框架逆作与顺作超大深基坑变形特性对比研究

柏 挺，陈仕洋，李文翔

(1.广西建设工程质量安全监督总站， 广西 南宁 530022；2.广西住房和城乡建设厅保障处， 广西 南宁 530028；3.广西住房和城乡建设厅设计处， 广西 南宁 530028)

框架逆作与顺作超大深基坑变形特性对比研究

柏 挺1，陈仕洋2，李文翔3

(1.广西建设工程质量安全监督总站， 广西 南宁 530022；2.广西住房和城乡建设厅保障处， 广西 南宁 530028；3.广西住房和城乡建设厅设计处， 广西 南宁 530028)

框架逆作法；三维有限元分析；变形特性

深基坑工程既涉及到土力学的强度、变形与稳定性问题，又涉及到土与支护结构的共同作用问题。随着基坑的深、大化，对基坑自身和基坑周边环境的安全性提出了挑战，对基坑的基坑支护方案设计也提出了更高的要求[1]。合理的基坑支护方案设计应从多方面考虑，而基坑的变形预测分析一直是变形控制的基坑设计中的核心内容之一[2-3]。准确的预测基坑的变形，预测其对周围环境的影响，有利于对基坑的支护方案设计进行不断地优化，进而将基坑周围土体变形限制在允许范围内，确保基坑周围建(构)筑物、地下管线等设施的正常运营。

超大面积深基坑工程目前常用的施工方案主要有常规顺作法和传统逆作法(即楼板逆作法)[4]。常规顺作法施工超大面积深基坑，需要设置大量的临时支撑，造成了资源的浪费，不符合当前社会节能环保的主题，而且支撑整体刚度小的特点决定了其控制变形的能力相对较弱[5]。针对传统施工方法存在的问题和缺点，近年来在上海深基坑工程实践中，发展出一种与传统逆作法不同的新型半逆作法技术——框架逆作法。框架逆作法结合了顺作法和逆作法的施工优点，仅需先浇筑框架梁，楼板待土方开挖完成后再浇筑，既加快了土体开挖和支撑安装速度，又满足了支撑体系的刚度要求[6]。

传统的解析方法[1]在理论上都存在各自的局限性。随着计算机技术的飞速发展，有限元法作为一种高效结构分析方法，在众多领域中得到了广泛应用，数值分析方法已经变成了深基坑工程最有效的分析手段之一[7]。框架逆作法施工的深基坑具有复杂的支护结构，开挖过程是一个土与结构共同作用的三维问题。因此，对于不规则形状的基坑，建立三维有限元模型进行模拟分析是很有必要的。

徐中华等[8]研究总结了各种土体模型在基坑工程分析中的适用性，综合文献[9]研究结果可见，弹性模型并不适合用于基坑开挖的分析，因为弹性模型不能反映土体的塑性性质。小应变模型虽然可以体现土体更复杂的一些性质[10]，但该模型的试验参数较多，部分参数很难确定，这大大降低了它的适用性。

1 工程概况

1.1 基坑和周边环境概况

背景工程基坑长、宽分别为251 m和189 m，基坑总面积约46 240 m2，属超大型深基坑。基坑东侧地下室距离23红线约5.6 m，红线外是宽约20 m的锦康路，道路对面为香梅花园，地下室外墙距离香梅花园建筑物(桩基)在30 m以上。南侧地下室距离红线约5.2 m，地下室外墙距离酒店主楼约35.1 m，这些建筑物均为纯桩基础，分界线附近无地下管线。西侧地下室距离红线约5.5 m，红线外是宽约15 m的城市绿化带，绿化带外是宽约60 m的杨高南路；北侧地下室距离红线约5.1 m，红线外是宽约10 m的城市绿化带，绿化带外是宽约40 m的花木路。总的来说，基地周边环境条件十分复杂，对环境保护的要求较高，其与周围环境的平面关系见图1。

图1 建筑平面图

1.2 水文地质情况与土体本构模型

Hardening-Soil模型是一个高级本构模型(简称HS模型)，可以模拟包括软土和硬土在内的不同类型的土体力学行为[11]。HS模型考虑了土体刚度的应力依赖性，并使用三个刚度(割线模量E50、回弹模量Eur及压缩模量Eoed)来描述土体特性，不仅能区别土体加载与卸载，还考虑了软黏土的应变硬化特征，且其刚度依赖于应力历史和应力路径，给出的墙体变形及墙后土体变形情况也较为合理[12]，HS模型具有以下物理力学性质：在主偏量加载下，土体的刚度下降，并产生了不可逆的塑性应变；在三轴排水试验中，轴向应变和偏应力的关系可以近似地用双曲线来描述[13-14]。土体硬化分为剪切硬化与压缩硬化，当土体的塑性应变是由初始偏应力产生时，用剪切硬化进行模拟。当土体的塑性应变是由静水压力产生时，用压缩硬化进行模拟。使用HS模型可以分别分析这两种硬化条件，因此本文数值分析中土体本构模型选用HS模型。

本基坑地下水静止水位深度约为1.30 m，基坑开挖深度一般为13.5 m～15.0 m，局部深度达到20.5 m，应验算基坑底部的稳定性。各土层的物理力学参数以及土体模型相关计算参数见表1。

表1 土的物理力学指标及模型计算参数

2 基坑的三维数值模型建立

根据工程概况可知，本工程实例属于较规则的基坑形状，支护结构近似对称，为方便建模并节约计算资源，本文分析过程中在原基坑的东南角方位取1/4开挖平面，建立1/4对称区块模型。计算模型范围为260 m×210 m×90 m，其中开挖区域的长、宽和挖深分别为146.0 m、108.0 m和13.6 m。本文计算模型基坑边缘到边界的距离均大于最大开挖深度的7倍，基坑深度方向取90 m，以尽量减小模型边界条件对基坑变形的影响。水平支撑形式采用全框架梁形式，三维数值模型见图2。

图2 基本分析模型

3 不同方案基坑变形对比

3.1 围护墙体变形比较

图3为不同开挖方案基坑中心对称面上各开挖阶段下围护墙最大侧移对比情况，由图3可以看出三者围护墙的变形形态基本一致，最大位移均处于开挖面的附近。基坑开挖至底时，三者墙体最大位移对比关系为：顺作法(53.8 mm)>框架逆作法(39.3 mm)>全逆作法(34.3 mm)。另外，由于顺作法需要拆除临时支撑，造成二次变形达6 mm左右，顺作法最终墙体变形为59.5 mm。

由于支撑刚度较小，顺作法施工的基坑围护墙的顶端和底端位移也要远大于其他两种方法。在墙体最大位移位置方面，基坑开挖至底时：顺作法施工的基坑围护墙最大位移位于墙体的-13.6 m处，拆除临时支撑后，由于支撑的位置发生改变，围护墙最大位移出现在墙体的-12.8 m处；框架逆作法施工的基坑围护墙体最大位移发生位置为墙体的-13.6 m处；全逆作法施工的基坑围护墙体最大位移发生位置为墙体的-14.1 m处。这是因为顺作法施工基坑，拆除支撑后，支撑位置上移，导致墙体最大位移上移，而全逆作法相比框架逆作法，支撑位置不变，但支撑刚度加大，导致墙体最大位移位置下移。这说明三种施工方法因为支撑刚度和支撑位置的改变，而最大位移和最大位移发生位置也相应的发生改变，其中，全逆作法墙体位移最小，仅为开挖深度的0.25%，最大位移位置最靠下，位于-14.1 m处；顺作法墙体位移最大，为开挖深度的0.39%，最大位移位置最靠上，位于-12.8 m处。

图3 不同开挖方法围护墙侧移对比

3.2 墙后地表沉降比较

图4为不同施工方案基坑中心对称面上各开挖阶段下墙后地表沉降对比情况。由图4可以看出三者地表沉降形态基本相似，与围护墙体的位移相对应。基坑开挖至底时，三者最大地表沉降对比关系为：顺作法(27.8 mm)>框架逆作法(14.9 mm)>全逆作法(13.2 mm)。另外，由拆除临时支撑造成二次沉降达4 mm左右，顺作法最终地表沉降为32.0 mm。因为支撑刚度较小，顺作法施工的基坑靠近墙体的沉降也要远大于其他两种方法。地表沉降最大位置方面，基坑开挖至底时：顺作法施工的基坑地表最大沉降位于墙体的-10 m处，拆除临时支撑后，最大地表沉降位置并未发生明显变化；框架逆作法施工的基坑和全逆作法施工的基坑最大地表沉降发生位置位于墙后-12 m处。三种施工方法墙后地表沉降因水平支撑刚度的改变而改变，水平支撑刚度越小，靠墙处土体沉降和墙后最大沉降越大，而最大沉降发生位置越靠近围护墙。

图4 不同开挖方法截面处墙后地表沉降对比

3.3 二次变形

图5为不同施工方法围护墙二次变形对比，具体围护墙位置如图右上角所示。由图5可看出，顺作法基坑拆除临时起的墙体位移分别为3.9 mm和1.6 mm，而拆除第一道支撑时墙体最大位移增大0.2 mm，几乎没有发生变化，这是因为基坑的土压力由第3道和第2道支撑承担大部分，围护墙变形增长主要集中在开挖面以下较深的位置，因此拆除第一道支撑对基坑总变形影响并不大。

图5 不同施工方法围护墙二次变形对比

由于背景工程采用的是框架梁结合临时圆环支撑的支撑体系设计方案，因此这里对拆除临时圆环支撑造成的二次变形也进行了研究，研究发现拆除临时圆环支撑后，圆环区域的墙体变形总体上略有增大，但不超过1.5 mm，非圆环区域由于楼板或框架梁的支撑刚度足够大，墙体变形基本不变。

另外，通过不同临时支撑的水平刚度对比发现，基坑开挖至底时临时水平支撑刚度越大，墙体最大位移明显越小，但拆撑后墙体二次变形量却越大。这说明二次变形与水平支撑刚度大小有关。另一方面，即使临时支撑水平刚度已经较小，至坑底时墙体已经发生较大变形，但拆撑后依然存在一定量的二次变形，这部分的变形主要是由水平支撑位置改变造成的，且伴随水平支撑位置的上移，最大位移发生位置也同时上移，不同支撑刚度下顺作基坑围护墙最大位移发生位置基本一致。

综上，顺作基坑的二次变形主要是由于支撑位置的调整造成的，其大小与临时支撑与主体结构梁板的间距以及临时支撑水平刚度大小有关，间距越大，二次变形越大，临时水平支撑刚度越大，二次变形越大。

4 结 论

(1) 顺作法、全逆作法和框架逆作法因为支撑刚度和支撑位置的改变，最大位移和最大位移发生位置也相应发生改变。其中，全逆作法墙体侧移最小，最大位移位置最靠下；顺作法墙体位移最大，为最大位移位置最靠上。基坑开挖至底时，顺作法基坑墙体最大侧移量要大于框架作法和全逆作法基坑。全逆作法基坑与框架逆作法基坑变形规律相似，相应的侧移量比框架逆作法基坑略小。

(2) 顺作法施工的基坑靠近墙体的沉降也要远大于全逆作法和框架逆作法。三种施工方法墙后地表沉降因水平支撑刚度的改变而改变，水平支撑刚度越小，靠墙处土体沉降和墙后最大沉降越大，而最大沉降发生位置越靠近围护墙。

(3) 顺作法基坑拆除临时支撑引起围护墙体发生6 mm左右的二次变形，其中拆除第3道支撑、第2道支撑时引起的墙体位移分别为3.9 mm和1.6 mm，而拆除第一道支撑时对墙体最大位移影响较小；另外顺作基坑的二次变形主要由支撑位置的改变引起的，其变形量的大小与水平支撑位置改变量以及临时水平支撑刚度的大小有关。

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Contrastive Analysis of Deformation Characteristics of Excavations Constructed by Frame Top-down and Bottom-up Methods

BAI Ting1, CHEN Shiyang2, LI Wenxiang3

(1.ConstructionEngineeringQualitySupervisionHeadStationofGuangxi,Nanning,Guangxi530022,China;2.SecurityDepartmentoftheHousingandConstructionDepartmentofGuangxi,Nanning,Guangxi530028,China;3.DesignDepartmentoftheHousingandConstructionDepartmentofGuangxi,Nanning,Guangxi530028,China)

frame-top-down method; 3-D FEM; deformation characteristic

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.02.022

2017-01-20

2017-02-24

柏 挺(1984—)，男，河南信阳人，博士，工程师，主要从事工程管理工作。E-mail:baitng1984@126.com

TU443

A

1672—1144(2017)02—0116—05