深基坑围护结构变形实测及有限元分析

□文/闫伟 张亚楠 张立明

深基坑围护结构变形实测及有限元分析

□文/闫伟 张亚楠 张立明

基于某深基坑工程，对实测围护结构变形数据进行分析。采用弹性抗力法和有限元方法分别对基坑进行计算并将计算结果与实测变形数据进行对比。

深基坑；变形；实测；有限元分析；围护结构

深基坑工程的复杂性决定了不可能采用理论解析计算围护结构的变形、内力及周边环境变形等。设计中通常采用平面杆系结构弹性支点法对围护结构进行分析［1～2］，但是该方法对边界条件的简化可能造成较大误差。数值计算方法可以考虑较复杂的边界条件并采用较合理的土体本构模型对土体的力学性质进行模拟，可以较精确的计算围护结构内力、变形及周边环境的变形［3～4］。本文基于一个深基坑工程，采用常规设计方法和数值计算方法对围护结构进行计算［5］并将计算结果与基坑实测值进行对比［6～7］，分析深基坑工程围护结构的变形特性和各种计算方法的准确性。

1　工程概况

1.1基坑概况

天津某地下3层地铁车站，车站主体结构标准段基坑深23.2 m，盾构井基坑深24.6 m，基坑平面尺寸约为20 m×151 m。车站主体基坑围护结构采用整体刚度大、防水性能好的钢筋混凝土连续墙，连续墙厚1 000 mm，十字钢板接头，墙长43.3 m（墙底3.9 m为素混凝土）。

基坑支撑体系采用5道混凝土撑，混凝土撑宽和高为900 mm×1 000 mm，从上至下支撑间距依次为4.5、4.5、3.5、5.5、4 m，水平间距为6 m，见图1和图2。

图1　基坑标准段结构剖面

图2　车站结构平面及支撑布置

1.2工程地质概况

站区地层主要为第四系全新统人工填土层（人工堆积），第Ⅰ陆相层（第四系全新统上组河床～河漫滩相沉积）、第Ⅰ海相层（第四系全新统中组浅海相沉积）、第Ⅱ陆相层（第四系全新统下组沼泽相沉积及河床～河漫滩相沉积）、第Ⅲ陆相层（第四系上更新统五组河床～河漫滩相沉积）、第Ⅱ海相层（第四系上更新统四组滨海～潮汐带相沉积）、第Ⅳ陆相层（第四系上更新统三组河床～河漫滩相沉积）、第Ⅲ海相层（第四系上更新统二组浅海～滨海相沉积）、第Ⅴ陆相层（第四系上更新统一组河床～河漫滩相沉积）。

本场地地下水类型为第四系孔隙潜水，主要受大气降水补给为主，以附近地表水系补给为辅。勘测期间地下水位埋深0.5～2.0 m（大沽高程1.61～-0.26 m）。赋存于第Ⅱ陆相层与第Ⅳ陆相层之间的粉土、砂土层中的地下水具微承压性，为浅层承压水。微承压水以第Ⅱ陆相层1粉质粘土为隔水顶板。⑥2粉土、⑥4粉砂、⑦2粉土渗透系数0.5 m/d，⑨2粉土渗透系数1.0 m/d，⑨4粉砂渗透系数2.0 m/d，⑨5细砂渗透系数2.5 m/d，⑨9粉砂为主要含水地层，含水层厚度较大，分布相对稳定。勘测期间微承压水稳定水位埋深约为3.22 m。

2　理论计算

本工程采用某基坑软件进行设计，土层物理力学参数见表1。对基坑标准段进行计算，考虑坑外地面20 kPa超载。

表1　土层物理力学参数

各开挖步围护结构水平位移见图3。可以发现围护结构水平位移均向基坑内部发展，水平位移最大值发生在基坑开挖面附近。基坑开挖较浅时围护结构侧向水平位移范围较大，第一步开挖深度为4.5 m，围护结构在15 m左右的范围产生了较大的位移，约为开挖深度的3倍。而当基坑开挖至坑底，深度达到23.2 m时，围护结构在33 m左右的范围产生了较大的水平位移，约为基坑开挖深度的1.5倍。

图3　设计软件计算围护结构水平位移

3　有限元计算

3.1有限元模型

采用有限元软件Plaxis进行计算，模型整体尺寸为100 m×100 m。约束模型左右两侧水平位移和模型底部水平和竖向位移。

采用梁单元对地连墙进行模拟，墙与土界面折减系数为0.7。支撑采用杆单元进行模拟，支撑与桩之间为刚接。基坑外地面考虑一定范围的20 kPa超载。

有限元模型中土体本构模型采用硬化模型（HS），根据天津地区软土工程经验，土体参数Eoed取Es1-2的3倍，回弹模量Eur取3Eoed。

3.2有限元计算结果

有限元计算基坑标准段各开挖步围护结构水平位移见图4。可以发现二者整体水平位移分布形式基本一致，但有限元计算的围护结构水平位移与设计软件按照弹性抗力法计算的结果相比，整体水平位移偏大并且围护结构最大水平位移位置有限元计算的结果更靠近围护结构底部。

弹性抗力法计算的围护结构底部一定范围水平位移几乎为0，而有限元计算的围护结构几乎整体都发生了一定水平位移。

图4　有限元计算围护结构水平位移

4　计算及实测结果对比

本工程基坑变形监测从第二步土方开挖才开始，有部分变形未被监测到。CX1为基坑中部的监测点，测点监测结果见图5。

图5　CX1实测围护结构水平位移

CX1测点整体水平位移较平滑，深部向坑内的水平位移也较合理，但顶部发生了向坑外的水平位移。分析其原因可能为测斜管的基点位于底部，地连墙整体发生向坑内的水平位移，导致了围护结构顶部呈现出向坑外位移的现象。而围护结构顶部向坑外的水平位移可能性比较小。因此认为围护结构实际发生的水平位移应大于目前监测所得数值，工程监测过程中应及时对测斜数据进行修正，才能真正实时监测到围护结构的变形情况。

另外，监测数据表明，在开挖初期时发生了整体的向坑内的水平位移，比理论计算的变形模式影响范围更大。经与现场施工人员了解，现场在第一道混凝土支撑施工前即开始基坑降水，完成支撑施工并达到设计强度后才开始进行土方开挖。分析其原因为在未进行有效支撑的情况下，在坑内进行疏干降水，坑内土体由于失水发生收缩，导致围护结构向基坑内部发生水平位移。

图6-图8为第三步到第五步开挖围护结构水平位移计算与实测对比。可以发现有限元计算的围护结构水平位移分布形式以及相应变形值与实测结果拟合较好，而设计软件中采用弹性抗力法计算低估了围护结构的水平位移。

分析其原因为一方面由于基坑工程的复杂性，弹性抗力法的简化导致了计算与实际情况的差别较大；另一方面，按照勘察报告中取用的m值偏高并且越是下部力学性质较好的土层m值取值较合理值更大，导致了按照弹性抗力法计算整体水平位移偏小并且围护结构下部水平位移发挥很小的变形模式。

图6　第三步开挖计算与实测对比

图7　第四步开挖计算与实测对比

图8　第五步开挖计算与实测对比

5　结论

1）采用常规弹性抗力法对围护结构水平位移进行计算很可能低估围护结构的水平位移，可采取对勘察所得的m值进行适当折减的方法更准确的估算围护结构的水平位移。

2）根据勘察报告提供参数按照常规经验进行取值，有限元计算可以较好的模拟基坑围护结构的水平位移。

3）实测结果表明，每一步土方开挖后，围护结构的最大水平位移均发生在开挖面下部3～5 m左右的位置。

4）在基坑支撑施工前进行降水会导致地连墙向坑内产生较大的水平位移，不利于围护结构水平位移及对坑外变形的控制。建议在基坑支撑达到设计强度后方可进行降水施工。

［1］JGJ 120—2012，建筑基坑支护技术规程［S］.

［2］LONG M.Database for retaining wall and ground movements due to deep excavations［J］.Journal ofGeotechnical and Geoenvironmental Engineering，2001，127（3）：203-224.

［3］李四维，高华东，杨铁灯.深基坑开挖现场监测与数值模拟分析［J］.岩土工程学报，2011，33（S1）：291-298.

［4］孙凯，许振刚，刘庭金，等.深基坑的施工监测及其数值模拟分析［J］.岩石力学与工程学报，2004，23（2）：293-298.

［5］GB 50911—2013，城市轨道交通工程监测技术规范［S］.

［6］安关峰，宋二祥.广州地铁琶州塔站工程基坑监测分析［J］.岩土工程学报，2005，27（3）：333-337.

［7］水伟厚，李广，李国章，等.上海浦东国际机场二期登机长廊基坑监测分析［J］.岩土工程学报，2006，28（S1）：1819-1822.

□张亚楠/中国民航大学。

□张立明/天津轨道交通集团有限公司。

U231+.3

C

1008-3197（2016）02-45-03

中国民航大学科科研启动基金（2013QD10X）；中央高校基本科研业务费项目（3122015C019）

2016-02-05

闫伟/男，1982年出生，工程师，博士，天津市地下铁道集团有限公司，从事路桥、隧道施工及理论研究工作。

□DOI编码：10.3969/j.issn.1008-3197.2016.02.015