深基坑工程施工模拟研究与应用

中国建筑第四工程局有限公司珠海分公司 深圳 518109

1 工程概况

莆田万达广场总用地面积93 300 m2，总建筑面积约50 800 m2。本工程基坑分为大商业区和住宅楼区2个相对独立的基坑，2个基坑通过中间宽18 m的土体隔开，大商业区基坑面积42 000 m2，周长1 020 m，深11.0～18.0 m，住宅楼区基坑面积32 000 m2，周长920 m，深9.4～17.4 m。

2 基坑工程支护形式

根据该场地的工程地质、水文地质、周边环境、场地现状等条件，采用灌注桩、旋喷桩、预应力锚杆、土钉墙等支护形式，具体如下：

1）在大商业区的东侧、西侧和北侧，开挖深度较大，为9～18 m，采用灌注桩结合1～2道预应力锚索的支护方式，上部按1∶0.4放坡并采用土钉墙支护。

2）除了住宅楼区的北侧外，其他侧开挖深度相对较浅，为8～9 m，采用单支点排桩的支护方式，上部按1∶0.4放坡喷锚。

3）在大商业区基坑与住宅区基坑之间的窄长形土条部分（距离约为18 m），采用两侧PHC管桩、冠梁+拉筋的支护方式。

本文以工程最深处的大商业区采用灌注桩+2道预应力锚索的支护段作为研究对象，灌注桩为φ1 000 mm＠1 500 mm ，预应力锚杆为φ25＠1 300 mm的一级精轧螺纹钢。

3 模拟分析

借助有限元分析软件PLAXIS，对基坑开挖期间土体随基坑开挖深度的变形进行分析，对最大位移点发生的位置变化的趋势等作出一般规律性的总结，这些理论性的研究对以后基坑支护体系的选型、计算和施工有一定的借鉴作用[1,2]。

3.1 PLAXIS有限元程序简介

PLAXIS是1种有限元计算软件，通过建立模型，可以对岩土工程中单元体的变形和稳定性进行分析。它可以通过构造先进的模型来模拟土壤的非线性和时间依赖行为，也可以处理土壤中流体静力学和非流体静力学气孔压力，该程序应用性强、界面友好、建模简单、方便直观、计算功能强大，能自动进行网格剖分，重要部位网格可以细分，以提高准确度。

3.2 建模分析

本工程基坑是由大商业区和住宅区2个相对独立的基坑组成，2个基坑通过中间宽18 m的土体隔开，由于住宅区基坑地下只有1层，开挖较浅；大商业区地下2层，基坑开挖深度9～18 m，相对较深。

我们以大商业区基坑为研究对象进行建模。大商业区基坑平面尺寸类似于长方形：325.8 m×75.6 m。根据钻探揭露，场地地下水初见水位埋深为2.30～4.40 m，混合稳定水位埋深为2.00～4.20 m，受季节性变化影响，本场地常年水位变幅约为2.00 m[3,4]。

3.3 模型的边界选取

基坑的整体类似于长方形，我们只需选取模型的一半进行分析模拟。根据大商业区的基坑尺寸，选取宽170 m、长35 m的土体作为模型研究。假设位移的计算边界条件为：模型的左、右边界水平方向位移为零；竖直方向允许发生变形；模型下边界任意方向的变形均为零。

3.4 材料参数的选取

根据基坑的尺寸和形状，采用15结点三角形单元进行计算，使模拟和计算的结果更加接近现场实际情况。在深基坑计算的理论基础上用板单元代替挡土墙进行模拟和分析；模拟计算过程中涉及到的相关土体参数和支护桩参数见表1和表2。

表1 土体计算参数

表2 围护桩计算参数

3.5 有限元模型

在建立有限元模型时，围护桩可简化成地下连续墙分析，冠梁可简化成多跨连续梁。对于荷载选取我们按20 kPa计算，离基坑边2 m以外，选取相关宽度为10 m。建立模型如图1、图2所示[5,6]。

图1 计算模型

图2 网格划分示意

3.6 基坑土方开挖阶段模拟

根据现场实际进度情况，我们将开挖过程分为以下几步：灌注桩、旋喷桩和冠粱的施工→第1次开挖（开挖到-2.00 m位置），设置第1道锚杆→第2次开挖（开挖到-6.50 m处），设置第2道锚杆和腰梁→第3次开挖（开挖到基坑底处）[7]。

3.7 基坑开挖过程土体有效应力和位移

由图3、图4可以看出：随着基坑土方的开挖，扰动了土体初始应力场，导致土体应力重新分布。在初始荷载加载以及邻近建筑物重力的影响下，基坑内侧土体的有效应力伴随着基坑开挖深度的增加也逐渐增加，在桩顶及基坑底部周围出现最大区域的有效应力分布，其值接近于45 kN/m2，在规范的要求范围内。

图3 基坑开挖到-6.50 m处土体有效应力

图4 基坑开挖到坑底标高处土体有效应力

通过对基坑开挖过程中的水平位移（图5、图7）进行分析，我们可以看出，在开挖至第1道锚杆之前，因为基坑上部的放坡和利用土钉墙放坡支护，整个土体的结构相对较稳定，因开挖的深度较浅，土体压力较小，所以由此产生的位移较小，仅为6.20 mm。第2次开挖时，支护桩顶的位移为16.00 mm，因为已在-2.00 m位置设置了1道锚杆，此时，整个基坑处于稳定状态。开挖到基底标高位置时，桩顶最大位移达到25.12 mm。这一结果符合挡土桩沿基坑深度变化的规律，即：支护桩水平位移桩顶大、桩底小，基本上沿深度呈线性变化，并且随深部土方开挖，支护桩水平位移有较大增加[8]。

基坑开挖过程中土体竖向位移如图6、图8所示，在基坑土方开挖过程中，由于土体周围环境的改变，土体之间的相互作用力也出现从之前的平衡状态到重新再平衡的一个过程，土体的变化会导致其形成一个沉降区，经过模拟发现该沉降区主要在基坑上部5～7 m的位置。累计沉降最大值为4 cm。随着后期土体的稳定，土体周围再次达到平衡后，土体的沉降值较小，变化较缓和，逐渐趋向于稳定状态。

图5 基坑开挖到-6.50 m位置土体X方向位移

图6 基坑开挖到-6.50 m位置土体Y方向位移

图7 基坑开挖到基底土体X方向位移

图8 基坑开挖到基底土体Y方向位移

3.8 开挖过程支护桩弯矩

在开挖至第1道锚杆之前，整个土体的结构相对较稳定，土体压力较小，此时支护桩产生的弯矩较小，图9为基坑开挖到-11.00 m位置围护桩弯矩，可以看出此时支护桩最大弯矩为77.2 kN·m位于基坑底部；当基坑开挖到坑底时（图10），支护桩最大弯矩达到620 kN·m，发生在基坑中部附近[9]。

4 结语

本文通过PLAXIS有限元模拟基坑开挖过程中土体有效应力和位移的变化，表明在土方开挖过程中，支护桩的水平位移变化是桩顶大、桩底小，基本上沿深度呈线性变化，并且随深部土方的开挖，支护桩水平位移有较大增加。当基坑开挖到坑底时，支护桩最大弯矩发生在基坑中部附近，此时支护桩最大弯矩达到620 kN·m，从而证明本工程基坑支护所选择的的支护桩加预应力锚杆形式满足设计及规范要求。

图9 基坑开挖到-11.00 m位置围护桩弯矩

图10 基坑开挖到坑底围护桩弯矩