软土地区考虑时间效应的深基坑支护数值分析

张祖林

（上海坤茂置业有限公司，上海市 200080）

0 引言

随着我国经济的高速发展以及城市快速化，近年来，城市的空间资源紧张问题、环境问题已经越来越明显，因此急需大力加强对城市地下空间的利用。然而，在地下空间开发相对较为密集的中心城区，深基坑工程的设计和施工常常面临着周边道路市政管线密布，临近建筑物众多，紧邻地铁车站或隧道等严苛的环境因素[1-3]。另外，在软土地区，尤其是沿海陆地相沉积区域，地层中多赋存灵敏度较高的淤泥质软土，易引起基坑支护系统变形、内力增大，基坑开挖施工期间的时间效应尤为显著[4-5]，事故发生的概率较大。

软土的土体应力应变和时间的关系主要体现在两个方面：一方面是土的固结，另一方面是土的流变性，即软土地区深基坑的变形和稳定性均为时间的函数[6]。传统基坑设计通常是基于瞬时设计概念，但对于规模较大、暴露时间较长的深大基坑，为了减小基坑开挖对周边环境的影响，应考虑土体固结、流变特性等因素对方案模型进行全面的科学分析讨论，以指导深大基坑的设计施工规划部署工作。本文结合软土地区某深大基坑工程案例，通过数值模型综合分析讨论时间效应下基坑的变形规律，并结合施工工期、工程量、开挖对环境的影响等因素，对基坑设计方案进行合理地调整优化分析，为相似软土地区深大基坑工程实践提供参考。

1 工程概况

1.1 环境与水文地质概况

上海软土地区某深基坑工程，普遍开挖深度25.0 m，整体设置五层地下室，开挖面积1.99万m2。本项目周边环境见图1，基坑四周均为市政主干道，道路下管线较多，临近既有建筑及地下隧道，环境保护要求非常高。

图1 基坑周边环境示意图

本工程位于长江三角洲入海口东南前缘，属三角洲冲积平原，场地处于古河道地层沉积区。场地内第③、④层均属于高压缩性土，具有含水量高、孔隙比大、压缩模量小等特性的软弱土层。呈饱和、流塑状态，这两层土抗剪强度低，灵敏度中～高，具有触变性和流变性特点，是上海地区最为软弱的土层。另外需注意，场地内局部分布③t黏质粉土夹层，根据已有研究，在渗透性较小的粘性土层夹透水性较好的砂粉层时，软土固结对基坑变形的影响明显。本项目场地中第③、④层软土厚达9.3～16.2 m，应特别注意淤泥质黏土对基坑开挖的影响，尽量避免对主动区土体的扰动。典型地层剖面见图2。

图2 典型地层剖面图

1.2 初步方案要点

本项目土方开挖量大，施工周期长，且周边环境复杂，主要特点及难点有：（1）深大基坑稳定性问题严峻；（2）普遍区域坑底抗⑤2层微承压水、塔楼区域坑底抗⑦层承压水稳定性不满足要求，地下水控制难度大；（3）场地内厚填土、地下障碍物、软弱土层、易产生管涌流砂土层等不良地质问题多；（4）周边环境复杂，尤其是西侧道路下隧道，距离基坑围护内边线最近约18.5 m，根据相关部门及规范[7-8]规定，基坑施工期间隧道变形累计值不超过15 mm，对设计施工又是一大挑战。

经与各方讨论协商，本项目基坑初步设计采用地下连续墙+五道钢筋混凝土内支撑的的支护形式，分区顺作开挖。地下连续墙厚度为1 200 mm，考虑⑤2层微承压水的控制，地墙普遍长度为55.5 m。为加强被动区土体抗力同时减少基坑施工产生的变形，在基坑临近地下隧道区域设置宽8.8 m的三轴水泥土搅拌桩裙边加固，其余三侧设置宽6.8 m的裙边加固。典型基坑支护结构剖面见图3。

图3 基坑支护典型剖面图（单位：mm）

2 数值模型分析

基坑工程严格来讲是一个三维空间问题，但本文中的重点考虑基坑开挖的时间效应，空间效应可忽略，且二维计算结果通常偏大，对方案分析留有一定的冗余度，具有较高的参考价值，故本文建模采用PLAXIS 2D有限元软件进行模拟。在众多土体本构模型中，硬化类弹塑性模型能考虑软黏土硬化特征、能区分加荷和卸荷的区别且其刚度依赖于应力历史和应力路径，试验和分析研究表明HS-Small模型能较好的模拟基坑开挖对周边环境的影响[9]。为探讨流变对基坑工程的影响，对软土层选取软土蠕变模型，结合Biot固结理论有限元方程讨论时间效应下土体的内力变形特性。

2.1 计算模型

限于篇幅，本文重点介绍西侧靠近地下隧道一侧基坑开挖对环境影响的数值模拟。分析模型的水平方向为X向，竖直方向为Y方向。考虑一定的开挖影响范围，模型水平方向总长取120 m，竖直方向则取地表以下80 m。模型两侧施加水平向约束，底边界施加固定约束，考虑基坑的对称性，坑内去半宽开挖宽度。同时考虑20 kPa的坑边超载。本次分析模型中，土体采用三角形15节点单元进行模拟，模型以及网格划分见图3。本计算模型共有11 561个节点，划分为1 422个单元。

图3 基坑有限元计算模型图

表1 土体计算参数表

对于软土层（第③、④、⑤1层）采用软土蠕变模型进行分析，其他土层采用HS-Small模型进行分析；地下连续墙、地下隧道、管线均采用梁单元模拟，采用线弹性模型进行分析；各道支撑采用线弹性锚杆单元模拟。土体参数见表1，表中HS-Small模型参数可根据王卫东等[8-10]的研究经验确定。而λ、μ、κ分别为软土蠕变模型中修正的压缩指数，回弹指数和蠕变指数，可通过三轴实验得到：

其中，Ce、Cr、Ca分别为固结实验得到的压缩指数，回弹指数和蠕变指数。无实验数据时，可根据下列经验公式得到：

结构计算参数见表2。

表2 结构计算参数

2.2 模型计算过程

本次分析计算步骤按照实际施工工况进行模拟，见表3。由于施工方案尚未确定，表中所示时间目前为根据相似规模的基坑经验估算的时间。注意每道支撑添加考虑实际工况分为两个工况，即支撑添加持续5 d，其后设置间隔工况（约10 d）则考虑支撑达到设计一定强度及其他原因造成的误工而延续的时间。从开挖（不含围护墙及立柱桩施工时间）到基础底板浇筑完成并达到一定强度共需145 d。考虑时间效应，基坑开挖过程中计算采用固结分析计算。

2.3 计算结果分析

根据计算结果，考虑时间效应时基坑开挖引起地连墙后土体发生较大的水平向位移，位移最大值为76.60 mm，最大位移发生在较软弱的土层，在地面下18 m左右，距离坑底开挖面有一定距离，这可能是由于18 m以下开挖面进入较硬的土层，开挖更深时变形较小。模型计算得到地连墙水平向位移见图4，第一步开挖由于未设置支撑，地下连续墙墙顶位移最大，呈典型的悬臂式位移。随着支撑的增设地墙侧向位移呈鼓肚形，且随着开挖深度的增加侧向位移逐渐增大，最大值所在位置逐渐下移。本项目因考虑承压水控制，39 m以下地墙段为构造配筋，加之35 m以下土层压缩模量较高，故35 m以下部分嵌固段地墙整体变形较小。

表3 计算工况

图4 地连墙侧向位移随深度变化曲线

表4中列出了每个间隔工况计算前后的地墙最大水平位移量及其所在位置。结合图4分析可得，在各个开挖间隔工况中，地墙变形继续发展，表现出软土明显的时间效应。间隔工况期间地墙侧向位移增量、增速在浅层软土区域较大，随着开挖深度的增加，下部暴露的土层相对较硬，后期侧向位移增速逐渐减小，最后趋于稳定，与已有的一些研究成果一致[12]。传统的弹性理论计算中系统的应力和位移都是一次性释放的，而考虑到土的流变和固结的分析中，整个基坑体系的应力和变形是随着时间逐步释放的，并最终趋于稳定，更接近工程实际。在开挖到底板后位移增速出现负值推测是由于土体固结影响孔压消散，固结产生的墙体水平位移回缩大于该阶段土体卸荷产生的位移。

表4 开挖间隔工况地连墙最大水平位移增量

根据计算，本项目地下五层基坑开挖对周边环境影响较大，西侧地下隧道位移达19.43 mm，超过相关部门规定[7-8]，有必要对原方案做进一步的调整。

3 支护设计调整优化分析

为保证基坑开挖后的稳定和减少基坑及周边建筑物、隧道的变形，综合考虑质量、安全、施工进度、总体投资、风险控制等多项因素，将原地下五层方案改为地下四层，挖深调整为18.6 m，基坑支护设计方案相应地调整为地下连续墙+四道钢筋混凝土水平支撑的围护形式，分区顺作开挖，临近隧道侧地墙厚度仍为1 200 mm以保护地下隧道，其余侧地墙厚度优化至1 000 mm，典型基坑支护结构剖面见图5。

经复核验算，调整后的基坑支护设计方案安全可靠，且考虑软土时间效应通过平面弹性地基杆系有限元法模拟计算，土体水平向位移云图见图6。改为地下四层方案后，墙后土体最大水平向位移为57.77 mm，基坑开挖引起西侧隧道变形减小为11.29 mm，满足相关部门和相关规范[7-8]要求。

本项目深基坑支护方案经调整优化后，减少了一道支撑（含圈梁），同时由于支撑荷载降低，立柱、立柱桩长度均得到了优化。经计算，调整后支撑工程量较原方案减少了23.6%，立柱桩工程量较原方案减少了20.1%，调整后整个基坑支护方案总的造价较原方案减少了逾四千万元（仅参考市场价，未包括支撑拆除费用等）。同时，调整后的方案可节约工期约22～25 d，对处于环境敏感复杂的软土地区深大基坑，缩短工期意义重大，可大大降低基坑开挖期间的安全风险和对周边环境的影响。

图5 调整后的基坑支护典型剖面图（单位：mm）

图6 方案调整后土体侧向位移云图

4 结语

本文结合上海某基坑工程案例，通过数值分析对基坑设计方案进行了评估并做了优化调整分析，结论如下：

（1）当周边环境复杂敏感、环境保护要求较高时，软土地区深大基坑设计应考虑土体固结、流变特性等因素进行全面的科学分析讨论，以指导深大基坑的设计施工规划部署工作。

（2）考虑时间效应的基坑分析显示，基坑变形会随着基坑开挖深度、暴露时间的增长而变大，比不考虑时间效应的基坑开挖变形特性更接近工程实际。

（3）本项目从保护周边环境出发，根据数值分析结果及时调整设计方案，调整优化后减小了基坑开挖对周边环境的影响，合理降低了工程造价，缩短了施工工期，可以为相似基坑工程实践提供参考。