基于内撑体系下的地下连续墙安全性三维数模分析

□文/杨永江

基于内撑体系下的地下连续墙安全性三维数模分析

□文/杨永江

文章通过三维模拟和实测对比，分析地下连续墙加水平内支撑的基坑安全性能，得出：围护结构和水平支撑体系的变形是基坑安全程度的重要特征指标。内支撑体系的传力路径明确，各部分相互牵连较少，系统整体稳定性较好，有利于基坑的对称开挖，受基坑土质的影响较小，从受力和稳定性两方面考虑，内支撑体系是基坑支护体系的一个较好选择。

变形；轴压比；内支撑；安全性；数值模拟；地下连续墙

在城市化高速发展的今天，城市土地的利用越来越体现出紧张性，基坑周围环境的复杂性和超深基坑施工技术的高难度性和不确定性等，均阻碍着基坑工程研究的前进和发展。由于工程本身的地质条件和临近建筑的制约因素，必须严格控制变形量，保证在可控制的变形范围内，选择合适的支护形式，以寻求变形安全度、施工安全、经济的最佳结合点。ABAQUS三维有限元软件不仅能对二维空间进行分析，也能分析现实工程的空间效应，更加接近实际工程支护结构的受力特性，被越来越多的人接受和利用。

目前，在深基坑支护结构中，常采用的支撑形式有环梁支撑体系和利用地下水平结构的内支撑体系。本文通过三维模拟和实测对比，分析地下连续墙加水平内支撑的基坑安全性能。

1　三维数值支护模型的建立

天津市区某在建基坑，原基坑尺寸为140 m×145 m，20 m开挖深度，模型将基坑设计为正方形，建立140 m×140 m基坑，采用1 m宽，45 m深的地下连续墙作为基坑的围护结构和上部承重结构，水平设置3道支撑，模型见图1。地下连续墙底部与土体之间以及桩体下部建立Tie连接，土体本构模型使用D-P模型。针对3道水平支撑体系，基坑土方开挖为分层、对称开挖，选取不同的水平支撑刚度，研究内撑体系对地下连续墙安全性的影响趋势。

图1　地下连续墙内支撑体系三维数模

2　不同内支撑刚度作用下的地下连续墙变形分析

现阶段的深基坑支护结构设计以支护结构变形控制为主，基坑的稳定性也是以变形大小作为主要特征参数。

2.1地下连续墙在同一标高位置的纵向各点侧移分析

选取3个路径分别为第一、二道支撑中点位置处，第二道支撑位置，第二、三道支撑中点位置处；3种支撑不同路径地下连续墙横向变形见图2。

图2　不同路径地下连续墙横向变形

由图2可知，在内撑体系下的3条路径整体趋势相同，均为弓形。在中间主支撑位置附近均出现了不同程度的震荡变化，表现为与地下连续墙位移的整体变化趋势相背离并且主对撑对地下连续墙变形的控制作用明显强于边角斜撑的作用，随着开挖深度的深入，地下连续墙横向变形逐渐增大，但是使地下连续墙变形值的增加幅度不同，危险区域大小不同。

2.2地下连续墙同一位置的竖向各点侧移分析

根据相关规范，Ⅰ级基坑围护结构的水平位移控制量30 mm，监测报警值25～30 mm、（0.2%～0.3%）H（H为基坑深度）。本文将最大位移的90%、80%及以下，设定为3个区间，根据区间内含有的水平位移量可确定支撑的安全性能。

根据模拟数据和现场实测数据有以下分析。

1）在地下连续墙的不同位置，沿竖向的水平变形安全度不同，边角处较高，地下连续墙中间安全性最低。

2）地下连续墙竖向位移的分布与选用支撑体系的轴压比大致呈正相关，轴压比大的地下连续墙水平位移也相应较大。这是由于由于主对撑在地下连续墙位移最大处充分发挥了混凝土的作用，从而有效的控制了地下连续墙的变形。轴压比不同，对地下连续墙的约束作用不同，支撑的轴压比越小，对墙的约束作用越大，地下连续墙的变形越小；同样的轴压比，对撑的作用大于斜撑的作用。

3）在不相同轴压比下得到的地下连续墙竖向位移曲线均呈双曲弓形。在第一道支撑上部，地下连续墙的水平位移变大速度较慢，接着增大梯度较大，在基坑开挖面的上侧3.0 m附近，水平位移达到最大值，在基坑开挖面以下地下连续墙水平位移迅速减小。

4）同一支撑体系，在边角处支撑点集中，对墙的约束大于墙体中间，支撑的空间效应明显。

5）数值模拟结果与实测数据的一致性表明三维数值模型的数据是可靠的。

3　内支撑体系的内力与上拱分析

在轴压比一定的情况下，根据表1模拟数据分析内撑体系的上拱变化，寻找水平支护体系上拱变化规律，进而找到支撑的危险区域和点。

表1　内撑体系轴力与上拱汇总

由表1可以得出：

1）支撑体系呈整体上拱趋势；单根支撑为为多跨连续梁变形趋势；

2）在支撑体系的竖向支撑点处（支撑桩位置）的上拱值小于跨中上拱值，说明支撑桩隆起和支撑自重对支撑体系上拱有一定的影响；

3）内撑体系中中间三道对撑上拱幅度远大于靠近边角的两道主对撑，原因是中间位置受基底土体回弹，隆起影响较大。虽然整体上拱值都在可控范围内，但处在较大上拱区域部分较多。

4　结论

1）基坑安全性的特征指标是围护结构和水平支撑体系的变形。在一定的轴压比范围内，支撑体系的轴压比越小，对墙的约束作用越大，地下连续墙的变形越小。

2）支撑点间距小，支撑体系空间刚度大，支护体系的稳定性高，基坑的安全度高。

3）支撑体系的上拱效应和地下连续墙的水平变形具有协调性，均表现为从支撑体系的四周向支撑体系中间逐渐增大趋势，在基坑中间达到最大值。

4）在同一种支撑体系下，支撑轴力增大，使水平支撑的上拱值增大，水平支撑体中最危险区域面积增加，支撑体系的整体稳定性降低。

5）基坑的安全性除与地下连续墙侧移刚度有关外，还与基坑土体开挖起点及进展方向、支撑层数和位置、内支撑系统的空间刚度有关。

TU753

C

1008-3197（2016）02-22-02

2016-03-21

杨永江/男，1965年出生，高级工程师，天津市建设发展总公司高级工程师，从事工程技术管理工作。

□DOI编码：10.3969/j.issn.1008-3197.2016.02.007