某黃土深基坑變形特性數值模擬分析

李旺，張子辰，嚴長江

(蘭州交通大學 土木工程學院,甘肅蘭州 730070)

0 引言

隨著軌道交通行業的迅速發展，產生了大量明挖隧道深大基坑工程。這類基坑往往具有開挖深度大、工程地質條件復雜、周邊環境復雜等特點，故在基坑的設計和施工過程中質量要求嚴苛，其中變形控制尤為重要，故須對深基坑支護變形特性進行研究[1-2]。采用MIDAS/GTS 模擬深大基坑的開挖、支護及變形是一種有效的研究方法。李輝、常虹、李方成、李明瑛和朱彥鵬等[3-7]基于MIDAS/GTS 對基坑進行有限元分析，他們的分析角度包括對不同開挖方式的模擬、對基坑變形及錨桿軸力變化模擬、對施工工序的模擬、對錨索軸力變化的模擬，并分析模擬中所得數據，研究基坑的受力及變形規律。許健[8]和吳意謙等[9]通過數值模擬并結合現場實測的方法對基坑進行研究，通過實測數據分析，驗證數值模擬的合理性。劉維正和張浩龍等采用PLAXIS 3D 對深基坑的支護結構進行研究，得出支護結構不同位置受空間效應影響不同，且不同支護方式下，其受力特性也不同[10-11]。

目前雖有許多學者采用有限元軟件來研究基坑工程，但每個基坑都有其個性，影響基坑穩定和變形的因素很多，很復雜。故本文以某明挖隧道黃土深基坑為研究背景，采用MIDAS/GTS 軟件對樁錨支護結構深基坑進行三維數值模擬，分析了基坑在開挖過程中，不同深度處樁體的水平位移、基坑周邊地表沉降、錨索軸力等的變化規律，預測基坑的變形情況，為優化基坑設計及安全施工提供一些建議。

1 工程概況

1.1 工程簡介

蘭州至張掖三四線鐵路（簡稱“蘭張三四線”）中川隧道明挖黃土基坑位于蘭州市蘭州新區中川鎮。隧道起訖里程DK63+095.385～DK65+740，全長2 644.4 m，隧道全部采用明挖法施工。由于此明挖隧道基坑的開挖深度不同以及基坑周邊環境的復雜多樣，故不同段落的支護方式不同。對于DK63+095.385～DK63+900 段的隧道，沿大里程方向，基坑右側采用鉆孔灌注樁+錨索的支護方式；基坑左側采用放坡+錨桿的支護方式。此段明挖隧道基坑凈長為804.61 m，基坑開挖深度為16.30～16.45 m，基坑底部開挖寬度為39.70～41.00 m，頂部開挖寬度為54.17～55.40 m。

1.2 工程及水文地質條件

該隧道地處傾斜沖洪積平原區,地面高程一般為1938～1958 m，區內地形平坦開闊,表層植被較發育。地表水不甚發育，地下水主要屬第四系松散層孔隙潛水，地下水位深20.5～34.9 m。隧道地層條件按時代由新到老分別包括了第四系全新統雜填土(Q4ml),沖洪積砂質黃土(Q4al+pl3)、粉(細)砂(Q4al+pl4)、中(粗)砂(Q4al+pl5)、礫砂(Q4al+pl5)、細圓礫土(Q4al+pl6),下伏為上第三系中新統泥巖(N1ms)、砂巖(N1Ss)、礫巖(N1Cg)。中川隧道場地地面以下各土層的物理力學參數如下表1 所示。

表1 土層物理力學參數

2 基坑支護設計方案

根據《JGJ 120—2012 建筑基坑支護技術規程》確定，該基坑側壁安全等級為一級，基坑側壁重要性系數γ0=1.1。臨時地面超載按20 kPa 考慮。綜合考慮基坑工程地質及水文地質條件、基坑開挖深度與寬度及基坑周邊環境條件等因素，該基坑在坡頂0～-3 m 范圍內采取放坡開挖+土釘支護，-3 m 以下則采用樁孔灌注樁配合錨索的支護體系，根據基坑深度自上而下設5道預應力錨索。

圍護結構相關參數圖1 所示。

圖1 圍護結構剖面圖

根據《GB 50497—2019 建筑基坑工程監測技術標準》可知，基坑各項目變形的控制值和預警值如表2 所示。

表2 監測項目控制值及預警值

3 MIDAS/GTS 建模

3.1 基本假定

結合基坑實際情況，在數值模擬中做出如下基本假定：①同一材料均為理想均質且各向同性材料；②各層土體均為理想彈塑性材料且各向同性；③鉆孔灌注樁、錨索等支護結構均處于彈性狀態，不考慮樁體內部鋼筋的影響；④不考慮冠梁對支護結構的影響；⑤不考慮樁間土表面所用的網噴混凝土對支護結構的影響。

3.2 模型材料及屬性

對基坑進行數值模擬時，將該模型的土體劃分為五層。巖土體的本構模型選用修正摩爾—庫倫（MMC）模型。建立模型時，各層土體采用3D 實體單元進行模擬，鉆孔灌注樁和冠梁均采用1D 梁單元來模擬，而土釘、錨索則采用植入式桁架來模擬，鉆孔灌注樁、冠梁、土釘和錨索的材料參數及結構屬性如表3 和表4 所示。采用MIDAS 的自動約束功能設置模型的邊界條件，自重荷載，并對鉆孔灌注樁施加螺旋約束。基坑圍護結構的材料參數如表3 所示。

表3 材料參數

表4 基坑圍護結構屬性

基坑圍護結構屬性參數如表4 所示。

3.3 建立有限元模型

選取中川隧道明挖基坑DK095.385～DK195.385 段右線一側樁錨支護結構進行模擬，此段基坑長度為100 m，開挖深度為16.45 m，根據圣維南原理，模型的寬度取基坑開挖寬度的3～5 倍，模型的深度取基坑開挖深度的3～5 倍。最終所建基坑模型尺寸為x 方向100 m，y 方向80 m，z 方向-51 m。模型共劃分50 678 個單元和40 260 個節點，三維有限元計算模型如圖2 所示。

圖2 三維有限元模型

3.4 開挖過程模擬

基坑的開挖與支護是一個隨時間不斷變化的過程，為了更真實地反映出基坑的開挖過程對基坑支護結構及周圍土體的影響，通過采用MIDAS/GTS 有限元分析軟件中激活或鈍化單元來模擬基坑開挖及支護的施工過程。基坑開挖支護分六個工況進行，施工階段如表5 所示。

表5 基坑施工階段

4 數值計算結果分析

4.1 基坑水平位移云圖分析

隨著基坑開挖的進行，土體原有的平衡狀態受到破壞，導致基坑產生變形。在基坑內側卸去原有土體，致使樁體外側受到主動土壓力，從而產生向坑內的變形。

在工況一時基坑側壁土體水平位移較小，為0.7 mm，到工況二時其值達到1.3 mm，工況三時為2.2 mm，工況四時為3.8 mm，工況五時為6.1 mm，工況六時為7.5 mm。基坑前四個工況完成后，基坑側壁土體的水平位移變化量較小，而在工況五和工況六完成后，基坑側壁土體水平位移明顯增大。且在基坑開挖過程中，同一點的水平位移會隨著基坑開挖深度的增大而增大。具體工況及基坑側壁土體水平位移見圖3 所示。

圖3 水平位移云圖

4.2 圍護樁樁體側向變形分析

以圍護樁的頂點作為縱軸的零點，由圖5 可知：工況一完成時，樁體最大水平位移為0.6 mm；到工況六結束時，樁體最大水平位移為6.7 mm。由變形曲線可知，樁體水平位移隨基坑開挖深度增加而增大，最大水平位移值出現在樁體-5 m 左右處。在前三次工況中，樁身位移變化曲線基本呈線性，后三次工況中，樁身中上部分位移變化曲線呈現出外鼓狀。在基坑底面線以上樁體水平位移明顯大于基坑底面線以下樁體水平位移，基坑底面線以上部分樁體受到基坑開挖后主動土壓力作用，導致變形較大，而下部分嵌入土體里面，對其變形有一定約束作用，故變形較小。曲線見圖4 所示。

圖4 樁體水平位移

圖5 基坑周邊地表沉降變形

4.3 基坑周邊地表沉降分析

隨著基坑開挖深度的增加，基坑周邊地表的沉降也隨之變大，地表沉降最大值由工況一完成時的-1.7 mm 增大到工況六完成時的-5.8 mm。通過基坑周邊地表沉降曲線，可以看出地表最大沉降并不是出現在圍護樁附近，而是出現在距圍護樁15 m左右處。也就是說，雖然樁后有一定沉降變形，但并非最大值，而是隨著距樁后距離的增加而增大，到樁后約15 m 處達到最大沉降值。基坑周邊地表最大沉降值沒有出現在樁后，其主因是圍護樁樁后土體與圍護樁之間的摩擦限制了土體的沉降所致。地表沉降變形曲線如圖5 所示。

4.4 錨索軸力變化分析

隨著基坑開挖深度的增加，錨索軸力也逐漸增加。第一道錨索預應力為60 kN，開挖結束后軸力為81.5 kN，增長了35.8%；依次類推，第二道錨索軸力增長了5.8%；第三道錨索軸力增長了4.4%；第四道錨索軸力增長了4.2%；第五道錨索軸力增長了11.5%。從5 道錨索的增長率來看，第一道錨索軸力變化最大。原因是第一道錨索附近基坑側壁土體側向變形比其他錨索附近的土體側向變形更大，從而導致第一道錨索軸力變化更大。錨索軸力變化見圖6 所示。

圖6 錨索軸力

4.5 綜合分析

將數值計算結果與預警值進行對比分析發現：基坑各項目的數值計算結果均未超過預警值，證明該設計是合理可行的。圍護樁在支護中可以抵抗基坑坑壁土體滑動的側壓力，而錨索一端固定于坑壁，另一端錨固于穩定的巖土體之中，增大抗滑摩阻力，改善基坑周圍巖土體的力學性能，在兩者相互作用下支護樁和周圍地表沉降都沒有產生較大的變形，說明支護樁配合錨索的方式不僅可以有效地限制樁體及樁側土體的側向變形，也可以有效地限制基坑周圍土體的豎向變形。樁體和周圍土體產生的變形較小，反映出該設計相對保守，安全儲備較高，有一定的優化空間。

5 結論

通過對中川隧道明挖基坑DK095.385～DK195.385 段右線一側樁錨支護結構的數值模擬研究，得出以下結論：

1）圍護樁水平位移隨開挖的進行不斷變大，中上部樁體變形曲線呈外鼓狀。樁體最大側向變形出現在約樁深5 m 處，其值為6.7 mm；

2）基坑周邊地表沉降隨著距基坑圍護結構邊緣距離的增加呈現出凹槽型變化，即隨著距離的增加，沉降變形呈現出先增大后減小，最后趨于穩定。最大沉降值為-5.8 mm，出現在樁后15 m 左右處；

3）錨索軸力變化最顯著的是第一道錨索，其值增長了35.8%，大于其余四道錨索軸力變化；

4）樁錨支護體系下的計算值均小于預警值，證明支護結構是安全可行的。但其變形較小，安全儲備較高，不夠經濟劃算，尚有一定的優化空間。