软弱地层深基坑开挖地下连续墙变形分析

胡 军

软弱地层深基坑开挖地下连续墙变形分析

胡 军

摘 要：以宁波某软弱地层地铁车站深基坑工程为背景，采用有限元模拟和实测数据分析相结合的方法对基坑开挖过程中地下连续墙的变形规律进行了分析。分析表明：有限元模拟计算与实测数据规律基本一致，能比较准确地反映地下连续墙的水平位移变化规律和大小；地下连续墙水平位移随基坑开挖深度的增加而增大，最大位移的位置也相应下移；基坑开挖深度相同时，无支撑暴露时间越长地下连续墙水平位移越大。

关键词：软弱地层；深基坑开挖；地下连续墙；变形分析

胡军：中国铁建大桥工程局集团有限公司，工程师，天津 300300

0　引言

地下连续墙作为深基坑的围护结构，其自身的变形大小和规律直接影响着基坑开挖施工的安全。影响地下连续墙变形的因素比较复杂，主要因素有拟建场地的工程地质及水文地质条件、基坑平面形状、基坑大小、周围环境、墙体的参数及施工方法等。工程地质及水文地质条件是深基坑施工的客观条件，对地下连续墙施工及变形控制有显著影响。在软弱地层进行深基坑开挖施工，控制地下连续墙的变形是确保基坑安全开挖的重要措施。本文结合宁波某地铁车站深基坑工程，通过有限元分析和实测数据分析相结合的方法，对软弱地层深基坑开挖过程中地下连续墙的变形规律及大小进行研究，为今后类似工程施工提供参考。

1　工程概况

本地铁车站全长188.4 m，外包宽度为22.5 m。基坑标准段开挖深度为21.992 m，端头井基坑开挖深度为23.758 m，围护结构采用1.0 m厚地下连续墙，长40 m，支撑体系采用混凝土支撑＋钢支撑相结合的内支撑体系，标准段设置6道支撑，端头井设置7道支撑。第1、4道支撑为钢筋混凝土支撑，第5道为双拼钢支撑，其余为单拼钢支撑。采用明挖顺做法施工。拟建场地地貌属于杭州湾南岸滨海淤积型平原，地基土层属于软弱土层。

2　地下连续墙变形有限元分析

2.1有限元模型建立

本文采用专业岩土工程分析软件Plaxis3D建立三维有限元模型。根据本工程基坑尺寸大小，考虑边界效应，取计算模型尺寸长260 m，宽80 m，高100 m，如图1所示。

图1　基坑三维有限元模型

土体材料采用实体单元，考虑软弱土体的蠕变特性，①层～④层土本构模型采用蠕变模型，其余土层采用硬化模型（HS模型）。蠕变模型参数选取根据试验所得值与参数间的经验关系确定，如表1所示。地下连续墙和混凝土支撑采用采用板单元，钢支撑采用Anchors单元，计算参数如表2所示。

表1　土体参数

表2　结构参数

2.2有限元模拟方法

本文有限元模拟过程为：①自重应力平衡，即，不激活模型中的结构单元，只对地基土体材料施加重力，模拟自重条件下地基的应力场和位移场，保留地基的应力场而将位移场置零；②激活地下连续墙；③基坑开挖与支撑施工，即，通过“杀死”坑内土体单元，激活相应位置的Plate和Anchors单元来模拟土层开挖和支撑施工。

为便于观察开挖过程，每次基坑开挖至各道支撑设计标高以下0.5 m，开挖深度分别为5.4、8.66、11.3、13.8、16.5、18.8 、21.4 m。2.3 计算结果分析

2.3.1开挖深度对地下连续墙水平位移的影响

图2给出了地下连续墙水平位移随基坑开挖深度的变化曲线，由图2的数据可看出：

（1）当基坑开挖深度为5.4 m的时候，地下连续墙最大水平位移为7.5 mm，出现在地下连续墙约17.5 m位置；

（2）当基坑开挖深度从8.66 m增加到11.3 m，最大水平位移出现了较为剧烈的增长，最大水平位移由15.1 mm增大到33 mm，分别出现在地下连续墙约13 m和14.5 m位置；

（3）当基坑开挖到21.4 m的时候，地下连续墙最大水平位移达到69 mm，出现在地下连续墙约20.5 m位置。

2.3.2基坑暴露时间对地下连续墙水平位移的影响

图2　地下连续墙水平位移曲线

图3　不同暴露时间下地下连续墙水平位移曲线

图3给出了基坑开挖深度为5.4、21.4 m，基坑无支撑暴露时间分别为6、9、12、15、18 h时，地下连续墙水平位移变化曲线。

（1）由图3a可以看出，当基坑开挖深度较小时（5.4 m），不同暴露时间下无支撑的地下连续墙呈现的最大水平位移变化较小，仅从2 mm增加到6 mm左右，且出现最大水平位移的位置并无显著变化。由此可看出，当基坑开挖深度较小时，不同暴露时间下无支撑的地下连续墙水平位移变化呈现增大的趋势，但增速较低。

（2）由图3b可以看出，当开挖深度达到21.4 m时，在不同暴露时间情况下，无支撑地下连续墙的最大水平位移从43.7 mm增加到了53.4 mm，位移增速约为开挖深度5.4 m时的2.4倍，但出现的最大水平位移深度并无明显变化，大致都集中在地下连续墙18.5 m的位置。因此，基坑在不同暴露时间下地下连续墙的水平位移都是逐渐变大的，并且随着基坑开挖深度的增加位移增速加大。

图4　地下连续墙水平位移实测曲线

3　地下连续墙变形实测分析

基坑开挖过程中对地下连续墙水平位移进行了监测，图4为与上述有限元模拟所选取的界面位置一致的CX6、CX15等2个地下连续墙测量断面的水平位移实测曲线。

（1）由图4中2个测量断面的水平位移实测曲线可以看出，地下连续墙位移总体上呈现出中部大、上部与底部小的凸形，在基坑开挖的初始阶段，凸出部位（即最大位移处）靠近上部，随着开挖深度增加，该位置逐步下移；地下连续墙位移随着开挖深度增大而不断增大，但不同阶段墙体位移的增幅存在差异；基坑开挖至16.5 m前，地下连续墙位移呈加速发展的趋势，随后地下连续墙位移逐渐减小，最终趋向收敛；2个测量断面的最大水平位移分别达到64.5 mm和53 mm，最大水平位移的位置出现在地下连续墙17.5 m和21.5 m。

（2）通过对比图4实测数据与图2模拟数据可见，所得到的地下连续墙位移曲线变化范围基本一致，且出现最大地下连续墙水平位移的位置和数值也十分接近。

4　结论

通过对宁波某软弱地层地铁车站深基坑开挖过程中地下连续墙水平位移变化的分析，得出以下结论：

（1）有限元模拟计算与实测数据的变化曲线基本一致，且数值也十分吻合，因此，运用有限元对工程进行模拟能够较准确地反映地下连续墙水平位移变化规律和大小；

（2）随基坑开挖深度增加，地下连续墙水平位移随之增大，地下连续墙最大水平位移位置也相应下移，但位置变化的范围并不大，地下连续墙水平位移增速呈现先增大后减小的趋势；

（3）基坑开挖深度相同时，地下连续墙无支撑暴露时间越长墙体水平位移越大，尤其是在软弱土层中表现更为明显，且开挖深度越大，地下连续墙最大水平位移差别越大。因此，在基坑开挖过程中应尽量减小基坑的暴露时间，以减小地下连续墙的变形。

参考文献

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[4] 李刚. 地铁车站深基坑地下连续墙位移特征分析[J]. 房屋建筑，2008（6）.

[5] 徐中华，王建华，王卫东. 上海地区深基坑工程中地下连续墙的位移性状[J]. 土木工程学报，2008，41（8）.

Analysis of Underground Continuous Wall Deformation in Soft Soil Deep Foundation Pit Excavation

Hu Jun

Abstract:Taking a deep foundation pit engineering work at a soft stratum metro station in Ningbo as an example, the paper uses a method by combining the fi nite element simulation and analysis of measured data to analyze underground continuous wall deformation in the process of foundation pit excavation. The data have shown that the finite element simulation and patterns of the measured data are basically consistent, reflecting more accurately the underground continuous wall horizontal displacement changes and scales, underground continuous wall horizontal displacement increases in line with the increases of foundation pit excavation depth, and the position of the maximum displacement also goes downward correspondingly. When the foundation pit excavation depth is the same, greater horizontal displacement will occur on longer exposure of underground continuous wall without support.

Keywords:soft soil stratum, deep foundation pit excavation, underground continuous wall, deformation analysis

收稿日期2015-03-25责任编辑 朱开明

中图分类号：TU433