某深基坑工程围护结构变形规律分析

李兆瑞，汪东林

(安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230022)

某深基坑工程围护结构变形规律分析

李兆瑞，汪东林

(安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230022)

以合肥地铁一号线玉兰大道站基坑工程为研究对象，利用MIDAS/GTS软件建立连续的二维有限元模型，对基坑开挖过程中围护结构变形进行模拟。通过改变围护结构嵌入深度及刚度，讨论不同参数对围护结构变形的影响。结果表明：当不满足稳定性要求时，深层水平位移随着桩体嵌入深度、围护结构刚度的增加而显著减小；当结构趋于稳定时，增大桩体嵌入深度以及围护结构刚度并不能有效减少深层水平位移。

深基坑；有限元；围护结构；水平位移

近年来，随着经济的快速发展和人口剧增，城市用地变得越来越紧张，地下空间正逐步成为可利用的重要资源。城市周围密集的建筑物及地下复杂繁多的管道线给深基坑开挖带来了一系列的技术难题，其开挖过程中所产生的围护结构变形也会危害周边建筑物的安全，研究深基坑工程围护结构变形规律已成为工程设计的关键。

目前，很多学者在基坑变形的变化规律、影响因素以及优化设计等方面展开研究并取得了一定成果。刘国彬[1]对深基坑施工围护结构变形的时间特性进行了研究，徐伟[2]对深基坑施工方案设计进行了优化，徐中华等[3]研究了软土地区采用灌注桩围护结构的深基坑变形，房师军[4]详细分析了基坑施工各阶段的围护桩体变形规律，胡斌等[5]对深基坑分步开挖过程中支护结构的水平变形规律进行了研究，刘永健等[6]对软土地区的深基坑施工所引起的变形及对周边环境产生的影响进行了研究。本文结合国内外对于基坑支护结构稳定性计算理论的研究，以合肥地铁一号线玉兰大道站基坑工程为例，利用MIDAS/GTS软件建立了连续的二维有限元模型，分析了围护结构嵌入深度及围护结构刚度对深基坑水平位移的影响[7]。

1 工程概况及地质条件

1.1 工程概况

地铁换乘玉兰大道站位于长江西路与玉兰大道交叉口西侧，长江西路高架桥南侧，沿长江西路东西向布置，主体标准段为地下两层单柱双跨12.0 m岛式站台车站，钢筋混凝土框架结构。车站两端区间为盾构法施工，车站东端设盾构始发接收井，西端设盾构调头井。车站采用明挖顺作法施工，标准段宽度为20.7 m，车站覆土厚度为2.57～3.00 m，底板埋深15.94～16.36 m；东西端均设端头井，端头井宽度为24.9 m，小里程(西端)端头井最小覆土厚度2.64 m，底板埋深16.87～17.40 m；大里程(东端)端头井最小覆土厚度2.45 m，底板埋深16.68～17.67 m。车站主体部分围护结构采用Φ800@1 000钻孔灌注桩结合钢支撑的形式，其中围护桩的嵌入深度为 21.5 m，桩顶设置的混凝土冠梁的尺寸为b×h=1.0 m×0.8 m，桩间土采用C10 的混凝土挂网喷射，钢支撑采用直径为609 mm，壁厚为14 mm的钢管。

车站北侧毗邻长江西路高架桥，主体基坑围护结构距离高架桥桩基8.82～11.9 m(净距)，南侧为安徽名人广场，广场东北角(车站东南角)有一座千秋江淮柱雕塑，主体基坑围护结构距离雕塑基础最小25.3 m(净距)，场地环境较好。

1.2 地质条件

表1 土层物理力学参数表

2 数值模拟

2.1 建立有限元模型

根据工程的实践经验及以往的有限元分析计算，本文取基坑开挖宽度的6倍、开挖深度的4倍作为深基坑开挖的影响范围。实际基坑开挖宽度为20.5 m，开挖深度为16.5 m，本文取模型宽度120 m，深度64 m。模型中土体按平面应变单元进行分析，采用Mohr-coulomb模型，围护结构和支撑按梁单元进行分析，采用弹性模型。边界条件设置为底部完全约束，顶部自由，左右边界水平约束。有限元计算模型如图1所示。

2.2 深基坑开挖施工工况

模型中模拟开挖的施工顺序为：

工况1，开挖第一层至设计标高的-1.0m处；

工况2，浇筑混凝土冠梁，同时在冠梁顶部安装第一道混凝土支撑，开挖第二层至设计标高的-7.0 m处；

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工况3，在位于开挖面以上0.5 m处安装第二道钢支撑，开挖第三层至设计标高的-12.0 m处；

工况4，在位于开挖面以上0.5 m处安装第三道钢支撑，开挖第四层至设计标高的-16.5 m处，此时为基坑开挖的最后一层。

本文模型中的不同开挖步骤是利用MIDAS/GTS软件中的“激活”与“钝化”功能来实现的。首先建立好模型中所需的单元，然后利用“激活”与“钝化”功能把各个单元分布到各个开挖阶段之中，模拟实际施工中的加撑与拆除的施工过程。

图1 深基坑开挖模型 图2 深层水平位移示意图

2.3 数值模拟结果分析

基坑开挖第一层至设计标高的-1.0 m时，由于开挖卸土作用，基坑开始发生深层水平位移，此时围护结构内外应力平衡被打破，其内侧逐渐产生被动土压力，外侧逐渐产生主动土压力。

浇筑混凝土冠梁并安装第一道混凝土支撑后，开挖第二层至设计标高-7.0 m，其深层水平位移持续增加。一方面是由于随着开挖深度的增加，围护结构内外侧的主动、被动土压力的差值不断增大，导致整体深层水平位移不断增加；另一方面，第一道混凝土支撑开始发挥作用，限制了围护结构向基坑内侧倾斜或向基坑外侧发生一定位移，但是向基坑外侧的侧移量一般很小，属于弹性回弹。

安装好第二道支撑后开挖第三层至设计标高-12.0 m，此时深层水平位移仍然持续增加。如图2所示，此时围护结构的深层水平位移最大值处于第二层支撑稍微向下的位置，整个深层水平位移曲线呈现的是“两端小，中间大”的特征。这是因为随着开挖深度的增加，围护结构内侧的被动土压力和外侧的主动土压力之差持续增加，深层水平位移变形量也逐渐增加。另外，因为随着基坑开挖的增加，基坑底部土体越来越硬，对围护结构变形的限制作用也逐渐增强，在一定程度上限制了围护结构向基坑内侧发生侧移，所以此时深层水平位移最大值处于第二层支撑稍微向下的位置，而不是出现在开挖面附近。

安装好第三道支撑，开挖最后一层至设计标高-16.5 m，可以看出深层水平位移依然持续增加，但是增加的幅度有限。可见，深层水平位移随着开挖深度的增加不断增大，增大的速率随着支撑作用的发挥而不断减小，但围护结构的最大水平位移整体呈现增加趋势，在开挖面附近会出现最大水平位移，然后稳定在某一区域，若想有效地减小支撑附近的水平位移就必须考虑合理的架设支撑。

3 围护结构对深基坑开挖影响研究

3.1 围护结构嵌入深度的影响

在地铁1号线玉兰大道站深基坑开挖的工程实例中，基坑围护桩嵌入深度为21.5 m。为讨论基坑围护桩嵌入深度对深基坑开挖变形的影响，分别在此基础上将嵌入深度减少1 m、增加1 m、增加2 m，分别取20.5 m、22.5 m、23.5 m，基本假定和参数选取保持不变，得出不同嵌入深度下围护结构的变形[8]。见图3。

图3 围护结构深层水平位移最大值

对比图3(a)、图3(b)可知，围护结构深层水平位移有一定的增加趋势，且这一趋势在基坑的上半部分表现得更为明显，深层水平位移随开挖的变化规律仍符合基本规律。观察图3(c)可知深层水平位移的最大值约为2.6 mm，整体出现减少的趋势，但是其趋势并不十分明显。由图3(d)可知深层水平位移的最大值仍为2.6 mm，较前者基本无变化，呈现出稳定状态，说明桩体嵌入深度的增加对深层水平位移所起的作用越来越小。

图4 不同桩体嵌入深度深层水平位移最大值

观察图4在桩体嵌入深度由20.5 m增加到23.5 m的过程中，深层水平位移的变化并不是十分明显，尤其是之后增加的2 m，对深层水平位移的影响可以忽略不计。这个情况说明当不满足稳定性要求时，深层水平位移随着桩体嵌入深度的增加显著减小，当桩体嵌入深度满足稳定性要求时，再增加桩体嵌入深度对深层水平位移的影响微乎其微，并不能有效地控制深层水平位移[9]。

3.2 围护结构刚度的影响

在地铁1号线玉兰大道站深基坑开挖的工程实例中，基坑围护桩的直径为0.8 m。讨论基坑围护结构刚度对深基坑开挖变形的影响，可以从增加和减小围护结构的断面面积来实现。本文在基坑围护桩直径为0.8 m的基础上，分别取此直径的0.5倍、1.5倍，即分别取直径为0.4 m、1.2 m、1.6 m，基本假定和参数选取保持不变，得出不同围护结构刚度下围护结构的变形[10]。

图5 围护结构深层水平位移最大值

与围护桩直径为0.8m的初始状态相比较，图5(a)中深层水平位移最大值约为7 mm，相较于初始状态的3 mm有较大的增幅，变形规律依然与基本规律相吻合,说明此时围护结构产生了较大的变形，对基坑开挖的稳定性要求有着不利影响。图5(c)显示深层水平位移的最大位移量约为1.8 mm，与图5(a)比较有一定的减少，此时变形的曲线幅度更小，没有突变的现象，说明此时的深层水平位移变形更稳定。图5(d)中桩体直径为1.6 m时深层水平位移的最大值约为1.4 mm，与图5(a)相比仍然有持续减小的趋势，但是减小的幅度有限，相比于图5(c)呈现稳定趋势。

图6 不同桩径深层水平位移最大值

图6直观地反映了深层水平位移随着桩径不断增大所发生的变化。在桩径由0.4 m增大到0.8 m时，深层水平位移有明显减小的趋势，其变化曲线更趋于稳定，变化的幅度更小；当桩径由0.8 m增大到1.2 m甚至1.6 m时，深层水平位移有减小的趋势，但其减小的幅度变小，最后趋于稳定[11-12]。由图6可知深层水平位移随围护结构刚度的增大而减小，最后趋于稳定，此时再增大围护结构刚度对减少深层水平位移影响很小。

4 结论

本文以合肥地铁1号线玉兰大道站基坑工程的数值计算为基础，通过变换基坑围护桩嵌入深度、基坑围护结构刚度等参数分别建立模型并计算，分析各因素对基坑开挖变形的影响，详细剖析不同因素对基坑变形影响的程度，得出了以下结论：

(1)当不满足稳定性要求时，深层水平位移随桩体嵌入深度的增加显著减小，当桩体嵌入深度满足稳定性要求时，再增加桩体嵌入深度对深层水平位移的影响微乎其微，并不能有效地控制深层水平位移。

(2)深层水平位移随着围护结构刚度的增大而减小，当趋于稳定时再增大围护结构的刚度并不能有效地减少深层水平位移。

(3)桩体嵌入深度和围护结构刚度对基坑开挖变形均有一定影响，当桩体嵌入深度、围护结构刚度达到控制变形的要求时，如果此时基坑变形仍过大，应从别的方面找出原因，如果仍然盲目的增加桩体嵌入深度以及围护结构刚度，不仅不能有效的控制基坑开挖变形，还会造成资源浪费、成本增加。

[1] 谢秀栋,刘国彬. 深基坑施工围护结构变形的时间特性研究[J].地下空间与工程学报,2012,8(6):1261-1266.

[2] 徐伟,吕凤梧,胡晓依. 大型深基坑施工方案的设计优化[J].建筑技术,1996(8):522-524.

[3] 徐中华,王建华,王卫东. 软土地区采用灌注桩围护的深基坑变形性状研究[J].岩土力学, 2009, 30(5):1362-1366.

[4] 房师军,付拥军,姚爱军. 某地铁工程深基坑排桩围护结构变形规律分析[J].岩土工程学报,2011,33 (8): 216-219.

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[9] 张婷. 西安地铁韦曲南站深基坑变形规律现场监测研究[D]. 西安:西安科技大学,2013.

[10] 姜安龙,邱明明,吴彬,等.深基坑开挖变形规律及控制措施研究[J].施工技术,2013,42(1):59-64.

[11] 王阳. 武汉地区软土地基深基坑分步开挖下的变形和控制研究[D]. 武汉：武汉科技大学, 2013.

[12] 魏安君. 深度探讨建筑基坑工程设计要素与施工技术[J]. 科技资讯, 2011(23):9-13.

Retaining structure deformation analysis of certain deep foundation pit engineering

LI Zhao-rui, WANG Dong-lin

(SchoolofCivilEngineering,AnhuiJianzhuUniversity,Hefei230022,China)

Taking the foundation pit engineering in Yulan Avenue of No.1 Hefei Metro Line as the research object, using the MIDAS/GTS software to build a continuous two-dimensional finite element model, and the deformation of retaining structure during excavation is simulated. By changing the embedment depth and stiffness of the retaining structure, the influence of different parameters on the deformation of the retaining structure is discussed. The results showed that When the stability requirements are not satisfied, the deep horizontal displacement decreases significantly with the increase of the pile embedment depth and the envelope stiffness. When the structure tends to be stable, re-increasing the embedment depth of the pile and the stiffness of the retaining structure cannot effectively reduce the deep horizontal displacement.

deep foundation pit; finite element; retaining structure; horizontal displacement

2016-10-24

安徽省省级质量工程项目(2014tszy023)；安徽建筑大学校级质量工程项目(2015tz01)

李兆瑞(1993—)，女，河南洛阳人，硕士研究生。

1674-7046(2017)01-0047-06

10.14140/j.cnki.hncjxb.2017.01.009

TU473

A