地下連續墻支護深基坑開挖過程模擬分析

徐 冉

(安徽三洲水利建設有限公司，安徽 宿州 234000)

1 概 述

隨著城市的快速發展，高大建筑層出不窮，深基坑工程應運而生，深基坑開挖過程中引起的地表沉降、坑底隆起、支護結構穩定性及對臨近建構筑物的影響越快來越受到工程建設者的關注。張敬弦[1]等提出了一種基坑豎向彈性地基梁計算模型。索文斌[2]等提出了一種基坑及支護結構數值模擬方法。史世雍[3]等探討了地下連續墻支護深基坑槽壁失穩機理。陳江[4]等通過有限元軟件分析某地下連續墻支護深基坑，分析結果表明連續墻的形式(是否共用)受基坑影響區別明顯。金亞兵[5]等通過分析得出深基坑內支撐軸力和變形受溫差影響明顯。施有志[6]等通過數值模擬分析某車站深基坑工程得出，建筑物靠基坑越近受其開挖影響越大。鄧旭[7]等通過數值模擬得出，增強支護體系剛度能有效減小基坑開挖對臨近構筑物的不利影響。康志軍[8]等通過深基坑工程實例分析得出，增大支護深度能顯著改善地表沉降。蒙國往[9]等通過數值模擬并結合現場監測數據分析得出，隨基坑開挖，支護結構水平位移呈增大趨勢。林之航[10]通過分析上軟下硬的深基坑得出，該類基坑最大側移位置深度上移。路林海[11]等通過數值分析得出，支護結構與主體結構相結合可有效減少基坑開挖過程中變形。樓春暉[12]等通過對實測基坑變形數據分析得出，基坑邊角對支護結構變形有明顯限制作用。本文通過建立有限元模型，以某深基坑工程為例，分析基坑開挖過程中地表沉降、支護結構穩定性，以期為深基坑工程設計、施工等提供參考。

2 工程概況

某水利工程配套建筑需開挖深基坑，開挖寬度10 m，深度6 m，采用地下連續墻支護(厚度0.35 m，高度9 m)，施工荷載作用在距基坑2 m以外，按4 kN/m2計。土層分布為：填土，厚度2 m；2 m以下為黏土。勘察期間，穩定水位埋深1.6～2.3 m。水質分析結果表明，地下水不具腐蝕性。

3 模型建立

為得到較為精確的結果，采用15節點單元，同時采用板單元模擬地下連續墻。深基坑模型開挖寬度10 m，深度6 m。依據基坑的實際尺寸，為消除邊界影響，取寬度20 m、深度12 m作為計算模型邊界條件。采用地下連續墻支護(厚度0.35 m，高度9 m)，彈性模量按30 GPa計取。土層及地下連續墻材料參數參見表1和表2。施工荷載作用在距基坑2 m以外，按4 kN/m2計。地下水位取2.0 m。模型左右兩側水平方向位移為零，允許發生豎向變形，底部為固定邊界(不允許發生變形)。數值模型示意圖見圖1。

圖1 數值模型示意圖

表1 土層材料參數

表2 地下連續墻材料參數

基坑開挖工況模擬：

工況一：平整場地，添加荷載并施工地下連續墻。

工況二：基坑開挖至-2 m。

工況三：基坑開挖至基底-6 m。

4 數值模擬分析

通過建立有限元模型，主要分析基坑開挖過程中土體沉降及支護結構(地下連續墻)變形。

4.1 基坑土體沉降分析

見圖2。

圖2 土體沉降分布

由圖2(a)可知，由于施工荷載的影響，基坑外側土體初始沉降主要集于施工荷載作用的淺層區域，而遠離基坑區域(即模型水平邊界區域)地面呈現隆起；基坑內側土體由于受到地下連續墻的支護和約束作用而呈現較小的豎向變形。由圖2(b)和圖2(c)可知，隨著基坑的逐步開挖，地下連續墻的支護作用不斷發揮，施工荷載作用導致的淺層區域沉降集中和地面隆起的現象不再發生，反而是基坑底部土體出現向上位移，且位移量不斷增大，挖土卸荷使得坑底土體具有隆起趨勢。

4.2 支護結構(地下連續墻)水平位移分析

見圖3。

圖3 地下連續墻水平位移分布

由圖3可知，隨著基坑的開挖，地下連續墻上位移不斷增加，支護作用不斷發揮。各工況下地下連續墻上最大水平位移分別為0.013、2和26.8 mm，依次處于墻的中部、頂部和頂部。即隨著基坑開挖，地下連續墻處于懸臂狀態時，最大位移發生在墻的頂部。

4.3 支護結構(地下連續墻)豎向位移分析

見圖4。

圖4 地下連續墻豎向位移分布

由圖4可知，隨著基坑的開挖，地下連續墻上最大豎向位移分別為0.061、3.08和4.04 mm，最大豎向位移不斷增大，即地下連續墻存在上拔的趨勢。但由于上拔量較小，實際工程設計過程中可以忽略。

4.4 土體塑性區域分析

見圖5。

圖5 塑性區域分布

由圖5可知，隨著基坑的開挖，塑性區域逐步向坑底附近移動。

5 結 論

1) 隨著基坑的逐步開挖，地下連續墻的支護作用不斷發揮，施工荷載作用導致的淺層區域沉降集中和地面隆起的現象不再發生，反而是基坑底部土體出現向上位移，且位移量不斷增大，挖土卸荷使得坑底土體具有隆起趨勢。

2) 隨著基坑開挖，地下連續墻處于懸臂狀態時，最大位移發生在墻的頂部。

3) 基坑開挖過程中，地下連續墻存在上拔的趨勢，但由于上拔量較小，實際工程設計過程中可以忽略。

4) 隨著基坑的開挖，塑性區域逐步向坑底附近移動。