某深基坑支護結構數值模擬分析

吳浩

（鎮江市水業有限責任公司，江蘇鎮江 212111）

0 引言

隨著城市建設的快速發展，對于城市地下空間的利用日益增加，基坑的開挖深度逐漸變大。由于城市環境的復雜性以及基坑開挖較深，其施工過程中的變形分析變得越來越重要，在基坑開挖施工過程中，需要避免對周邊建筑物以及道路產生不良影響，保證其正常使用功能[1-2]。目前，國內外大量學者通過數值模擬對深基坑支護過程進行研究分析。常虹等[3]通過MIDAS GTS模擬分析了某廠房深基坑的施工過程，得到不同施工工序下基坑的變形數據和錨桿軸力變化，認為模擬結果可提前預測最大基坑位移和土體隆起量的位置。胡靜[4]利用ABAQUS 有限元軟件探討了武漢市某深基坑在開挖過程中的變形特征，發現單排支護樁+兩道鋼筋混凝土撐可以確保基坑的安全穩定性。黃東[5]以長沙市某基坑支護工程為研究對象，結合有限元軟件，對比分析了軟弱夾層對旋挖樁和雙排鋼板樁兩種支護結構的影響，結果表明，旋挖樁可以很好地控制基坑的變形。尹利潔等[6]通過有限元軟件分析了蘭州地鐵雁園路站基坑開挖施工對周邊環境的影響，數值模擬結果表明周邊變形均在安全控制范圍內，基坑支護結構設計合理。因此，在基坑開挖施工前進行數值模擬分析是必要的。

本文以鎮江市某深基坑為研究對象，采用有限元模擬計算不同開挖工況下基坑的變形特征，并對其模擬結果進行分析，旨在探究基坑的變形規律，為同類工程提供參考。

1 工程概況

1.1 工程地質條件

場地內主要地層分布從上至下依次為填土、粉質黏土、粉砂夾粉土、淤泥質粉質黏土、粉質黏土和全風化花崗巖。

①填土（Q4ml）：灰褐色，松散～稍密，主要由粉質黏土組成，呈可塑狀，該層分布較穩定。現有道路段有15cm 左右的瀝青柏油面層、35～60cm 左右的墊層及一定厚度的經壓實處理的路基、路床等，堆填時間10 年以上。該層頂板標高4.96～8.58m，層厚1.80～5.00m。

②粉質黏土（Q4al）：灰色、青灰色，軟塑至可塑，無搖震反應，壓縮性中等，稍有光澤，干強度中等，韌性中等，分布不穩定，土質不均勻。層頂標高1.70～4.42m，層厚 0.50～3.40m。

②1粉砂（Q4al）：青灰色，飽和，稍～中密，壓縮性中等，主要由石英組成，顆粒形狀呈亞圓形，級配差，分選性較好，土質不均勻，場地局部偶夾粉土、粉砂與軟塑狀粉質黏土互層；該層頂板標高-0.60～6.41m，層厚1.00～12.20mm。

③淤泥質粉質黏土（Q4al）：灰色，流塑，高壓縮性，搖震反應慢，稍有光澤，干強度中等，韌性中等，場地內分布不均勻，局部含粉粒較高，靈敏度在1.80～3.10 范圍內，屬中靈敏度；該層頂板標高-7.89～3.71m，層厚0.60～20.30m。

④粉質黏土（Qs3al）：黃褐色，硬可塑，壓縮性中等，干強度中等，稍有光澤，無搖震反應，韌性中等；層頂標高-11.17～0.91m，在本次勘察中未揭穿，最大揭露厚度14.40m。

1.2 氣候與水文條件

鎮江臨近長江，地處中緯度，屬長江中下游季風溫濕氣候帶。氣候溫和、濕潤，年平均氣溫約15℃，雨水較多，年平均降水量約為1100mm，降雨較多的時期為梅雨和臺風期，一般6 月20 日—7 月20 日為梅雨期，8—9 月為臺風期；全年日照充足，年平均日照時間約2000h；年平均無霜期約240d；風向主要為東南偏東，四季分明。

基坑場地內分布的地下水主要為上層填土中滯留的潛水。潛水的補給主要為大氣降水，排泄以蒸發為主。穩定水位埋深在1.40～1.80m，初見水位埋深在1.60～2.00m。場地地下水受氣象環境影響明顯，地下水位隨季節降水變化，歷史最高水位埋深0.00m。根據周邊工程項目水文地質資料以及水位觀測，地下水隨季節變化明顯，豐水期地下水位隨降雨量增加而上升，枯水期地下水位隨著蒸發量增大而下降。

1.3 區域地質與穩定性

擬建場地區域在大地構造位置上屬揚子準地臺，下揚子臺褶帶，寧鎮褶皺束東段。本區主要的造山運動為印支運動，此運動結束了海侵的歷史，形成了寧鎮陸地。構造區域在位置上屬于樺墅-亭子復式向斜、九華山復向斜、糧山-橫山復背斜及紀莊-后朱巷復背斜。區域地質構造的主要特點為：地質構造背景為震旦紀以前形成的正東西向和早古生代末期形成的北東向構造；地質構造形成發展的主要時期為中生代；新生代以來，主要地質構造作用為以斷塊作用，區域內褶皺運動不發育，地殼變形較微弱，新構造運動反映不強烈，主要以升降運動為主，生成河湖交替相沉積物，區域內無活動斷裂通過。

鎮江市是一個地震活動較多的地區，據歷史資料記載，受幕府山—焦山和茅山斷裂影響，曾引發多次地震。據現有資料表明，其中震中在鎮江或鎮江邊緣的5.0 級以上地震 2 次，4.0 級以上地震 9 次，3.0 級以上地震39 次。近期地震為2013 年5 月19 日在鎮江句容境內發生2.6 級地震，震中為句容侖山水庫北側。綜上所述，鎮江地區的地層構造較為簡單，新構造運動相對平靜，基底巖層較穩定。

1.4 基坑支護方案

由于基坑周邊地下管線較多，且場地開挖范圍主要為填土和砂土，土層透水性較強，采用垂直支護形式。基坑整體形狀為正方形，支護周長為35.6m，基坑開挖深度為8.33m。基坑支護結構采用圍護樁+三道型鋼支撐。圍護樁采用SPU-IV 拉森鋼板樁，樁長15m，型鋼圍檁和支撐均采用HW-400×400 型鋼。

2 有限元模型的建立與分析

2.1 本構模型的選擇

土體為非彈性材料，在力的作用下呈現彈塑性，應力應變曲線為非線性。Mohr-Coulomb 模型為典型的非線性模型，其模型參數簡單，通過試驗均可獲得。因此，選擇Mohr-Coulomb 模型可以很好地描述土體的變形特征與破壞行為。基坑圍護結構主要為彈性工作階段，采取線彈性本構模型，利用梁、板單元進行模擬。

2.2 幾何模型的建立

項目選取3D 模型，實體網格采用四面體單元進行劃分。為了避免邊界約束對數值模擬計算產生影響，結合學者的研究成果[7-8]，計算模型的尺寸選取為85m（長）×65m（寬）×45m（高），該工程的模型如圖 1 所示。模型地層采用3D 實體單元，內支撐和圍檁采用梁單元，鋼板樁采用板單元。

2.3 模型參數

由巖土工程詳細勘察報告可知，數值模擬土層共6層，各層土層的物理力學指標以及相關材料的屬性如表1 所示。模擬土層時采用均勻水平地基，不考慮地基土層在空間上的變化，即不考慮地層的起伏變化，這與基坑支護設計軟件相吻合。

表1 材料屬性

2.4 施工工況

綜合考慮基坑開挖范圍地質情況、周邊環境以及現場施工條件，分層開挖，分層支護。基坑采用明挖順作法施工，主要工況如下。

工況1：基坑土方第一次開挖至第一道內支撐底（開挖深度1.0m），施工第一道圍檁以及內支撐。

工況2：基坑土方第二次開挖至第二道內支撐底（開挖深度3.5m），施工第二道圍檁以及內支撐。

工況3：基坑土方第三次開挖至第三道內支撐底（開挖深度6.0m），施工第三道圍檁以及內支撐。

工況4：基坑土方開挖至地下結構底板墊層底（開挖深度8.33m）。

工況5：拆除第三道內支撐及圍檁。

工況6：拆除第二道內支撐及圍檁。

3 計算結果分析

3.1 基坑圍護樁的水平位移分析

圖2 為不同開挖深度下圍護樁的水平位移圖。土層中的主動土壓力隨著深度增加而增加，在基坑開挖施工中土體應力逐步釋放，隨著基坑開挖深度增大鋼板樁樁身水平位移逐漸增大。在不同工況下，樁體的水平位移規律基本一致。圖3 為工況6 下鋼板樁的水平位移云圖，由圖3 可知基坑開挖施工過程中圍護樁的最大水平位移為10.43mm，滿足標準規范要求的變形控制值。同時，通過觀察發現，圍護樁的最大位移位置出現在約0.9 倍基坑開挖深度處，即圍護樁產生最大水平位移的位置為基坑開挖面附近。

3.2 基坑豎向位移分析

圖4 為工況6 下基坑的豎向位移。由圖3 可知，隨著離坑邊的距離增加，地表的沉降逐漸減小，坑周邊的沉降最大值為4.7mm。同時，模擬結果顯示基坑底部發生隆起，隆起最大值為5.5mm，這是由于基坑開挖深度較大，被動區開挖土量較大，在土壓力作用下基坑底部中心產生較大隆起。

4 結語

本文借助有限元軟件對基坑開挖過程中的各工況進行數值模擬分析研究，得到以下結論。

（1）隨著基坑開挖深度的增大，鋼板樁樁身水平位移逐漸增大，最大水平位移為10.43mm，位于開挖深度0.9 倍處。

（2）基坑開挖施工過程中，基坑周邊地表沉降最大值為4.7mm，基坑坑底隆起最大值為5.5mm。