某深基坑支護(hù)的數(shù)值模擬分析

孫 超，楊 凱

（吉林建筑大學(xué),吉林長春130118）

為了有效節(jié)約城市土地資源，城市建筑物開始注重上層空間的開發(fā)，地鐵和地下的商城向更深處發(fā)展，這些基礎(chǔ)設(shè)施工程的前期建設(shè)都需要開挖一些大型深基坑，而且對其穩(wěn)定性的要求很高，因此大型基坑支護(hù)工程對基坑支護(hù)工程的設(shè)計要求很高。隨著開挖基坑深度的增加，地質(zhì)條件和水文環(huán)境的條件更加復(fù)雜，基坑的支護(hù)也遇到一些前所未有或難以解決的難題，需要我們對基坑工程進(jìn)行支護(hù)的理論和方式進(jìn)一步深入研究［1］。

一、基坑支護(hù)

（一）幾種常見基坑支護(hù)類型

1.鋼板樁

支護(hù)形式比較容易操作，并且花費(fèi)較少。

2.地下連續(xù)墻

剛度和抗?jié)B方面效果都很好，因此通常用于環(huán)境條件較惡劣的施工環(huán)境中。

3.柱列式的灌注樁的排樁

支護(hù)的設(shè)計形式分為密排與疏排。在設(shè)計時要確保混凝土梁帽連接的可靠性［2］。

（二）地下連續(xù)墻優(yōu)缺點(diǎn)介紹

地下連續(xù)墻優(yōu)點(diǎn)：

1.這種墻體強(qiáng)度和度都很大，耐久性能也很好。

2.當(dāng)結(jié)合逆作法施工時，可減少施工期。

3.施工機(jī)械化程度、效率、精度高，勞動強(qiáng)度低。

4.建筑施工過程振動小，噪音低，有利于保護(hù)整個城市的生態(tài)環(huán)境。

地下連續(xù)墻缺點(diǎn)：

1.地下連續(xù)墻的施工，需要種類較多的施工機(jī)具和設(shè)備，一次性的投資成本較高，如果基坑開挖深度不大，則其經(jīng)濟(jì)性能相對較差［3］。

2.施工工藝較為復(fù)雜，技術(shù)化程度要求高，質(zhì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求嚴(yán)，施工隊伍必須具有相當(dāng)?shù)膶I(yè)技術(shù)水平。

3.會排放很多的建筑廢漿，在城市中處理起來比較麻煩。

二、工程概況

深基坑土層分布較為復(fù)雜，地下布置的管線較多?；娱L40 m，寬16 m，深8m，采用地下連續(xù)墻以及混凝土內(nèi)撐進(jìn)行支護(hù)。為分析土體穩(wěn)定性，模擬基坑時通常會考慮摩爾-庫侖模型。結(jié)合本基坑工程實(shí)際地質(zhì)環(huán)境條件，本深基坑模擬也選用摩爾-庫侖模型。

（一）工程地質(zhì)條件

基坑場地地形平整，土層自上而下共分為5層。各層土的力學(xué)參數(shù)如表1所示。

（二）水文地質(zhì)條件

大氣降水作為該地區(qū)地下水補(bǔ)給的主要來源，地下水水位隨季節(jié)而發(fā)生變化，6～9 月水位較高，水位年變化范圍為1.0～2.0m。地下水初見水位較穩(wěn)定水位低0.6～0.8m。

（三）支護(hù)結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

表1 土層力學(xué)參數(shù)表

由于該基坑工程地下水位較高，施工場地較小且對周圍的環(huán)境限制較為嚴(yán)格，故選用地下連續(xù)墻配合鋼筋混凝土內(nèi)支撐進(jìn)行基坑支護(hù)。其中，地下連續(xù)墻厚度選擇800mm。地下連續(xù)墻與內(nèi)支撐材料參數(shù)如表2、表3所示。

表2 地下連續(xù)墻材料參數(shù)表

表3 內(nèi)支撐材料參數(shù)表

三、FLAC3D模擬

（一）3.1 FLAC3D概述

FLAC 廣泛應(yīng)用于各種工程力學(xué)的計算，軟件中模擬的工程是通過控制單元和區(qū)域來實(shí)現(xiàn)的。用戶可以根據(jù)自己的要求來進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分的疏密程度由自己決定。用戶可以自己進(jìn)行編碼并利用FLAC3D中的功能進(jìn)行動態(tài)分析來對各種動力工程進(jìn)行動態(tài)模擬［4］。FLAC3D在各種工程分析中被廣泛應(yīng)用并得到了用戶的一致好評。

（二）FLAC3D模型建立

結(jié)合基坑的對稱性特點(diǎn)，采用1/2 模型作為三維數(shù)值模型分析的對象，應(yīng)用FLAC3D建模時，模型在基坑的水平方向上的影響范圍約3～4 倍開挖深度，在豎直方向上的影響范圍約為2～4 倍開挖深度［5］。本模型水平向即 X 方向的范圍為74m，土層的寬度即Y 方向為41m，模型豎向即Z 方向范圍取18m，以此建立三維模型對基坑支護(hù)過程進(jìn)行模擬。開挖土體模型采用null 單元，模擬內(nèi)支撐用beam單元，模擬地下連續(xù)墻用實(shí)體單元。

在模擬開挖前，設(shè)置邊界條件：固定X、Y 和Z方向的位移，即模型的側(cè)面和底部為邊界，上部不加約束。設(shè)置好模型邊界條件，土體會在自重的作用下重新分布，此時得到的位移云圖如圖1所示。從圖1 中可以看出，重新分布后的土體最大位移為11.894cm。

（三）開挖過程模擬

基坑開挖支護(hù)模擬共分4 個工況進(jìn)行。工況1：開挖到基坑深2米處，建立第一層支撐。工況2：開挖到基坑深4米處，建立第二層支撐。工況3：開挖到基坑深6米處，建立第三層支撐。工況4：開挖到基坑深8米處，建立第四層支撐。

（四）模擬結(jié)果

深基坑開挖支護(hù)過程是土體和維護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用，位移不斷變化并逐漸趨于新平衡的過程，其變形過程比較復(fù)雜，得到的結(jié)果也比較多［6］。對不同工況下的土體、墻體的位移等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析如下。

1.基坑水平位移

由圖2～5看出，基坑每一步開挖支護(hù)過程中地下連續(xù)墻附近土體的位移均發(fā)生不同變化，土體的水平向位移對其影響的范圍會隨著開挖深度的增加而擴(kuò)大。圖2顯示，當(dāng)開挖深度為2m 時，墻底部的水平向位移影響區(qū)域比較小，呈 “o” 形，水平位移約為2.9722mm。隨著基坑開挖的進(jìn)一步進(jìn)行，基坑側(cè)壁土體對地下連續(xù)墻產(chǎn)生的主動土壓力逐漸增大，導(dǎo)致連續(xù)墻產(chǎn)生了向基坑內(nèi)側(cè)的開挖導(dǎo)致的位移［7］。從圖 3 可以看出，當(dāng)開挖深度為 4m 時，和圖 2進(jìn)行對比，圖3 中的基坑底部水平位移影響范圍要明顯偏大，最大位移量為5.847mm。從圖4 可以看出，在開挖深度6m 的位置處水平位移影響更大。圖5中顯示當(dāng)基坑深度為8m 處時，位移呈 “8” 字形，最大水平位移量為9.0419mm。

2.基坑土體豎向位移

基底的隆起是我們判斷基坑開挖后穩(wěn)定程度的重要指標(biāo)之一。圖6～9給出了基坑開挖過程中各工況下基坑隆起位移云圖，可以看出開挖面均存在不同程度的基底卸荷回彈現(xiàn)象?；茁∑鹆繌幕舆厒?cè)至中心處的位置逐漸增加，由于基坑邊側(cè)受到了墻體的約束作用，周邊的隆起量最小，中心處最大。在進(jìn)行工況1 時，最大隆起量約為14.824mm。在進(jìn)行工況2 時，最大隆起量約為33.033mm。在進(jìn)行工況3 時，最大隆起量約為42.747mm。在進(jìn)行到工況4 時，最大隆起量約為46.591mm，發(fā)生在局部開挖的中間區(qū)域。上述基底隆起量均不會對基坑的穩(wěn)定性造成太大影響。

3.地下連續(xù)墻水平位移

當(dāng)開挖深度逐漸增大時，土體發(fā)生擾動，土體應(yīng)力的重新分布會對連續(xù)墻產(chǎn)生側(cè)向的土壓力，導(dǎo)致墻體產(chǎn)生一定的位移［8］。根據(jù)經(jīng)驗，地下連續(xù)墻豎向位移很小，因此不會對基坑的穩(wěn)定產(chǎn)生太大的影響，所以本文重點(diǎn)研究其水平方向位移。我們在地下連續(xù)墻內(nèi)壁設(shè)置5個監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測其側(cè)向位移。

為研究地下連續(xù)墻厚度的增加是否會對其水平位移產(chǎn)生的影響，增加一組墻厚1000mm 時產(chǎn)生的水平位移。

隨著工況1 到工況4 的不斷進(jìn)行，每條側(cè)向位移曲線都大致呈4 段 “臺階狀” 。地下連續(xù)墻的側(cè)向位移隨開挖深度增加而變大。當(dāng)?shù)叵逻B續(xù)墻厚800mm，開挖深度為8 米時，側(cè)向位移達(dá)到峰值，其最大位移值為6.4201mm。當(dāng)開挖結(jié)束后，其側(cè)向位移極值略有恢復(fù)，最后穩(wěn)定在6.3228mm 左右。當(dāng)?shù)叵逻B續(xù)墻厚度為1000mm，開挖深度8 米時，側(cè)向位移極值為5.6345mm，后穩(wěn)定在5.6025mm。從這些數(shù)值可以看出，隨著地下連續(xù)墻厚度的增加，其側(cè)向位移略有減小，但結(jié)合工程實(shí)際，增大墻厚帶來的效益并不明顯，所以在確保墻厚滿足要求時，不要一味依靠增加墻厚來減小側(cè)向位移。

四、結(jié)論

本文以某大型基坑開挖工程為例對基坑進(jìn)行了設(shè)計、計算和數(shù)值模擬，得到以下結(jié)論：

（一）FLAC3D能夠充分反映實(shí)際基坑開挖過程中土體應(yīng)力與位移的分布規(guī)律，更加形象地呈現(xiàn)出土體與支護(hù)結(jié)構(gòu)之間的相互作用，能夠很好地反映基坑支護(hù)過程。

（二）基坑內(nèi)土體水平最大位移處隨開挖深度的增加而逐漸下降，且位移影響范圍呈 “8” 字形。土體的豎向位移隨著開挖深度的增加而增大，且從墻邊至基坑中央位置的位移也逐漸增大。

（三）隨著基坑開挖持續(xù)進(jìn)行，地下連續(xù)墻水平位移逐漸增大，墻厚800mm 時，其最大位移值僅為6.42.1mm，說明地下連續(xù)墻結(jié)合內(nèi)支撐的施工形式具有很高的安全性，適合對安全要求高的工程。當(dāng)增加連續(xù)墻厚度時，位移減小并不明顯，所以要根據(jù)工程實(shí)際選擇連續(xù)墻厚度。