基坑延深开挖复合支护结构有限元模拟

陈亚军，郭力群，徐芳超

（华侨大学 土木工程学院，福建 厦门361021）

地下室加层导致了原基坑的设计深度加深.在原基坑工程已经开挖成型或原支护结构已经施工完成的情况下，延伸开挖，必然导致原支护结构不能满足要求.这就面临两种选择：一是舍弃已存在的支护结构，重新设计，这样会造成很大的浪费；二是考虑在原有支护结构基础上进行加固支护，充分利用原有支护结构并发挥其作用，则可以节省基坑工程的投资［1-2］.关于既有支护结构保持不变的情况，延深开挖支护结构加固技术的作用机理和计算方法的研究较少，理论滞后于实践.陈磊等［3］对某基坑，采用现场试验对原基坑体系进行稳定性评价后，制订了新基坑支护方案.林华国［4］利用烂尾坑原有的支护体系，采用排桩式连续墙加预应力锚索的支护结构，局部放坡，对原烂尾坑进行加固.蔡海波等［5］以某特殊基坑工程为背景，采用FLAC3D有限元差分软件，对基坑现有支护方案条件下进行延伸开挖.本文采用有限元数值模拟方法，对某既有土钉墙支护结构基坑的延伸开挖加固工程进行数值分析，对基坑二次开挖加固方案的可靠性和合理性进行评价，分析其中存在的薄弱点.

1 基坑工程概况

福建省晋江市某基坑，建筑占地面积约为4 363m2，安全等级为一级.原支护结构是按一层地下室进行设计的，深度4.5m左右，采用土钉墙、自然放坡支护体系，设置4排土钉，土钉倾角为15°，长度为6m，基坑已开挖至-4.5m深处，并闲置约3a时间，支护体及周围环境处于稳定状态.图1为原基坑支护结构简图.因建设要求将一层地下室改为两层，基坑开挖深度达8.24～11.45m，需要在原有基坑基础上进行2次超深开挖.

2 加固方案分析及选型

图1 原基坑支护结构简图Fig.1 Supporting structure of original foundation pit

2.1 基坑加固重点

1）原基坑开挖放置时间约3a，已超出了临时性工程的设计使用年限［6］，须对其进行稳定性评价.

2）在原工程基础上进行加深开挖深度将近7m左右，是原开挖深度的两倍以上.原有支护结构显然无法满足承载力和变形要求，因此，必须采取措施在原支护结构的基础上进行加固，而选择合适的加固方式满足工程要求则是支护结构加固设计的重点.

3）基坑开挖深度范围内岩土层力学性质一般，软弱土层较厚，故加固后的支护结构需具备较高的结构强度和整体稳定性.加固支护剖面示意图，如图2所示.

2.2 支护加固设计方案

基坑一次支护的存在使坡顶没有更大的放坡空间，而内支撑支护体系整体刚度较大，能更好地控制土体的水平变形，最大限度地减少对周边建筑物和地下管线的影响.因此，考虑采用钢筋混凝土对撑支护方案［7］.

基坑支护加固设计方案采用人工挖孔桩加钢筋混凝土内支撑，自然放坡联合支护体系.支护桩桩径Φ＝1 000mm，桩中心距s＝1 800mm，沿基坑四周布置；支护桩顶设置1 000mm×800mm的钢筋混凝土冠梁；内支撑梁截面尺寸为800mm×800mm.

图2 加固支护剖面示意图Fig.2 Cross section of strengthened supporting structure

3 整体支护结构有限元模拟分析

3.1 加固支护结构体数值分析模型选择

采用Plaxi 2D有限元软件对支护结构进行整体模拟，选取最不利的剖面进行有限元模拟分析.模型采用平面应变模型，采取15节点的三角形单元模拟土体，通过自带程序进行有限元网格划分.土的本构模型选取Mohr-Coulomb模型，挡土墙和土钉面层利用板单元模拟；挡土墙两侧与土的相互作用可以用接触面单元模拟；钢筋混凝土内支撑可以看作弹性杆件，选用锚钉杆单元进行模拟；土钉利用土工格栅进行模拟.

3.2 模型参数

表1 土层参数Tab.1 Parameters of soils

3.3 边界条件

图3 基坑有限元模型Fig.3 FEM model of foundation pit

1）位移边界条件：左、右边界的水平位移为零，下边界任意方向变形为零.2）应力边界条件：地面超载作用在基坑2m以外，作用长度为10m，取超载设计值为20kPa.3）水头边界条件：左侧隔水层保持在地表以下1.0m不变，右侧土层的水头随着降水和开挖的进行，保持在开挖面下1.0m 左右［9］.

3.4 基坑开挖过程的模拟

基坑最终的力学效应应是前几次开挖力学效应的总和，但并不是单纯的代数和，对最后一个状态与逐步开挖不断叠加各步开挖的成果进行分析，得到的结果是完全不同的［10］.因此，计算分析时应采取分步施工过程.分步加载及施工流程如下：土体开挖；打入土钉；挂钢筋网；喷射砼面层；人工挖孔桩施工（位移归零）；内支撑施工；开挖至垫层底设计标高.

3.5 计算结果分析

基坑开挖至垫层底设计标高时的工况，如图4～7所示.通过Plaxis 2D软件模拟，最大水平位移为44.12mm，最大竖向位移为38.23mm；围护桩最大水平位移为44.13mm，最大竖向位移为32.36 mm.通过程序提供的有限元强度折减法计算，当开挖至垫层底部时，安全系数为1.25.

图4 基坑水平位移变形Fig.4 Horizontal displacement of foundation pit

图5 基坑竖向位移变形Fig.5 Vertical displacement of foundation pit

图6 土钉面层剪力图Fig.6 Shear force of soil nailing surface

图7 基坑塑性点图Fig.7 Plastic point of foundation pit

由图4可知：开挖完成后，水平方向的最大位移发生在基坑底部.

由图5可知：竖直方向包括沉降和隆起，基坑外地表沉降主要出现0～10m范围内，最大的沉降量为34.95mm；基坑底部隆起主要发生在靠近基坑壁0～10m范围内，最大隆起量为29.45mm；基坑最大水平位移发生在基坑底部.变形实测结果与计算分析结果相近，因此，应用Plaxis 2D分析的结构是比较准确可靠的.

由图6可知：土钉面层底处剪力值达到最大.

由图7可知：开挖到工况8的时候，开始出现塑性点；开挖到工况9的时候，塑性点不断增多；坑内围护桩处存在塑性点.这说明基坑底部是薄弱点，宜通过延伸桩长或坑内被动区土加固来更好地控制基坑的位移.因此，在土钉墙后与围护桩桩顶处的土体随着基坑的开挖，变形逐渐增大，并不断达到屈服点.分析其原因，主要有以下2点.

1）原基坑采用的支护形式采用的是土钉墙支护，其控制变形能力较差.

2）新旧支护结构之间没有存在有效的连接加固措施，新旧支护结构刚度变化大，使得连接处存在较大应力，刚度相对较弱的土钉墙产生相对较大的变形.

4 结论

1）在原有基坑支护上进行加深开挖，使得原有结构的受力状态发生变化，这已经无法满足实际要求，需要对原基坑支护方案采取加固措施，并新增支护结构以满足加深后基坑稳定和变形要求.

2）对于二次超深开挖，在旧支护结构与新支护结构之间存在协同工作的问题，选择合适的分析方法对支护加固设计非常关键.一般设计软件仅能计算整体结构的受力和变形，未能反映延深结构的实际工作状态.

3）利用Plaxis 2D进行有限元数值模拟分析，可发现支护结构的薄弱点，并为基坑的位移控制提供参考.因此，应用Plaxis 2D有限元软件能够较准确、可靠地模拟基坑二次加深开挖支护结构设计.

［1］ 吴铭炳，林颖孜，戴一鸣，等.软土地基地下室加层的基坑支护［J］.岩土工程学报，2010，32（S1）：210-214.

［2］ 吴铭炳，戴一鸣，林颖孜，等.基坑加深的加固措施及其效果［J］.岩土工程学报，2010，32（S2）：459-462.

［3］ 陈磊，宋燕伟，孟宪儒，等.既有深基坑加固改造工程施工［J］.建筑技术，2012，43（6）：491-493.

［4］ 林华国.某烂尾基坑设计与施工实践［J］.山西建筑，2012，38（16）：67-69.

［5］ 蔡海波，吴顺川，周瑜，等.既有基坑延伸开挖稳定性评价与支护方案确定［J］.岩土力学，2011，32（11）：3302-3312.

［6］ 中华人民共和国行业标准编写组.JGJ 120-2012建筑基坑支护技术规程［S］.北京：中国建筑工业出版社，2012：136.

［7］ 姚桂嘉，郭力群，黄剑兵，等.中南方基坑内支撑支护体系比选［J］.福建建筑，2011（10）：9-12.

［8］ 张如林，徐奴文.基于PLAXIS的深基坑支护设计的数值模拟［J］.结构工程师，2010，26（2）：131-136.

［9］ 尹骥.小应变硬化土模型在上海地区深基坑工程中的应用［J］.岩土工程学报，2010，32（S1）：166-172.

［10］ 武亚军，栾茂田，杨敏.深基坑土钉支护的弹塑性数值模拟［J］.岩石力学与工程学报，2005，24（9）：1550.