复杂环境下超深基坑围护结构变形性状数值模拟

陈 忠

（江苏省有色金属华东地质勘查局，江苏南京210007)

复杂环境下超深基坑围护结构变形性状数值模拟

陈 忠*

（江苏省有色金属华东地质勘查局，江苏南京210007)

围护结构是超深基坑支护结构重要的组成部分。由于超深基坑周边环境的复杂性、土体性质的多变性及超深基坑计算软件的局限性，很难预计在超深基坑开挖过程中围护结构的变形性状。利用Plaxis软件对南京市世纪花园超深基坑开挖时南侧围护结构的变形性状进行了数值模拟，结果显示：围护结构最大侧移的深度一般位于开挖面附近，随开挖深度增加而不断向下移动；围护结构顶最大侧移的大小取决于初期悬臂开挖的深度及首道支撑的位置和刚度；随着开挖深度的增加，围护结构顶的竖向位移呈现出先线性增长，后趋于稳定的趋势。数值模拟能很好地预测复杂环境下超深基坑开挖过程中围护结构的变形性状，能为类似复杂环境下超深基坑工程的设计、安全开挖起到借鉴作用。

超深基坑；敏感环境；H-S模型；开挖效应

1 概述

由于土地资源的紧张，在城市中心地区开挖深度大于12m的超深基坑工程越来越多。在城市中心地区，对超深基坑工程本身及周边建（构）筑物的变形控制要求十分严格。在施工过程中如果出现异常，且这种异常又没有被及时发现任其发展，最后导致超深基坑环境效应问题的发生，后果不堪设想[1-3]。为了确保超深基坑工程安全，必须采用可靠的围护结构，以保证超深基坑本身和周边建（构）筑物的正常使用。

由于超深基坑周边环境的复杂性、土体性质的多变性及超深基坑计算软件的局限性，很难预计在超深基坑开挖过程中围护结构变形性状的特征及变化趋势，导致设计人员对设计方案没底，特别是超深基坑位于高层建筑、地铁车站、隧道、市政广场等各类复杂环境中，而数值模拟则提供了解决方法。它能预计开挖过程中围护结构变形性状的特征及变化趋势。本文用Plaxis有限元数值模拟软件对超深基坑工程分步开挖时，围护结构变形性状的特征及变化趋势进行了数值模拟，为同行在复杂环境下超深基坑工程的设计、安全开挖起到借鉴作用。

2 围护结构变形性状的理论分析[4]

（1）水平位移。当基坑开挖较浅，还未设围护结构时，不论对钻孔灌注桩墙、水泥土搅拌桩墙、旋喷桩桩墙等刚性围护结构，还是钢板桩、地下连续墙等柔性围护结构，皆表现为墙顶位移最大，向基坑深度方向水平位移，呈悬臂式位移分布。随着基坑开挖深度的增加，刚性围护结构继续表现为向基坑内的三角形水平位移或平行刚体位移。而一般柔性围护结构若设支撑，则表现为墙顶位移不变或逐渐向基坑外移动，墙体腹部向基坑内突出，即抛物线型位移。而对于有多道内支撑的基坑围护结构，其常见的是抛物线形位移，其最大变形位置一般位于开挖面附近。

（2）竖向位移。在实际工程中，围护结构竖向位移往往被忽视，事实上由于基坑开挖土体自重应力的释放，致使围护结构有所上升。但影响围护结构竖向位移的因素较多，支撑、楼板的重量施加又会使围护结构沉降。当围护结构底下因清孔不净有沉渣时，围护结构在开挖中会下沉，地表也沉降。因此在实际工程中出现围护结构的隆起和沉降都是有可能的。围护结构的不均匀下沉会产生较大的危害，实际工程中就出现过围护结构不均匀沉降造成冠梁拉裂等情况。而围护结构同立柱的差异沉降又会使内支撑偏心而产生次生应力，尤其是在逆作法施工当中，可能会使楼板和梁系产生裂缝，从而危及结构的安全。因此应对围护结构的竖向位移有足够的重视。

3 南京世纪花园超深基坑工程简介

南京世纪花园是南京市区内的一个综合性工程项目，主楼4栋16层，4层地下室。该工程项目的基坑呈近正方形，东西宽约146m，南北长约179m，开挖面积约2.6×104m2，开挖深度20m，局部22m。该超深基坑周边全为敏感建（构）筑物：东、西、北分别是城市主干道——王府路、中华路、建业路，道路繁忙，车流、人流量大；南是花园小区，小区三幢居民楼为复合地基的7层砖混结构，基础埋深1.8m，基础下为长5.8m石灰桩，距超深基坑边缘5～7m；小区周边地下为不同时期给排水、通讯、燃气、电力等新旧管线，一般距超深基坑边缘5m（图1）。

图1 超深基坑周边环境图

为了保证支护结构及超深基坑本身的安全，同时严格控制开挖引起的周边土体的变形，以保证超深基坑周边敏感建（构）筑物的正常使用，因此，该超深基坑支护结构形式采用灌注桩+止水帷幕+多支点4层内支撑，其中围护结构为为∅1250mm＠1400mm、嵌固深度16m的钻孔灌注桩（图2）[5]。

4 超深基坑开挖引起围护结构变形性状数值模拟

（1）本构模型。Hardening Soil Model（简称H-S模型）是Plaxis软件中的一种本构模型，由Schanz提出。该模型为等向硬化弹塑性模型，既可适用于软土也适用于较硬土层。H-S模型使用3个刚度（轴向加荷刚度E50、轴向卸荷刚度Eur及主固结仪加载中的切线刚度Eoed）来描述土体特性，对于模拟基坑开挖这种要求较准确地反映加、卸荷状态下土体力学属性的工程，选用H-S模型较为适合[6]。

（2）计算模型。由于超深基坑南侧有3幢7层居民楼加上各种管线密布，该区段引起的基坑环境效应问题的影响最大，因而选取该区段中部为计算断面，断面图见图2。由图2可见：该断面处开挖深度20m，设置4道砼支撑，各支撑点中心标高分别为-2.5m、-7.9m、-12.2m和-16.5m。

图2 超深基坑南侧围护结构断面图（未标尺寸：mm）

（3）模型参数。灌注桩与土体的相互作用采用PLAXIS软件中的Goodman接触面单元来模拟，该接触单元切线方向服从Mohr-Coulomb破坏准则。灌注桩围护结构的受力形式与地下连续墙相类似，因此本模型中按照刚度等效的原则把灌注桩等效成地下连续墙进行分析，这样有利于模型的建立和网格的划分。经验表明：按等效的壁式地下连续墙设计，结果偏于安全。所选断面处钻孔灌注桩直径为1250mm，桩间距为1400mm，等效后的地下连续墙厚度为1009mm[7]。灌注桩的物理力学参数如表1所示。

（4）模型建立。在水平方向，模型的坑内部分自灌注桩围护结构延至第一道对撑处，坑外部分自灌注桩向外延伸58m；竖直方向按实际情况分层设置土层，并自坑底向下延伸40m；模型的总尺寸为80m×60m。土体采用15结点的三角形单元模拟，灌注桩采用梁单元模拟，水平支撑采用弹簧单元模拟。竖向边界约束水平位移，下边界约束水平和竖直方向的位移。计算网格总单元数为862个，总结点数为7253个，墙后一定范围内考虑建筑物荷载125kPa（图3）。有限元分析过程见表2。

表1 世纪花园超深基坑灌注桩计算参数表

表2 超深基坑有限元模拟过程表

图3 超深基坑典型断面平面有限元模拟网格图

（5）数值模拟结果及分析。图4为计算断面处钻孔灌注桩在不同工况下的水平位移计算结果。从图4可见：①开挖初期，由于首道混凝土支撑尚未浇筑，灌注桩最大侧移出现在桩顶位置，灌注桩上部倾斜变形；②随着开挖深度增加，桩体的侧向位移增大，最大侧移的位置开始下移且基本位于开挖面位置，首道混凝土支撑的浇筑有效地限制了桩顶的水平位移，桩顶的水平位移逐渐减小，灌注桩的变形呈现出顶部和底部变形小，中间位移大的纺锤形形态；③当基坑开挖8～9m时，开挖面到达强度较低的淤泥质粉质粘土层，坑内土体抵抗变形的能力下降，桩体侧移的增长较快，但桩体变形的形态基本不变。

图4 灌注桩围护结构在不同工况下的水平位移图

图5（a）为灌注桩在不同开挖深度下的最大侧向位移图。由图5（a）可知：①桩体的侧向位移在开挖初期增长较慢，当开挖深度大于8.4m后，变形速率增长较快。这是因为开挖深度较浅时，中上部土层经加固后强度大幅度提高，灌注桩内、外侧所受的土压力差较小，且第一道混凝土支撑的刚度较大，能够有效约束桩体上部变形；②当开挖深度大于8.4m后，坑内强度较高的粉土、粉砂层厚度不断减小，灌注桩内、外侧所受的土压力差增大，而第一道混凝土支撑对桩体中下部的变形约束能力较低，导致桩体变形增长较快。

图5（b）为不同开挖深度下灌注桩最大侧移对应的深度图。由图5（b）可知：随着开挖深度增加，桩体最大侧移的深度也不断增加，且由于基坑上部支护刚度较大，最大侧移对应的深度始终位于开挖面以上。

图5 灌注桩围护结构在不同开挖深度下的最大侧移及对应的深度图

图6（a）为灌注桩桩顶在不同开挖深度下的水平位移。由图6可知：①桩顶水平位移表现出随着开挖深度的增大而减小的趋势，这说明桩顶水平位移的大小主要取决于初期悬臂开挖的深度及首道支撑的位置和刚度，初期悬臂开挖量越大，桩顶的水平位移量也越大。由于首道钢筋混凝土支撑的刚度较大，能够很好地约束桩体上部的变形，随着开挖深度增加，桩体变形向下发展，上部桩体在钢筋混凝土支撑的作用下出现一定的变形回复，桩顶的水平位移减小；②减小初期基坑悬臂开挖深度，尽量将支撑设在围护结构顶部对于减小基坑围护结构顶部的水平位移具有积极的意义。

图6 灌注桩围护结构顶在不同开挖深度下的竖向位移

图6（b）为灌注桩桩顶在不同开挖深度下的竖向位移。由图6（b）可知：①受开挖卸载的影响，灌注桩桩顶的竖向位移表现为回弹；②随着开挖深度的增大，桩顶回弹呈现出先线性增长，后趋于稳定的趋势。

5 结论

应用PLAXIS有限元分析软件对江苏南京世纪花园超深基坑的围护结构变形随开挖深度变化的规律进行了分析。主要结论如下：

（1）围护结构的侧向位移随开挖深度增加而增大，且随着开挖深度增加，围护结构变形增长的速度加快；围护结构最大侧移的深度一般位于开挖面附近，随开挖深度增加而不断向下移动；围护结构水平位移随着开挖深度的增大而减小，围护结构顶最大侧移的大小主要取决于初期悬臂开挖的深度及首道支撑的位置和刚度；（2）围护结构顶的竖向位移表现为回弹，随着开挖深度的增加，围护结构顶的竖向位移呈现出先线性增长，后趋于稳定的趋势。

[1]王平,王卫东,王子江.深基坑围护技术指南[M].北京:中国建筑工业出版社,2012.

[2]王京，曹代勇，赵珍梅.基于GIS的线性构造异常和裂缝综合分析[J].物探与化探,2012,36(1):33-38.

[3]李远强.探地雷达探测地裂缝的几个实例[J].物探与化探, 2012,36(4):651-654.

[4]中国土本工程学会土力学及岩土工程学会.深基坑支护技术指南[M].北京:中国建筑工业出版社,2012.

[5]胡光云,余日勇,胡一池.城市中心超深基坑工程变形控制的设计[J].山西建筑,2009，35(19)：89-90.

[6]Brinkgreve R B J.Selection of Soil Models and Parameters for GeotechnicalEngineering Application[R].Soils Constitutive Models，Proceedings of the Sessions of the Geo-Frontiers 2005 Congress,ASCE,Austin,Texas:69-98.

[7]徐中华,王建华,王卫东.软土地区采用灌注桩挡土的深基坑工程变形性状研究[J].岩土力学,2009,30(5):1362-1366.

TU473

A

1004-5716(2015)01-0015-05

2014-02-21

陈忠（1968-），男（汉族），江苏海安人，高级工程师，现从事岩土工程的生产、管理和科研工作。