基于HS-Small模型軟土基坑開挖過程三維數值分析

孫海忠 鄧捷程

1. 上海市建工設計研究總院有限公司 上海 200235；2. 同濟大學土木工程學院地下建筑與工程系 上海 200092

上海作為國際性大都市，擁有近2 500萬的常住人口，合理開發利用地下空間不僅可以促進城市建設和社會經濟發展，還能緩解城市用地緊張、交通擁擠、環境惡化等問題，對于構建資源節約型、環境友好型社會具有重要意義。上海地區地下管線密布、地鐵線路交錯縱橫、地下綜合體比比皆是，因此上海的深基坑工程尤其要注意基坑開挖對周邊環境的影響，在環境分析時選用合適的本構模型顯得尤為重要。

1 工程概況

1.1 工程位置及規模

擬建場地分為南北2個地塊，北地塊位于真江北路以北、滬寧鐵路以南、盛源科技園以東、祁連山南路以西（圖1），南地塊位于真江北路以南、未來島公園以北、北上海航天電器大廈以東、祁連山南路以西。

圖1 擬建項目北地塊位置

基坑平面尺寸為136 m×120 m，擬建場地北地塊地下室邊線距北側滬寧鐵路中心線約35 m，距南側真江北路約8 m，距東側祁連山南路約45 m，距西側盛源科技園地塊已有建筑約25 m，南地塊地下室邊線距北側真江北路約10 m，西側距上海航天電器大廈約35 m，南側及東側為空地，真江北路、祁連山路地下管線較多。

1.2 場地地質條件

鉆探勘探資料揭示，場地土層從上至依次為雜填土、淤泥質粉質黏土、淤泥質黏土、黏土。

在勘探范圍內，擬建廠區地下水類型為潛水，補給來源主要為大氣降水與地表徑流，在勘測期間實測得地下水埋深在地表以下1.37～2.25 m，平均埋深為－0.50 m。

2 基坑開挖支護方案

根據上海地區現有的施工狀況及經驗、場地土層分布條件和土性特征以及周邊的環境情況，對于開挖深度7.9 m左右的基坑，周邊采用灌注樁支護。第1次開挖至－2.5 m，在－1.9 m處設置第1道橫截面0.8 m×0.8 m混凝土支撐，并設置一圈橫截面為1.2 m×0.8 m的頂圈梁，在坑內降水至－8.4 m處，第2次開挖至坑底－7.9 m處。支撐平面設計圖如圖2所示。

圖2 支撐平面設計

3 數值模型建立

3.1 土體模型計算參數確定

為了控制基坑開挖對周邊環境的不利影響，選用HSS小應變模型對變形進行分析。

3.2 數值模型網格劃分

土體模型按照實體模型劃分，頂圈梁和混凝土支撐用桿單元模擬，板單元模擬混凝土面層、建筑物板。基坑相對單元網格尺寸為1.5 m，全局比例因子設為1.2，總共劃分為35 205個單元和57 424個單元節點，如圖3所示。

圖3 基坑網格劃分示意

表1 土體HSS模型計算參數

3.3 施工工況

本基坑模型的相關施工工況較為簡單，具體主要分為4個工況。

1）初始工況：初始滲流分析，初始應力分析，建筑物施工。

2）工況1：灌注樁圍護，降水至－3.0 m，開挖至－2.5 m。

3）工況2：在－1.9 m位置處布置混凝土支撐，支撐＋頂圈梁。

4）工況3：降水至－8.4 m，開挖至－7.9 m。

4 結果分析

4.1 基坑變形分析

通過Plaxis 3D有限元軟件對基坑進行計算，得到基坑水平和豎直方向的變形結果。

x方向的位移云圖顯示，基坑在開挖至－7.9 m時，基坑西側變形最大處位于陽角與邊界的中間位置，最大變形為11.26 mm，東側變形最大位于中間位置處，最大變形為12.1 mm，這是由于在設計基坑支撐時，陽角位置容易發生應力集中，故在陽角處設置了1道對撐，有效降低了陽角處的側方向變形。

y方向的位移云圖顯示，基坑在開挖至－7.9 m時，基坑北側與南側變形最大處位于基坑中間位置，南側最大變形為11.6 mm，北側最大變形為11.32 mm。z方向的位移云圖顯示，基坑在開挖至－7.9 m時，基坑沉降最大變形位于陽角處，最大變形值為12.76 mm，基坑陽角處易產生應力集中，導致了基坑陽角處變形增大，穩定性降低，故在建設施工時需要特別注意陽角處的變形。

綜上所述，最大變形值均小于DG/T J08-61—2018《基坑工程技術標準》變形控制要求，故通過使用國內外學者提出的HSS參數經驗計算公式計算基坑變形是可靠的[9-11]。

4.2 基坑開挖對周邊環境的影響

如圖4所示，基坑西面23 m存在建筑物和北面24 m存在既有鐵路南翔環線，建筑物為實體單元，混凝土框架結構；鐵路礫石路基高度50 mm。當基坑開挖至坑底－7.9 m時，建筑物變形最大值發生在靠近基坑方向的墻角處，最大累計位移為5.306 mm。北面南翔環線變形最大值發生在靠近基坑方向的鐵路線上，其累計變形最大值為1.317 mm，其余鐵路幾乎無變形。

圖4 建筑物及鐵路變形

4.3 圍護結構變形分析

圖5為基坑圍護墻隨深度變化側移圖，其模擬變形模式與Ou等[12]提出的“內凸型”變形模式類似。HSS模型圍護結構側移隨著深度呈現先增大后減小的趨勢，并在開挖面附近取得最大值。

圖5 圍護結構側移

本基坑的施工工況為先開挖土體1.9 m，再設置支撐和頂圈梁，此時圍護墻在沒有支撐的情況下已經開始發生變形，變形值為5 mm左右，所以在基坑施工至坑底時，圍護墻頂部的位移達到了7 mm，與傳統圍護結構側移圖有些不同。陽角處的圍護結構側移值與其他邊界圍護結構對比發現，陽角處的圍護結構側移變化規律并不明顯，且側移值均遠小于邊界側移值。將HSS模型與DG/T J08-61—2018《基坑工程技術標準》計算結果進行對比，結果表明，兩者的變化趨勢一致，均在1倍挖深附近取得最大值，基坑技術規范計算結果比HSS模型都更大，尤其在支撐薄弱的東面，規范值比HSS模型大10 mm左右；造成這一現象的原因為HSS模型2個小應變參數初始剪切模量Gr0ef和剪應變γ0.7嚴格限制了土體的變形，這一結論與華明杰[13]的相關研究結論一致。

4.4 基坑周邊沉降變形分析

圖6是基坑四周土體的沉降變形曲線，隨著離基坑邊界距離增加，土體沉降呈現先增大后減小的趨勢，且均在距離基坑邊界1倍挖深左右取得最大值。

圖6 坑外地表沉降

北面、東面和南面的最大沉降值為10 mm，由于西面有陽角存在2個方向上的臨空開挖面，其穩定性和變形遠較平面應變問題更復雜且不利，西面最大沉降值為12 mm，沉降隨距離的增加，其下降速率更低。在距離基坑4～5倍的挖深時，土體沉降值趨近于0。通過現場勘察，發現與基坑最近的建筑物距離為26 m，土體沉降在2 mm以下，符合設計規范，故本次基坑的施工基本不會影響到周圍建筑物。

5 結語

本文通過對上海軟土地區某基坑開挖過程，采用了國內外學者HSS參數經驗公式進行了數值模擬計算，得出以下結論：

1）HSS模型是基于地勘報告和國內外學者的參數計算經驗公式上進行計算的，得到的變形值與同類型的基坑變形值差異不大，可認為使用這些經驗公式取值對于上海地區軟土基坑是可靠的。

2）HSS模型圍護墻和坑外地表沉降都是隨圍護墻深度和與基坑邊界的距離呈現先增大后減小的趨勢，均在1倍挖深附近取得最大值，通過對比可以發現，HSS模型比基坑技術規范計算值要小，在支撐薄弱的東面，可相差10 mm以上。

3）開挖至坑底時，基坑對周邊建筑物及鐵路累計最大變形量很小，均符合施工技術規范標準。

4）本文使用HSS小應變模型的模擬結果良好，所選擇的參數可以作為上海地區典型土層參照取值供其他基坑工程參考。