上海坤茂置業有限公司，上海市 200080）

0 引言

隨著我國經濟的高速發展以及城市快速化，近年來，城市的空間資源緊張問題、環境問題已經越來越明顯，因此急需大力加強對城市地下空間的利用。然而，在地下空間開發相對較為密集的中心城區，深基坑工程的設計和施工常常面臨著周邊道路市政管線密布，臨近建筑物眾多，緊鄰地鐵車站或隧道等嚴苛的環境因素[1-3]。另外，在軟土地區，尤其是沿海陸地相沉積區域，地層中多賦存靈敏度較高的淤泥質軟土，易引起基坑支護系統變形、內力增大，基坑開挖施工期間的時間效應尤為顯著[4-5]，事故發生的概率較大。

軟土的土體應力應變和時間的關系主要體現在兩個方面：一方面是土的固結，另一方面是土的流變性，即軟土地區深基坑的變形和穩定性均為時間的函數[6]。傳統基坑設計通常是基于瞬時設計概念，但對于規模較大、暴露時間較長的深大基坑，為了減小基坑開挖對周邊環境的影響，應考慮土體固結、流變特性等因素對方案模型進行全面的科學分析討論，以指導深大基坑的設計施工規劃部署工作。本文結合軟土地區某深大基坑工程案例，通過數值模型綜合分析討論時間效應下基坑的變形規律，并結合施工工期、工程量、開挖對環境的影響等因素，對基坑設計方案進行合理地調整優化分析，為相似軟土地區深大基坑工程實踐提供參考。

1 工程概況

1.1 環境與水文地質概況

上海軟土地區某深基坑工程，普遍開挖深度25.0 m，整體設置五層地下室，開挖面積1.99萬m2。本項目周邊環境見圖1，基坑四周均為市政主干道，道路下管線較多，臨近既有建筑及地下隧道，環境保護要求非常高。

圖1 基坑周邊環境示意圖

本工程位于長江三角洲入海口東南前緣，屬三角洲沖積平原，場地處于古河道地層沉積區。場地內第③、④層均屬于高壓縮性土，具有含水量高、孔隙比大、壓縮模量小等特性的軟弱土層。呈飽和、流塑狀態，這兩層土抗剪強度低，靈敏度中～高，具有觸變性和流變性特點，是上海地區最為軟弱的土層。另外需注意，場地內局部分布③t黏質粉土夾層，根據已有研究，在滲透性較小的粘性土層夾透水性較好的砂粉層時，軟土固結對基坑變形的影響明顯。本項目場地中第③、④層軟土厚達9.3～16.2 m，應特別注意淤泥質黏土對基坑開挖的影響，盡量避免對主動區土體的擾動。典型地層剖面見圖2。

圖2 典型地層剖面圖

1.2 初步方案要點

本項目土方開挖量大，施工周期長，且周邊環境復雜，主要特點及難點有：（1）深大基坑穩定性問題嚴峻；（2）普遍區域坑底抗⑤2層微承壓水、塔樓區域坑底抗⑦層承壓水穩定性不滿足要求，地下水控制難度大；（3）場地內厚填土、地下障礙物、軟弱土層、易產生管涌流砂土層等不良地質問題多；（4）周邊環境復雜，尤其是西側道路下隧道，距離基坑圍護內邊線最近約18.5 m，根據相關部門及規范[7-8]規定，基坑施工期間隧道變形累計值不超過15 mm，對設計施工又是一大挑戰。

經與各方討論協商，本項目基坑初步設計采用地下連續墻+五道鋼筋混凝土內支撐的的支護形式，分區順作開挖。地下連續墻厚度為1 200 mm，考慮⑤2層微承壓水的控制，地墻普遍長度為55.5 m。為加強被動區土體抗力同時減少基坑施工產生的變形，在基坑臨近地下隧道區域設置寬8.8 m的三軸水泥土攪拌樁裙邊加固，其余三側設置寬6.8 m的裙邊加固。典型基坑支護結構剖面見圖3。

圖3 基坑支護典型剖面圖（單位：mm）

2 數值模型分析

基坑工程嚴格來講是一個三維空間問題，但本文中的重點考慮基坑開挖的時間效應，空間效應可忽略，且二維計算結果通常偏大，對方案分析留有一定的冗余度，具有較高的參考價值，故本文建模采用PLAXIS 2D有限元軟件進行模擬。在眾多土體本構模型中，硬化類彈塑性模型能考慮軟黏土硬化特征、能區分加荷和卸荷的區別且其剛度依賴于應力歷史和應力路徑，試驗和分析研究表明HS-Small模型能較好的模擬基坑開挖對周邊環境的影響[9]。為探討流變對基坑工程的影響，對軟土層選取軟土蠕變模型，結合Biot固結理論有限元方程討論時間效應下土體的內力變形特性。

2.1 計算模型

限于篇幅，本文重點介紹西側靠近地下隧道一側基坑開挖對環境影響的數值模擬。分析模型的水平方向為X向，豎直方向為Y方向。考慮一定的開挖影響范圍，模型水平方向總長取120 m，豎直方向則取地表以下80 m。模型兩側施加水平向約束，底邊界施加固定約束，考慮基坑的對稱性，坑內去半寬開挖寬度。同時考慮20 kPa的坑邊超載。本次分析模型中，土體采用三角形15節點單元進行模擬，模型以及網格劃分見圖3。本計算模型共有11 561個節點，劃分為1 422個單元。

圖3 基坑有限元計算模型圖

表1 土體計算參數表

對于軟土層（第③、④、⑤1層）采用軟土蠕變模型進行分析，其他土層采用HS-Small模型進行分析；地下連續墻、地下隧道、管線均采用梁單元模擬，采用線彈性模型進行分析；各道支撐采用線彈性錨桿單元模擬。土體參數見表1，表中HS-Small模型參數可根據王衛東等[8-10]的研究經驗確定。而λ、μ、κ分別為軟土蠕變模型中修正的壓縮指數，回彈指數和蠕變指數，可通過三軸實驗得到：

其中，Ce、Cr、Ca分別為固結實驗得到的壓縮指數，回彈指數和蠕變指數。無實驗數據時，可根據下列經驗公式得到：

結構計算參數見表2。

表2 結構計算參數

2.2 模型計算過程

本次分析計算步驟按照實際施工工況進行模擬，見表3。由于施工方案尚未確定，表中所示時間目前為根據相似規模的基坑經驗估算的時間。注意每道支撐添加考慮實際工況分為兩個工況，即支撐添加持續5 d，其后設置間隔工況（約10 d）則考慮支撐達到設計一定強度及其他原因造成的誤工而延續的時間。從開挖（不含圍護墻及立柱樁施工時間）到基礎底板澆筑完成并達到一定強度共需145 d。考慮時間效應，基坑開挖過程中計算采用固結分析計算。

2.3 計算結果分析

根據計算結果，考慮時間效應時基坑開挖引起地連墻后土體發生較大的水平向位移，位移最大值為76.60 mm，最大位移發生在較軟弱的土層，在地面下18 m左右，距離坑底開挖面有一定距離，這可能是由于18 m以下開挖面進入較硬的土層，開挖更深時變形較小。模型計算得到地連墻水平向位移見圖4，第一步開挖由于未設置支撐，地下連續墻墻頂位移最大，呈典型的懸臂式位移。隨著支撐的增設地墻側向位移呈鼓肚形，且隨著開挖深度的增加側向位移逐漸增大，最大值所在位置逐漸下移。本項目因考慮承壓水控制，39 m以下地墻段為構造配筋，加之35 m以下土層壓縮模量較高，故35 m以下部分嵌固段地墻整體變形較小。

表3 計算工況

圖4 地連墻側向位移隨深度變化曲線

表4中列出了每個間隔工況計算前后的地墻最大水平位移量及其所在位置。結合圖4分析可得，在各個開挖間隔工況中，地墻變形繼續發展，表現出軟土明顯的時間效應。間隔工況期間地墻側向位移增量、增速在淺層軟土區域較大，隨著開挖深度的增加，下部暴露的土層相對較硬，后期側向位移增速逐漸減小，最后趨于穩定，與已有的一些研究成果一致[12]。傳統的彈性理論計算中系統的應力和位移都是一次性釋放的，而考慮到土的流變和固結的分析中，整個基坑體系的應力和變形是隨著時間逐步釋放的，并最終趨于穩定，更接近工程實際。在開挖到底板后位移增速出現負值推測是由于土體固結影響孔壓消散，固結產生的墻體水平位移回縮大于該階段土體卸荷產生的位移。

表4 開挖間隔工況地連墻最大水平位移增量

根據計算，本項目地下五層基坑開挖對周邊環境影響較大，西側地下隧道位移達19.43 mm，超過相關部門規定[7-8]，有必要對原方案做進一步的調整。

3 支護設計調整優化分析

為保證基坑開挖后的穩定和減少基坑及周邊建筑物、隧道的變形，綜合考慮質量、安全、施工進度、總體投資、風險控制等多項因素，將原地下五層方案改為地下四層，挖深調整為18.6 m，基坑支護設計方案相應地調整為地下連續墻+四道鋼筋混凝土水平支撐的圍護形式，分區順作開挖，臨近隧道側地墻厚度仍為1 200 mm以保護地下隧道，其余側地墻厚度優化至1 000 mm，典型基坑支護結構剖面見圖5。

經復核驗算，調整后的基坑支護設計方案安全可靠，且考慮軟土時間效應通過平面彈性地基桿系有限元法模擬計算，土體水平向位移云圖見圖6。改為地下四層方案后，墻后土體最大水平向位移為57.77 mm，基坑開挖引起西側隧道變形減小為11.29 mm，滿足相關部門和相關規范[7-8]要求。

本項目深基坑支護方案經調整優化后，減少了一道支撐（含圈梁），同時由于支撐荷載降低，立柱、立柱樁長度均得到了優化。經計算，調整后支撐工程量較原方案減少了23.6%，立柱樁工程量較原方案減少了20.1%，調整后整個基坑支護方案總的造價較原方案減少了逾四千萬元（僅參考市場價，未包括支撐拆除費用等）。同時，調整后的方案可節約工期約22～25 d，對處于環境敏感復雜的軟土地區深大基坑，縮短工期意義重大，可大大降低基坑開挖期間的安全風險和對周邊環境的影響。

圖5 調整后的基坑支護典型剖面圖（單位：mm）

圖6 方案調整后土體側向位移云圖

4 結語

本文結合上海某基坑工程案例，通過數值分析對基坑設計方案進行了評估并做了優化調整分析，結論如下：

（1）當周邊環境復雜敏感、環境保護要求較高時，軟土地區深大基坑設計應考慮土體固結、流變特性等因素進行全面的科學分析討論，以指導深大基坑的設計施工規劃部署工作。

（2）考慮時間效應的基坑分析顯示，基坑變形會隨著基坑開挖深度、暴露時間的增長而變大，比不考慮時間效應的基坑開挖變形特性更接近工程實際。

（3）本項目從保護周邊環境出發，根據數值分析結果及時調整設計方案，調整優化后減小了基坑開挖對周邊環境的影響，合理降低了工程造價，縮短了施工工期，可以為相似基坑工程實踐提供參考。