某超大基坑挡土墙与土体相互作用的数值分析

王 梅

(1.泰山学院 机械与工程学院，山东 泰安 271000；2.同济大学 土木工程学院 地下建筑与工程系，上海 200092)



某超大基坑挡土墙与土体相互作用的数值分析

王 梅1,2

(1.泰山学院 机械与工程学院，山东 泰安 271000；2.同济大学 土木工程学院 地下建筑与工程系，上海 200092)

以某超大基坑为例，借助FLAC3D有限差分软件建立考虑土体、地下连续墙、结构梁板等共同作用的三维模型，研究墙体产生侧向位移时基坑外主动土压力的变化趋势墙体发生鼓型侧移时，基坑外主动土压力呈“R”分布；并对影响围护挡墙结构侧移和主动土压力分布的几个参数(内摩擦角、墙土摩擦角、挡土墙入土深度,以及基坑长宽比等)进行敏感性分析，并归纳出变化规律：土体内摩擦角和黏聚力对挡土墙侧移影响较大，随着内摩擦角和黏聚力的增大，挡土墙上的主动土压力和墙体侧移逐渐减小；挡土墙入土深度对挡墙的主动土压力影响不明显，而对挡墙侧移有一定影响。随着挡墙插入深度增大，上部墙体侧移逐渐增大；而下部墙体却相反，当插入比在1.2左右时，墙体侧移最小。在开挖面以上，随着基坑长宽比增大，挡墙上主动土压力逐渐减小；而在基坑开挖面以下，特别在靠近挡土墙底部范围内，随着基坑长宽比增大，挡墙上的主动土压力强度逐渐增大。

基坑；共同作用；侧移；土压力；长宽比

1 研究背景

近年来，随着基坑工程开挖面积的逐渐增大，深度越来越深，面对的周围环境也越来越复杂，基坑开挖过程中，当围护结构的变形和受力超过容许范围时，就会造成基坑失稳，对基坑周围环境造成不利影响[1-2]。因此,进行基坑设计时，采用数值分析软件模拟施工过程对基坑工程的安全性和稳定性进行预分析变得尤为重要[3]。Lin等[4]研究了一个挖深为10 m的方形基坑边界范围对基坑变形的影响。Roboski[5]分析基坑边缘到模型边界不同距离对基坑变形的影响。徐中华[6]研究56 m×56 m的基坑开挖时对基坑变形的影响。侯永茂[7]研究格形地下连续墙的性状。

上述学者研究时选用的基坑平面尺寸较小，基坑长度都在100 m以下。王梅等[8]研究了超大基坑开挖对地表沉降的影响，但没考虑基坑开挖对主动土压力和侧移的影响。随着基坑平面的增大，基坑的性状会怎样，还没有相关的文献报道。本文以上海某超大基坑为例，借助FLAC3D有限差分软件建立考虑土体、地下连续墙、结构梁板等共同作用的三维模型，研究墙体产生侧向位移时基坑外主动土压力的变化趋势；并对影响围护挡墙结构侧移和主动土压力分布的几个参数(如内摩擦角、墙土摩擦角、挡土墙入土深度及基坑长宽比等)进行敏感性分析，并归纳出变化规律。

2 计算模型的选取

超大基坑的平面尺寸为250 m×190 m，平面形状近似为矩形，基坑的最大开挖深度为13.6 m，围护结构采用钻孔灌注桩，桩径平均1 100 mm，桩长约为28 m，并分别在基坑挖深1,5,9 m处设置钢筋混凝土水平支撑。考虑模型的对称性，取1/4基坑进行分析；模型本构采用修正剑桥模型；采用桩单元来模拟钻孔灌注桩围护结构与土体之间的相互作用，水平支撑采用梁单元，立柱及立柱桩采用桩单元并和水平支撑在相连的节点处刚接。基坑采用常规逆作法施工，根据支撑的施工特点分为4个施工阶段：第1阶段是基坑开挖至1 m处设置第1道钢筋混凝土支撑；第2阶段是基坑开挖至5 m处设置第2道钢筋混凝土支撑；第3阶段是开挖至9 m处设置第3道支撑；第4阶段是开挖至基底13.6 m处。各土层计算参数见表1，计算模型见图1。图1中蓝色网格代表土体，靠近蓝色土体的红色网格表示挡土墙，绿色网格代表立柱桩，紫色代表三层水平支撑。

表1 土层计算参数

图1 计算模型(取1/4基坑进行分析)

3 数值模拟参数确定

按照上节的计算模型及划分的施工阶段，借助FLAC3D数值分析软件，可以得到对应不同阶段的挡土墙侧移变化和挡土墙后的主动土压力分布，见图2。

图2 各阶段的挡土墙侧移和主动土压力分布

由图2(a)可以看出，前3个施工阶段由于支撑非常及时，挡土墙的侧移较小，对应的挡土墙最大侧移不超过10 mm，在第4个施工阶段挡土墙侧移逐渐加大，呈鼓形变位模式，挡土墙最大侧移为42 mm，出现在基坑开挖面上部约1 m处。由图2(b)可知，基坑施工前3个阶段的主动土压力强度变化不大，仅在基坑底部随着基坑进一步开挖对应的主动土压力强度有所减小，这与挡土墙的侧移曲线是相对应的。第4阶段时主动土压力分布强度变化较大，在挡土墙上部发生拱效应。图3为第4阶段基坑开挖完成后挡土墙的实测侧移曲线与数值计算结果的对比，可以看出：数值计算中出现最大侧移的位置不在基坑开挖面上，而是有所提高；但整体来看，挡土墙数值计算得出的侧移曲线与实测结果基本一致，说明本文数值计算所选取参数是正确、合理有效的。

图3 基坑开挖完成后挡墙的实测侧移与数值计算对比

图4 内摩擦角对挡土墙侧移和主动土压力分布的影响

4 影响因素分析

4.1 内摩擦角φ的影响

为研究挡土墙后土体内摩擦角变化对挡土墙土压力及侧移的影响，取基坑平面尺寸为L×D=250 m×190 m，开挖深度H=13.6 m。内摩擦角对墙体侧移和主动土压力的影响见图4。

由图4(a)可看出，土体内摩擦角的变化对挡土墙的侧移影响较大，特别是挡土墙顶部的侧移。随着内摩擦角的增大，墙体侧移逐渐减小。而从图4(b)可看出，主动土压力强度分布呈“R”形，在基坑开挖面附近主动土压力出现转折。总体而言，随着土体内摩擦角的增大，挡土墙上的主动土压力逐渐减小。

4.2 黏聚力的影响

取基坑平面尺寸为L×D=250 m×190 m，基坑开挖深度H=13.6 m。变化土体的黏聚力，分析不同黏聚力取值对挡土墙侧移和主动土压力强度的影响。侧移、土压力分析结果见图5。

图5 黏聚力对挡土墙侧移和主动土压力的影响

由图5(a)可以看出：土体黏聚力的变化对挡土墙的侧移影响也较大，特别是挡土墙顶部的侧移；随着黏聚力的增大，墙体侧移逐渐减小。而从图5(b)可以看出，主动土压力强度分布呈“R”形，在基坑开挖面附近主动土压力出现转折；总体而言，随着土体黏聚力的增大，挡土墙上的主动土压力是逐渐减小的。

4.3 围护挡墙高度的影响

取基坑平面尺寸为L×D=250 m×190 m，基坑开挖深度H=13.6 m，变化挡土墙高度分别为22，24，26，28，30 m，分析不同挡墙高度对挡土墙侧移和主动土压力强度的影响。挡土墙侧移、土压力计算结果如图6所示。

图6 挡土墙高度对侧移和主动土压力的影响

由图6(a)可以看出：挡土墙高度对挡土墙的侧移有一定的影响；保持基坑开挖深度不变，随着挡土墙高度的增加，在挡土墙上部墙体侧移随挡墙高度增大而逐渐增大；而在挡土墙下部却相反，随墙体高度增加、墙体侧移逐渐减小，如H=30 m时墙体侧移是最小的。因此在基坑工程挡土墙设计时要选择合适的高度，从而使挡墙高度最小的同时得到最好的稳定性。由图6(b)可以看出，主动土压力强度分布呈“R”形；随着挡土墙高度的变化，挡土墙上的土压力变化并不明显。

4.4 基坑长宽比

为研究基坑长宽比L/D变化对挡土墙侧移和土压力的影响， 取基坑开挖深度为H=13.6 m， 基坑长度为100 m， 变化基坑宽度使得基坑长宽比L/D分别为1.0， 1.3， 2.0， 5.0， 挡土墙侧移、 主动土压力数值计算结果如图7所示。 由图7(a)可以看出： 长宽比变化对挡土墙的侧移影响较大， 特别是挡土墙顶部侧移； 随着长宽比的增大， 墙体侧移逐渐减小。 这说明， 方型基坑的空间效应更明显。 从图7(b)可以看出： 主动土压力强度分布呈“R”形， 在基坑开挖面附近主动土压力出现转折。 总体而言， 在基坑开挖面以上， 随着基坑长宽比增大， 挡土墙上的主动土压力是逐渐减小的； 而在基坑开挖面以下， 特别在靠近挡土墙的底部范围内， 随着基坑长宽比增大， 挡土墙上的主动土压力强度逐渐增加。

图7 基坑长宽比对挡土墙侧移和主动土压力的影响Fig.7 Effectofaspectratioofexcavationpitonlateraldisplacementandactiveearthpressure

5 结 语

本文采用数值模拟软件，对超大基坑挡土墙与土体之间的相互作用进行了研究，得出如下结论：

(1) 土体内摩擦角和黏聚力对挡土墙侧移影响较大，随着内摩擦角和黏聚力的增大，挡土墙上的主动土压力和墙体侧移逐渐减小。

(2) 挡土墙入土深度变化，对挡土墙上的主动土压力影响不明显，对挡土墙的侧移有一定影响。随着挡土墙插入深度增加，挡土墙上部的墙体侧移逐渐增大；而在挡土墙下部却相反，随墙体入土深度增加，墙体侧移逐渐减小，当插入比在1.2左右时，墙体侧移最小，因此基坑工程挡土墙设计时要选择合适的插入比。

(3) 分析了基坑长宽比对主动土压力的影响，在开挖面以上，随着基坑长宽比增大，挡土墙上主动土压力逐渐减小；而在基坑开挖面以下，特别在靠近挡土墙底部范围内，随着基坑长宽比增大，挡土墙上的主动土压力强度逐渐增大。

[1] 刘国彬,王卫东. 基坑工程手册(第二版)[M]. 北京:中国建筑工业出版社,2009.

[2] 应宏伟,杨永文.杭州深厚软黏土中某深大基坑的性状研究[J]. 岩土工程学报, 2011, 33(12): 1838-1846.

[3] 孙书伟,林 杭,任连伟. FLAC3D在岩土工程中的应用[M]. 北京:中国水利水电出版社,2011.

[4] LIN D G, CHUNG T C, PHIENWEJ N. Quantitative Evaluation of Corner Effect on Deformation Behavior of Multi-strutted Deep Excavation in Bangkok Subsoil[J]. Geotechnical Engineering, 2003, 34(1):41-57.

[5] ROBOSKI J F. Three-dimensional Performance and Analyses of Deep Excavations[D].Evanston, Illinois:Northwestern University, 2004.

[6] 侯永茂. 软土地层中格形地下连续墙围护结构性状研究[D].上海:上海交通大学, 2010.

[7] 徐中华. 上海地区支护结构与主体地下结构相结合的深基坑变形性状研究[D].上海:上海交通大学,2007.

[8] 王 梅,李镜培. 超大型基坑地下连续墙逆作法施工引起的地表沉降[J].港工技术,2012, 49(4): 51-53, 67.

(编辑：刘运飞)

Numerical Simulation on Interaction Between Retaining Wall andSoil Mass of a Large Excavation Pit

WANG Mei1, 2

(1.College of Machinery and Engineering, Taishan University, Tai’an 271000, China;2.Department of Geotechnical Engineering, College of Civil Engineering, Tongji University,Shanghai 200092, China)

With a deep excavation pit as an example, FLAC3Dis employed to simulate the trends of active earth pressure in the presence of lateral displacement of retaining wall in consideration of the joint action among retaining wall, beam and soil mass. The active earth pressure distributes in “R” shape when drum-type displacement of retaining wall occurs. Furthermore, the influences of several parameters (including internal friction angle, cohesion, embedded depth of retaining wall, aspect ratio of excavation pit) on the lateral displacement and active earth pres-sure are analyzed. Results reveal that internal friction angle and cohesion of the soil have great influences on the lateral displacement of retaining wall. With the increase of internal friction angle and cohesion, the active earth pressure and the lateral displacement of retaining wall decrease gradually. The embedded depth of retaining wall has no obvious effect on active earth pressure, but affects the lateral displacement: the lateral displacement of the upper retaining wall increases gradually when the embedded depth of retaining wall is increasing; while for the lower part of the retaining wall, the regularity is the opposite, with the lateral displacement reaching the minimum when insert ratio is about 1.2. Above the excavation face, the active earth pressure on the retaining wall decreases gradually with the increase of aspect ratio; while below the excavation face, especially near the bottom of the retaining wall, the active earth pressure on the retaining wall gradually increases with the increase of aspect ratio.

excavation pit; joint action; lateral displacement; earth pressure; aspect ratio

2015-11-11；

2016-01-19

国家自然科学基金资助项目(51408398)；山东省重点研发计划项目(2015GSF117031);泰山学院引进人才科研启动基金项目(Y012014012)

王 梅(1976-)，女，山东省泰安市人，讲师，博士，主要从事挡土墙理论与试验方面的研究，(电话)0538-6715553(电子信箱)may_666@yeah.net。

10.11988/ckyyb.20150963

2017,34(1):77-80，86

TU47

A

1001-5485(2017)01-0077-04