復雜地層條件下深基坑支護方案的數值模擬研究

劉淵 郭鵬飛

作者簡介：劉?淵（1982—），高級工程師，主要從事公路工程施工管理工作。

為研究復雜地層條件下深基坑的變形特征及支護方法，文章以某地鐵站深基坑為例，基于Plaxis3D有限元數值軟件，結合現場監測點實測數據，探究了深基坑支護結構的變形特征以及地表沉降規律，并對深基坑內部的鋼筋混凝土力學性能進行了分析。主要得到以下結論：（1）支護結構承受的土壓力不斷增加，土壓力使得支護結構向外變形，產生水平方向的位移；（2）支護結構的位移方向均趨向于基坑內側，矩形基坑長邊圍護墻的側向位移普遍大于短邊連續墻的側向位移，中點處連續墻的側向位移大于角點處連續墻的側向位移；（3）鋼筋混凝土支撐隨著開挖深度的增加，支撐軸力也隨之增加，在基坑開挖至底部時，支撐承擔力大于80%，充分發揮了支撐作用。該研究可為復雜地層條件下深基坑的支護方案提供參考。

深基坑施工；Plaxis 3D有限元數值軟件；支護結構；變形特征

U231A582014

0?引言

改革開放以來，隨著我國城市建設項目規模的不斷擴大，市區建筑的可用面積日益減少，出現了地鐵車站和地鐵軌道、地下停車場、地下商場等多種民用和工用地下建筑。這些建筑往往涉及十分復雜的基坑工程，而這些基坑工程大部分需要在建筑密集的市區進行施工，不僅要在復雜的地層條件下保證基坑開挖時自身的安全穩定性，也要盡量減少基坑工程對周邊既有建筑物產生的不良影響，避免因基坑失穩造成的巨大社會經濟損失。因此，研究在復雜地層條件下深基坑的支護方案顯得尤為關鍵。

近些年來，國內外研究學者針對深基坑開挖的支護方案展開了大量的研究。目前對深基坑支護研究多采用數值分析方法（如PLAXIS 3D、ABAQUS、FLAC 3D等軟件）。李亞［1］將系數收縮法運用到基坑沉降表達式中，對地層補償法進行了優化，并結合實際工程，分析了基坑支護結構的剛度和巖土體力學參數對基坑變形和沉降的影響。楊敏［2］通過擬合曲線研究基坑沉降與支護結構位移的關系，結果表明：基坑周圍的地表沉降與支護結構的位移呈線性關系。傅理文等［3］基于J2EE架構，對基坑監測系統進行分析，搭建了較為完整的基坑監測平臺。Ou C Y等［4］通過改變劍橋模型和雙曲線模型對土體力學參數進行修正，結果表明：不排水的數值模擬方法適用于短時間的基坑開挖，而較長時間的基坑開挖適合排水的模擬方法。李四維等［5］通過PLAXIS 3D有限元軟件對某地鐵的深基坑工程進行研究，分析了基坑變形與基坑尺寸、支護深度以及周圍環境的關系，結果表明：澆筑了底板的基坑能有效減少基坑底部隆起和地表沉降的現象。周秋娟等［6］通過ABAQUS有限元軟件對某深基坑進行模擬，并結合模型試驗數據進行對比，結果表明蠕變現象在基坑周邊的土體中較為明顯。

在復雜地層的地下空間開發過程中，深基坑開挖是保證其穩定性最重要的一環，基坑的質量水平將直接決定上部建筑的使用壽命和安全性。因此，保證在復雜地層條件下的深基坑支護結構的質量水平具有十分重要的意義。本文基于前人對深基坑工程的研究基礎上，結合某地鐵車站的深基坑工程，通過數值模擬的方法，分析了在復雜地層條件下深基坑支護結構的位移和力學性能。

1?工程概況

研究區位于某地鐵站，因周邊的建筑規劃以及地下管線的影響，基坑的整體形狀呈矩形，基坑的開挖面積約為8 000 m2，周長約為500 m，平均開挖深度約為25 m，自動升降電梯處基坑開挖深度可達27 m。基坑位于市區中心，建筑分布密集，周圍環境復雜，有復雜且密集分布的市政工程管線網等。基坑西南側約20 m的位置既有建筑（高層辦公大樓），對基坑的變形控制有嚴格的要求；在基坑東側15 m的范圍內靠近城市交通干道，交通車流量大；在基坑北側10 m的范圍內臨近另一條城市地鐵線路。

經過地質勘查與室內試驗，基坑開挖范圍內的土層為西南地區典型的軟土地層，主要包含流塑粉質黏土、軟塑粉質黏土、流塑淤泥質粉質黏土，由于地下水位較高，這些軟土飽和度高，具有可塑性強和強度低等特點。在基坑工程開挖時，地層容易受到開挖擾動的影響，穩定性較差，土體會產生大量流變以及垮塌現象，嚴重影響基坑的安全穩定性以及周邊的建筑物。

本基坑工程為滿足基坑自身的安全穩定性，降低周圍軟土層受開挖產生的擾動以及地層沉降，同時考慮基坑工程對周邊建筑物的影響，基坑的支護采用地下連續墻的結構形式。地下連續墻剛度較大，厚度為850 mm，布設深度設計為40 m，墻體內部設置有4層鋼筋混凝土作為支撐，第1層支撐深度約為2.5 m，第二層支撐深度約為7.5 m，第三層支撐深度約為14.3 m，第四層支撐深度約為17.2 m。

2?有限元模型的建立

2.1?Plaxis 3D有限元軟件介紹

Plaxis 3D是由荷蘭PLAXIS B.V.公司旗下的一款針對巖土工程的有限元分析軟件，擁有較先進的DIANA的有限元分析內核，其非線性分析能力能出色解決在溶洞、隧道、邊坡等各類巖土工程上所遇到的難題，支持十余種本構模型以及多種自定義模型。通過Plaxis 3D軟件中的不同計算模塊可以對深基坑開挖過程中支護結構的變形特征和力學性能進行研究，如圖1所示為Plaxis 3D軟件的建模過程。

2.2?細觀參數的確定

細觀參數對Plaxis 3D軟件的模擬結果的準確性影響較大，而軟件并不包含細觀參數與宏觀參數的定量關系，因此土體力學參數及力學指標根據野外調查報告以及室內試驗進行確定，如表1所示為巖土體力學參數及力學指標［7］。

2.3?本構模型的確定

本文采用HSS作為土體的本構模型。HSS模型為小應變模型，能充分考慮到土體在變形時產生的硬化效應，同時可以模擬土體剪切時在微小范圍內剪切模量的衰減現象。通過HSS作為本構模型，可以合理模擬深基坑在開挖時支護結構和土層的變形［8］。

在HSS模型中，土層的泊松比統一采用0.20，剛度應力水平相關冪指數m均為0.8。土體本構關系采用式（1）～（4）進行描述。

2.4?模型構建及分析步設定

2.4.1?模型構建

三維立體模型如圖2所示，按照實際工程的深基坑尺寸進行建模，在東西方向為矩形基坑的短邊，長度約為100 m，南北方向為矩形基坑的長邊，長度約為150 m，基坑尺寸滿足開挖影響范圍的要求。模型的長度為250 m，寬度為200 m，高度為60 m。

2.4.2?分析步設定

按照實際工程中基坑開挖的順序，分5層開挖，土體開挖后立即進行支撐和底板施工。有限元模型中基坑開挖步驟如圖3所示。

3?數值模擬結果分析

3.1?基坑位移特征

為了確保本文的研究成果在實際工程運用中的可靠性，提取了工程現場的連續墻位移監測數據，與數值模擬結果進行對比分析。5個開挖階段的連續墻位移監測結果如圖4～8所示。

根據圖4、圖5可知，在開挖初期，基坑的變形受開挖深度的影響較小，這是因為連續墻的支撐剛度較大，在開挖深度較小的情況下，支護結構所承受的荷載較小，基坑周邊的土體未發生失穩現象，水平位移并不明顯；而在第二層開挖階段，基坑受開挖深度的影響較大，這是因為隨著開挖深度的增加，基坑內部的土體高度低于基坑外側的土體，隨著高度差值不斷增加，基坑內外側所受的壓力差距也不斷增加，土體會對連續墻產生主動土壓力，隨著壓力增加，連續墻的上部結構會產生向外側的變形，由此發生較明顯的水平位移。由圖5可知，約4～5.5 m的開挖深度區間有曲線變化的現象。

根據圖6～8可知，基坑的地下連續墻的上部結構會向基坑的外側發生變形，隨著開挖深度的不斷增加，支護結構的位移數值有明顯增大的趨勢，并整體趨向于基坑內側，且基坑的最大位移都接近開挖面。在開挖至第五層約23 m的深度時，基坑水平位移模擬數值與監測數值出現了較大的偏差。根據項目調查報告顯示，該階段施工時，該地區有連續降雨的情況，推測降雨導致地下水位上升，使基坑支護結構發生了急劇增大的位移。

通過數值模擬曲線與工程實際檢測曲線結合分析可知：隨著開挖深度不斷增加，基坑的最大水平位移值會逐漸下移，使模擬與實測結果的曲線整體在左右兩端小，中間較為突出，呈“水滴”型，說明支護結構能夠很好地限制基坑發生變形位移；地下連續墻的水平位移由上到下呈不斷增加的趨勢，在9～12 m有突出的變化點，顯示了混凝土支撐對地下連續墻變形限制的作用，本文所建立的數值模型可以很好地預測基坑開挖過程中支護結構的變形。

數值模擬與實際監測支護結構的水平位移變化規律是相同的，但存在較小的偏差，分析原因為：在建模過程中，將基坑模型的部分結構、土層的厚度等問題進行了一定的簡化，通過項目報告以及室內試驗確定的土體參數以及物理指標不能精確反映出當地的水文地質條件；數值模擬并未考慮地表水及地下水的變化影響；施工期間的荷載變化也會對基坑的變形產生一定的影響。

3.2?地表變形特征

如圖9所示為深基坑地下連續墻側向的地表沉降數值模擬位移云圖。由圖9可知，地表的沉降隨著與基坑支護結構的距離增加先增大后減小，直到忽略不計。

如圖10所示為數值模擬與工程實測的地表沉降曲線圖。結合圖9分析可知，矩形地下連續墻長邊的地表沉降大于短邊的地表沉降，沉降的最大值出現在長邊，且隨著支護結構的增長，地表沉降范圍逐漸增加。這表明，支護結構越長，其抵抗地表沉降的能力越低。在施工時，要對長度較大的支護結構采取優化措施，可采取隔斷處理的方法減小支護結構的長度，或者給連續墻增加橫向的支撐設施，以提高支護結構的剛度，進而減小地表的沉降。

矩形基坑角點處的地表沉降明顯小于長邊中點處的沉降，且通過比較四個角點的沉降值可發現，矩形基坑直角處的角點地表沉降小于鈍角處的角點地表沉降，角點角度越小，地表產生的沉降越小，表明直角角點比鈍角角點有更大的剛度，因此在進行深基坑工程設計時，可對適當減小基坑角點的大小，進行施工優化。

3.3?支護結構的力學性能研究

本文對深基坑施工過程中的四道支撐進行了軸力測量，以研究鋼筋混凝土內支撐的力學性能，結果見表2。由表2可知，除第1道支撐的軸力在開挖至7.5 m時與開挖2.5 m處的軸力相比略微下降外，其余支撐隨著開挖深度的增加，混凝土支撐的軸力也不斷增加。在開挖深度達到第三層的14.3 m后，4道支撐的支撐比例顯著提高，當開挖至底板處時，各個支撐達到了最大軸力值，分別為3 688.24 kN、1 826.37 kN、2 547.83 kN和1 371.95 kN，其支撐比例均＞80%，表明基坑內部的鋼筋混凝土支撐充分發揮了支撐作用。

4?結語

本文以某地鐵站深基坑工程為例，基于Plaxis 3D軟件，對復雜地層條件下的深基坑支護方案進行研究，分析了深基坑位移、支護結構以及地表的變形特征，同時驗證了混凝土支撐的力學性能。

得到如下主要結論：

（1）隨著深基坑開挖深度的不斷增加，土體對支護結構的土壓力會不斷增加，支護結構產生向外側的變形，導致其產生水平方向的位移。

（2）支護結構的位移方向均趨向于基坑內側，矩形基坑長邊圍護墻的側向位移普遍大于短邊連續墻的側向位移，中點處連續墻的側向位移大于角點處連續墻的側向位移。

（3）矩形基坑角點處的地表沉降明顯小于長邊中點處的沉降，角點角度越小，地表產生的沉降越小。

（4）隨著開挖深度的增加，鋼筋混凝土支撐軸力也隨之增加，在基坑開挖至底部時，支撐承擔力＞80%，充分發揮了支撐作用。

參考文獻

［1］李?亞.基坑周圍土體位移場的分析與動態控制［D］.上海：同濟大學，1999.

［2］楊?敏，盧俊義.基坑開挖引起的地面沉降估算［J］.巖土工程學報，2010，32（12）：1 821-1 828.

［3］傅理文，彭?淵，翁?湛，等.深基坑安全監測與預警平臺的開發與應用［J］.地下空間與工程學報，2018，14（S1）：423-429.

［4］Ou C Y，Lai C H.Finite-element analysis of deep excavation in layered sandy and clayey［J］.Canadian Geotechnical Journal，1994，31（2）：204-214.

［5］李四維，高華東，楊鐵燈.深基坑開挖現場監測與數值模擬分析［J］.巖土工程學報，2011，33（S1）：291-298.

［6］周秋娟，陳曉平，徐光明.軟土基坑離心模型試驗及數值模擬研究［J］.巖石力學與工程學報，2013，32（11）：2 342-2 348.

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