軟土深基坑穩(wěn)定性的有限元分析及支護結(jié)構(gòu)的影響研究

張 毅

（1.中國礦業(yè)大學，北京 100000；2.上海市機械施工集團有限公司，上海 200000）

0 引言

上海市是典型的軟土地基城市，軟土深度達150～400m，軟土覆蓋面廣，含水量高，滲透系數(shù)低、抗剪強度低、變形率大[1]。在軟土地區(qū)進行深基坑施工，會運用到巖土力學、結(jié)構(gòu)力學、施工組織和施工技術等多種綜合知識，另外，施工材料、施工機械、施工條件和施工人員等諸多因素會不同程度地影響深基坑的穩(wěn)定性，也是進行深基坑穩(wěn)定性研究的內(nèi)容。內(nèi)支撐的道數(shù)、圍護墻的插入比及剛度對基坑的整體穩(wěn)定性都起著關鍵作用，也是研究人員目前關注的重點和熱點。

Long[2]根據(jù)大量實測基坑施工中土體和墻體變形的數(shù)據(jù)資料，對地層加以劃分，認為基坑變形主要是由于支護因素、挖掘深度、坑底隆起等各種因素造成的。劉彤等[3]應用彈塑性有限元方法，研究在不同施工流程中圍護結(jié)構(gòu)和支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力關系，并通過與實際數(shù)據(jù)比較分析，為基坑工程的設計及施工提供了重要依據(jù)。徐中華[4]通過有限元法研究表明，工程樁的應用顯著影響坑底隆起，且樁間距越小，對土體的制約效果就越強，坑底土體的隆起越小。趙曉旭5]通過深入研究軟弱土層地區(qū)深基坑施工的相關理論，根據(jù)軟土地質(zhì)特殊的水文地質(zhì)條件，總結(jié)出了影響深基坑圍護結(jié)構(gòu)變形的主要因素包括水文地質(zhì)、工程地質(zhì)情況、深基坑的規(guī)模、周邊環(huán)境以及支護結(jié)構(gòu)型式等。

通過對前人研究成果的總結(jié)和分析，結(jié)合過江井基坑工程實例，利用FLAC3D建立數(shù)值分析模型，分析了不同支撐道數(shù)、地下連續(xù)墻厚度和插入比對基坑整體穩(wěn)定性的影響，以期為今后類似工程的設計和施工提供參考。

1 深基坑概況與計算工況

1.1 深基坑概況

上海市天然氣越江隧道長興島北過江井深基坑位于長興島北新大堤南側(cè)67m，上海長江大橋東側(cè)146m，北側(cè)河浜距離基坑為24m，新大堤距離基坑67m?；悠矫娉史叫?，基坑尺寸為22.2m×13.2m，開挖深度為23.5m，整個基坑面積為266.64m2。

基坑由1m 厚的地下連續(xù)墻圍護，地下連續(xù)墻的深度為49m，兩側(cè)采用Ф650mm 三軸水泥土攪拌樁（長18m）加固槽壁。豎向設置6 個水平內(nèi)支撐，其中前第一、四道為矩形鋼筋混凝土支撐，其余均為Ф800mm 圓形鋼支撐。圖1為基坑的支護結(jié)構(gòu)剖面圖。

圖1 基坑支護體系剖面圖

1.2 計算工況簡介

根據(jù)基坑開挖方案，按照開挖的先后順序，結(jié)合實際開挖情況，本次數(shù)值計算主要模擬以下7個工況。

工況一：開挖土體至第一道支撐頂面，開挖深度1m，澆筑第一道混凝土支撐；

工況二：開挖土體至第二道支撐（鋼）頂面，開挖深度5.5m，開槽設置鋼支撐，并施加預應力；

工況三：開挖土體至第三道支撐（鋼）頂面，開挖深度10m，開槽設置鋼支撐，并施加預應力；

工況四：開挖土體至第四道支撐頂面，開挖深度13.5m，掏槽開挖澆筑第四道混凝土支撐，并施加預應力；

工況五：開挖土體至第五道支撐頂面，開挖深度17m，開槽設置鋼支撐，并施加預應力；

工況六：開挖土體至第六道支撐（鋼）頂面，開挖深度20.5m，開槽設置鋼支撐，并施加預應力；

工況七：開挖土體至底板下基坑底面，開挖深度23.5m。

2 數(shù)值計算與實測結(jié)果對比分析

2.1 數(shù)值計算參數(shù)選取

2.1.1 土體計算參數(shù)的選取

在FLAC3D中摩爾-庫侖模型必須對土體的密度ρ、內(nèi)摩擦角φ、體積模量K、內(nèi)聚力c 和剪切模量G這五個參數(shù)進行賦值，過江井基坑土層參數(shù)見表1。

表1 土層設計參數(shù)表

2.1.2 圍護結(jié)構(gòu)計算參數(shù)的選取

在該深基坑中，支撐結(jié)構(gòu)的模擬都選取梁（beam）構(gòu)造單元。參數(shù)取值見表2。地下連續(xù)墻圍護結(jié)構(gòu)的計算參數(shù)見表3。

表2 混凝土支撐和鋼支撐的計算參數(shù)

表3 地下連續(xù)墻圍護結(jié)構(gòu)的計算參數(shù)表

2.2 圍護墻體水平位移模擬值與實測值對比分析

選取基坑長邊中點測斜孔所在的地點作為比較分析對象，其在各種工況下實測和模擬的水平位移分析結(jié)果分別見圖2和圖3所示。

圖2 各工況下墻體水平位移實測分析圖

圖3 各工況下墻體水平位移模擬分析圖

圖2 和圖3 為不同工況下的圍護墻體施工現(xiàn)場監(jiān)測值和水平位移模擬計算值的分析曲線圖。對比實測值和模擬值可知，模擬值總體比現(xiàn)場實測值偏小，工況二至工況六偏差值較小，最大位移偏差量為2.1mm，工況七水平位移偏差值最大，最大位移偏差值為7.6mm。結(jié)合實際施工情況分析認為，這是坑底沼氣泄露所致。從變形曲線整體變化趨勢上看，數(shù)值模擬計算得到的圍護墻體水平位移曲線與施工現(xiàn)場實際監(jiān)測位移曲線變化規(guī)律基本吻合。從變形曲線形狀分析，地下圍護墻的水平位移呈現(xiàn)中間大，兩端小的“大肚狀”。

2.3 周邊地表沉降模擬值與實測值的對比分析

取長邊中點斷面的地表下沉情況為主要研究對象，并選擇了該斷面的七個監(jiān)測點位和冠梁頂部的一個監(jiān)測點位，將實際監(jiān)測結(jié)果和用FLAC3D計算結(jié)果加以比較分析，得到了地表下沉情況的曲線，分別見圖4和圖5所示。

圖4 工況二地表沉降實測值分析

圖5 各工況地表沉降模擬值分析

圖4 和圖5 是在各工況下的基坑周圍實測數(shù)值與地表計算數(shù)值之間的分析曲線圖。從曲線上看，模擬數(shù)值在總體上相對于實際數(shù)值變化較小，工況二到工況六最大沉降的偏差數(shù)值為約1.5mm，分析這種現(xiàn)象的原因很可能是建模過程中對土層結(jié)構(gòu)進行了較大程度的簡化，并未充分考慮地下水滲流效應和基坑周邊施工機具以及在基坑邊臨時放置的附加荷載對周邊土層地表的影響。其中工況七對比圖相差較大，最大沉降偏差值為13.11mm，結(jié)合現(xiàn)場施工情況分析原因是基坑在該工程下出現(xiàn)沼氣泄露，坑底擾動較大，基坑暴露時間過長所致。從曲線變化趨勢上看，除工況七外，其他工況對比可以發(fā)現(xiàn)數(shù)值在變化趨勢上大致吻合。

通過對上述的結(jié)果進行分析，可以發(fā)現(xiàn)：雖然數(shù)值模擬值與實測值之間具有一定的差別，但是對比結(jié)論卻從一定程度上證實了數(shù)值模擬計算結(jié)果能夠?qū)幼冃芜M行預測，模擬值具有一定的參考價值。

3 支護結(jié)構(gòu)對深基坑穩(wěn)定性的影響分析

3.1 內(nèi)支撐道數(shù)的影響

模擬分析內(nèi)支撐道數(shù)為五道和七道時的基坑變形情況。五道支撐模型分別設置在開挖深度0.5m、5.5m、10.5m、15m、19.5m 處，七道支撐模型分別設置在開挖深度0.5m、4m、7m、7.5m、11m、14m、17m、20m 處。選取基坑開挖至基底標高23.5m時的變形情況作分析，在三種不同道數(shù)內(nèi)支撐情況下地下連續(xù)墻在水平方向上的位移變化曲線及基坑周圍地表下沉位移曲線分別見圖6和圖7所示。

圖6 不同支撐道數(shù)圍護墻體水平位移對比

圖6 和圖7 為不同道數(shù)內(nèi)支撐支護下的基坑圍護墻與地表沉降變形曲線圖。從圖中可以看出，采用五道內(nèi)支撐時，基坑的圍護墻體的水平最大位移為13mm，周邊地表最大沉降量為13.68mm；采用六道內(nèi)支撐時，基坑的圍護墻體的水平最大位移為11.6mm，周邊地表最大沉降量為11.52mm；采用七道內(nèi)支撐時，基坑的圍護墻體的水平最大位移為10.74mm，周邊地表最大沉降量為10.75mm；當在第六道支撐的基礎上，增加一道內(nèi)支撐，基坑產(chǎn)生的變形控制作用并不明顯。

3.2 地下連續(xù)墻插入比的影響

對上海地區(qū)的前期基坑設計資料研究表明，上海地區(qū)的圍護結(jié)構(gòu)插入比介于0.7～1.1 之間，平均值約為0.9[6]。本研究取地下連續(xù)墻的插入比分別為0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1，進行模擬分析。以地表至坑底標高23.5m時的基坑變形為分析對象，研究不同墻體插入比對基坑變形的影響，得到的模擬成果。圖8 和圖9 為不同插入比的地連墻在開挖至坑底標高時的圍護墻水平位移變形量和周邊地表沉降量的對比圖。從圖中可知，增大插入比能起到控制基坑變形的作用。插入比為0.6～0.9 時，圍護墻水平位移及基坑周邊地表沉降變形控制效果相對較好。當插入比大于0.9時，曲線變化趨勢相對平緩，繼續(xù)增大圍護墻體的插入比對基坑變形影響甚微，說明插入比為0.9時已能充分滿足基坑的穩(wěn)定性要求。

圖8 不同插入比墻體水平位移對比

圖9 不同插入比周邊地表沉降對比

3.3 地下連續(xù)墻厚度的影響

選取基坑開挖至坑底深度23.5m的工況，選用厚度為600mm、800mm、900mm、1000mm、1100mm、1200mm、1400mm7種圍護墻的水平位移作為分析對象。圖10 和圖11 為不同厚度的地連墻在開挖至坑底標高時的圍護墻水平位移變形量和周邊地表沉降量的對比圖。從圖中曲線變化趨勢來看，當?shù)剡B墻厚度為600～1000mm時，圍護墻水平位移及周邊地表沉降變形控制效果都較為明顯。當?shù)剡B墻厚度大于1000mm時，曲線變化趨勢相對較弱，繼續(xù)增大圍護墻體的厚度雖然可以進一步控制墻體的最大水平位移和基坑周邊的地表變形，但是效果甚微，這表明圍護墻厚度為1000mm 時，已能充分滿足基坑的穩(wěn)定性要求。

圖10 不同厚度墻體水平位移對比

圖11 不同厚度墻體周邊地表沉降對比

4 結(jié)束語

本文將深基坑位移和沉降的現(xiàn)場觀測結(jié)果和數(shù)值模擬計算結(jié)果進行對比分析，證明了數(shù)值模擬的合理性，然后利用FLAC3D6.0 模擬計算分析了不同支護結(jié)構(gòu)參數(shù)設計情況下的基坑變形情況，主要結(jié)論如下：對計算分析值與實際數(shù)值進行比較分析，發(fā)現(xiàn)實際數(shù)值普遍大于計算數(shù)值，但是其變化趨勢基本上是吻合的，表明了該FLAC3D6.0 軟件對基坑開挖施工流程的數(shù)值模擬是比較合理的，并能夠為今后各類基坑工程的方案設計與施工提供借鑒；進行基坑支護結(jié)構(gòu)設計時，內(nèi)支撐的道數(shù)、圍護墻體的插入比及地下連續(xù)墻的厚度對基坑的穩(wěn)定性有較大影響，但要根據(jù)工程不良地質(zhì)、施工環(huán)境、施工的時空效應及方案的經(jīng)濟性綜合考慮。