对某软土深基坑的开挖变形特性研究

张会轩 陈振相

引言

随着城市发展的不断加快，大量的深基坑工程不断涌现。基坑的围护体系不仅要保证基坑土体的稳定和变形，还要保证周边建筑物、市政管线、道路等的安全与正常使用。一般来说，深基坑支护方案的选择，重点是从支护体系的变形来考虑。然而，从目前多数基坑发生事故的原因来看，主要是对基坑开挖过程中变形控制的研究存在不足。

基坑工程的研究已有80年之久，研究的方法有：理论分析与模型预测法、经验估算法、模型试验法和数值仿真法等。现在看来，数值仿真的前景一片大好。随着计算机的发展，计算软件层出不穷，有很多软件对基坑的开挖模拟有很好的效果，如：FLAC-3D、ANSYS、PLAXIS3D、MIDAS/GTS、ABAQUS等。本文拟通过大型通用数值软件ABAQUS模拟武汉某深基坑开挖过程，并将结果与监测结果进行对比分析，得到的结果可为类似工程作参考。

1 工程概况

该软土深基坑位于武汉市汉阳区。拟建场地为整体地下车库，基坑东西长约165m，南北长约235m。地下车库分二层和三层两个部分，其中三层地库部分位于基坑西南侧，东西长约100m，南北长约145m。二层地库支护设计深度9.9m，三层地库支护设计深度13.9m。

2 地质概况与周边环境

2.1 工程地质条件

拟建场地原为稻田地和水塘，现已回填。场地地貌单元属于长江二级阶地。地层根据钻探揭露，包括人工填土层、第四系全新统湖相淤积层、第四系全新统冲积层、第四系上更新统冲积层、第四系残积层、白垩～第三系泥质粉砂岩。其中对基坑支护降水有影响的地层主要为上部4层。该场地的土层参数见表1。

表1 土层基本物理力学参数

2.2 周边环境情况

基坑北侧：地库外轮廓线距用地红线约6.0m，西北角距北用地红线约60.0m，红线紧邻在建梅林四街，中部红线紧邻预留轨道变电所用地；基坑东侧：地库外轮廓线距用地红线约6.0m，红线紧邻在建梅林东路；基坑西侧：地库外轮廓线距用地红线约21.0～27.0m，红线紧邻江城大道；基坑南侧：距用地红线约6.0～12.0m，红线紧邻在建梅林五街。基坑东侧、南侧、北侧在建道路已建成，但尚未通车，道路两侧埋藏有燃气、通讯、电力、雨水、污水等市政管线。

3 计算模型

综合考虑工程周边交通实际情况，地面超载和支护结构变形可能最大的地方，选取基坑三层地下室南侧一剖面（I-J剖面）进行模拟分析。模型尺寸为：基坑开挖实际深度为13.9m，基坑开挖宽度取50m，模型宽高一般为开挖宽高的三四倍，模型的水平方向取200m，竖直方向取56m。根据工程实际深度和地质勘察资料，将土体按照不同材料分为5层，土体采用修正剑桥模型。模型简图如图1所示。计算时施加边界约束条件为：地面和基坑开挖面为自由边界，不受任何约束，左右边界受水平向位移约束，下边界受到水平向和竖直向的双向约束。桩土间的接触采用Tie接触。网格的划分为：土体采用四节点平面应变单元（CPE4），内支撑与支护桩采用二维线性剪切应变单元（B21），网格总数量为11542个。在基坑开挖之前，基坑内土体已经受到了地球引力的影响，为了平衡地球对土体变形的影响，采用初始地应力平衡方法，给基坑模型所有土体一个重力。在基坑第一层开挖前建立*Geostatic分析步，输入*initialconditions，type=stress，geostatic。

图1 I-J剖面的土层划分与支护情况

4 计算结果与监测结果对比

4.1 水平变形

图2 测点C16处各工况下基坑水平变形随深度变化对比图

从图2可以看出，本次数值模拟结果基坑水平方向变形的对比中，数值模拟结果和监测结果图形相似，模拟数值和监测数据接近，说明这次模拟是成功的。随着基坑的开挖，基坑的水平变形沿开挖深度方向，先增大后减小，再增大再减小，总体呈“抛物线型”。

4.2 墙后地表沉降

由图3可以看出，本次数值模拟结果周围地表沉降对比中，数值模拟结果和监测结果图形相似，说明这次模拟是成功的。随距基坑的距离增加，基坑周围地表沉降变形先增大后减小，总体呈“凹槽形”。本次周围地表沉降变形数值模拟的结果偏小，可能是因为模拟是理想下的施工条件，监测结果受施工因素的影响。

5 结论

本文通过有限元软件ABAQUS模拟武汉某软土深基坑开挖变形特性，并把模拟结果与监测结果进行对比，得出以下几点结论：

图3 测点C16处基坑周围地表沉降随距基坑距离变化对比图

（1）随着基坑的开挖，基坑的水平变形沿开挖深度方向，先增大后减小，再增大再减小，总体呈“抛物线型”。

（2）基坑周围地表沉降，随距基坑的距离增加，沉降变形先增大后减小，总体呈“凹槽形”。

（3）基坑开挖过程模拟得出的基坑变形与监测结果得出的图形相似，说明用ABAQUS对软土深基坑开挖过程模拟是可行的，以后类似工程可用ABAQUS模拟做预测，指导设计与施工。

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