某深基坑支护的数值模拟分析

孙 超，杨 凯

（吉林建筑大学,吉林长春130118）

为了有效节约城市土地资源，城市建筑物开始注重上层空间的开发，地铁和地下的商城向更深处发展，这些基础设施工程的前期建设都需要开挖一些大型深基坑，而且对其稳定性的要求很高，因此大型基坑支护工程对基坑支护工程的设计要求很高。随着开挖基坑深度的增加，地质条件和水文环境的条件更加复杂，基坑的支护也遇到一些前所未有或难以解决的难题，需要我们对基坑工程进行支护的理论和方式进一步深入研究［1］。

一、基坑支护

（一）几种常见基坑支护类型

1.钢板桩

支护形式比较容易操作，并且花费较少。

2.地下连续墙

刚度和抗渗方面效果都很好，因此通常用于环境条件较恶劣的施工环境中。

3.柱列式的灌注桩的排桩

支护的设计形式分为密排与疏排。在设计时要确保混凝土梁帽连接的可靠性［2］。

（二）地下连续墙优缺点介绍

地下连续墙优点：

1.这种墙体强度和度都很大，耐久性能也很好。

2.当结合逆作法施工时，可减少施工期。

3.施工机械化程度、效率、精度高，劳动强度低。

4.建筑施工过程振动小，噪音低，有利于保护整个城市的生态环境。

地下连续墙缺点：

1.地下连续墙的施工，需要种类较多的施工机具和设备，一次性的投资成本较高，如果基坑开挖深度不大，则其经济性能相对较差［3］。

2.施工工艺较为复杂，技术化程度要求高，质量技术标准要求严，施工队伍必须具有相当的专业技术水平。

3.会排放很多的建筑废浆，在城市中处理起来比较麻烦。

二、工程概况

深基坑土层分布较为复杂，地下布置的管线较多。基坑长40 m，宽16 m，深8m，采用地下连续墙以及混凝土内撑进行支护。为分析土体稳定性，模拟基坑时通常会考虑摩尔-库仑模型。结合本基坑工程实际地质环境条件，本深基坑模拟也选用摩尔-库仑模型。

（一）工程地质条件

基坑场地地形平整，土层自上而下共分为5层。各层土的力学参数如表1所示。

（二）水文地质条件

大气降水作为该地区地下水补给的主要来源，地下水水位随季节而发生变化，6～9 月水位较高，水位年变化范围为1.0～2.0m。地下水初见水位较稳定水位低0.6～0.8m。

（三）支护结构材料参数

表1 土层力学参数表

由于该基坑工程地下水位较高，施工场地较小且对周围的环境限制较为严格，故选用地下连续墙配合钢筋混凝土内支撑进行基坑支护。其中，地下连续墙厚度选择800mm。地下连续墙与内支撑材料参数如表2、表3所示。

表2 地下连续墙材料参数表

表3 内支撑材料参数表

三、FLAC3D模拟

（一）3.1 FLAC3D概述

FLAC 广泛应用于各种工程力学的计算，软件中模拟的工程是通过控制单元和区域来实现的。用户可以根据自己的要求来进行网格划分，网格划分的疏密程度由自己决定。用户可以自己进行编码并利用FLAC3D中的功能进行动态分析来对各种动力工程进行动态模拟［4］。FLAC3D在各种工程分析中被广泛应用并得到了用户的一致好评。

（二）FLAC3D模型建立

结合基坑的对称性特点，采用1/2 模型作为三维数值模型分析的对象，应用FLAC3D建模时，模型在基坑的水平方向上的影响范围约3～4 倍开挖深度，在竖直方向上的影响范围约为2～4 倍开挖深度［5］。本模型水平向即 X 方向的范围为74m，土层的宽度即Y 方向为41m，模型竖向即Z 方向范围取18m，以此建立三维模型对基坑支护过程进行模拟。开挖土体模型采用null 单元，模拟内支撑用beam单元，模拟地下连续墙用实体单元。

在模拟开挖前，设置边界条件：固定X、Y 和Z方向的位移，即模型的侧面和底部为边界，上部不加约束。设置好模型边界条件，土体会在自重的作用下重新分布，此时得到的位移云图如图1所示。从图1 中可以看出，重新分布后的土体最大位移为11.894cm。

（三）开挖过程模拟

基坑开挖支护模拟共分4 个工况进行。工况1：开挖到基坑深2米处，建立第一层支撑。工况2：开挖到基坑深4米处，建立第二层支撑。工况3：开挖到基坑深6米处，建立第三层支撑。工况4：开挖到基坑深8米处，建立第四层支撑。

（四）模拟结果

深基坑开挖支护过程是土体和维护结构相互作用，位移不断变化并逐渐趋于新平衡的过程，其变形过程比较复杂，得到的结果也比较多［6］。对不同工况下的土体、墙体的位移等数据进行分析如下。

1.基坑水平位移

由图2～5看出，基坑每一步开挖支护过程中地下连续墙附近土体的位移均发生不同变化，土体的水平向位移对其影响的范围会随着开挖深度的增加而扩大。图2显示，当开挖深度为2m 时，墙底部的水平向位移影响区域比较小，呈 “o” 形，水平位移约为2.9722mm。随着基坑开挖的进一步进行，基坑侧壁土体对地下连续墙产生的主动土压力逐渐增大，导致连续墙产生了向基坑内侧的开挖导致的位移［7］。从图 3 可以看出，当开挖深度为 4m 时，和图 2进行对比，图3 中的基坑底部水平位移影响范围要明显偏大，最大位移量为5.847mm。从图4 可以看出，在开挖深度6m 的位置处水平位移影响更大。图5中显示当基坑深度为8m 处时，位移呈 “8” 字形，最大水平位移量为9.0419mm。

2.基坑土体竖向位移

基底的隆起是我们判断基坑开挖后稳定程度的重要指标之一。图6～9给出了基坑开挖过程中各工况下基坑隆起位移云图，可以看出开挖面均存在不同程度的基底卸荷回弹现象。基底隆起量从基坑边侧至中心处的位置逐渐增加，由于基坑边侧受到了墙体的约束作用，周边的隆起量最小，中心处最大。在进行工况1 时，最大隆起量约为14.824mm。在进行工况2 时，最大隆起量约为33.033mm。在进行工况3 时，最大隆起量约为42.747mm。在进行到工况4 时，最大隆起量约为46.591mm，发生在局部开挖的中间区域。上述基底隆起量均不会对基坑的稳定性造成太大影响。

3.地下连续墙水平位移

当开挖深度逐渐增大时，土体发生扰动，土体应力的重新分布会对连续墙产生侧向的土压力，导致墙体产生一定的位移［8］。根据经验，地下连续墙竖向位移很小，因此不会对基坑的稳定产生太大的影响，所以本文重点研究其水平方向位移。我们在地下连续墙内壁设置5个监测点，监测其侧向位移。

为研究地下连续墙厚度的增加是否会对其水平位移产生的影响，增加一组墙厚1000mm 时产生的水平位移。

随着工况1 到工况4 的不断进行，每条侧向位移曲线都大致呈4 段 “台阶状” 。地下连续墙的侧向位移随开挖深度增加而变大。当地下连续墙厚800mm，开挖深度为8 米时，侧向位移达到峰值，其最大位移值为6.4201mm。当开挖结束后，其侧向位移极值略有恢复，最后稳定在6.3228mm 左右。当地下连续墙厚度为1000mm，开挖深度8 米时，侧向位移极值为5.6345mm，后稳定在5.6025mm。从这些数值可以看出，随着地下连续墙厚度的增加，其侧向位移略有减小，但结合工程实际，增大墙厚带来的效益并不明显，所以在确保墙厚满足要求时，不要一味依靠增加墙厚来减小侧向位移。

四、结论

本文以某大型基坑开挖工程为例对基坑进行了设计、计算和数值模拟，得到以下结论：

（一）FLAC3D能够充分反映实际基坑开挖过程中土体应力与位移的分布规律，更加形象地呈现出土体与支护结构之间的相互作用，能够很好地反映基坑支护过程。

（二）基坑内土体水平最大位移处随开挖深度的增加而逐渐下降，且位移影响范围呈 “8” 字形。土体的竖向位移随着开挖深度的增加而增大，且从墙边至基坑中央位置的位移也逐渐增大。

（三）随着基坑开挖持续进行，地下连续墙水平位移逐渐增大，墙厚800mm 时，其最大位移值仅为6.42.1mm，说明地下连续墙结合内支撑的施工形式具有很高的安全性，适合对安全要求高的工程。当增加连续墙厚度时，位移减小并不明显，所以要根据工程实际选择连续墙厚度。