某深基坑开挖变形的数值模拟

李向群，刘 帅，李宗效

吉林建筑大学 测绘与勘察工程学院,长春 130118

0 引言

随着改革步伐的深化，我国社会经济的发展速度也发生质的变化,这使得许多外来人口将发展的目光投向大城市,城市人口数量在短时间内出现较大的增长趋势,导致了城市土地需求量的快速增加.为了使土地资源得到最大化利用,建筑物朝着高度和地下空间这两个方向的延伸.在人口处于饱和状态的一二线城市,土地资源的利用正面临着严峻的挑战.国内建筑行业在上个世纪慢慢崛起,高层和超高层建筑如雨后春笋般地拔地而起,地下工程的层数也逐渐增加,深基坑工程也因此孕育而生.由此可见,基坑工程是一项繁琐性与复杂性的工程项目,同时也是一项需要更深入研究来寻求突破工程技术难题的科研课题[1-3].

基坑工程在建筑施工中常被定义为临时工程,其难点并不仅局限在合理的设计和有丰富的施工技术方面,而且很多时候会受到施工现场的地质条件、周围环境和天气情况等影响.当对基坑工程的支护结构进行设计时,不仅要考虑方案的合理性和施工的可行性,还要考虑其结构的安全性和低成本性,所以基坑工程是一项极具挑战性、高风险性的岩土工程技术课题[4].

本文选用具有现实意义的基坑工程实例,研究基坑开挖时的变形情况.该基坑的支护方案采用的是排桩+内支撑的形式，利用有限元分析软件MIDAS/GTS,根据其地质勘查报告提供的数据,查阅了本地区的相关地质资料,对基坑建模所用到土体参数进行合适的取值,然后进行模型网格的划分和工况的定义,最后计算结果.利用基坑开挖数值模拟的结果,查看不同开挖深度其X水平方向和Z竖直方向的土体位移变化范围和变化趋势,总结其基坑变形的规律, 同时也对支护结构受力变形情况进行分析.通过对该基坑开挖变形的研究及与现场基坑监测数据进行比较,检验该支护方案的合理性和数值模拟结果的正确性.

1 工程实例

1.1 工程概况

该工程项目位于某市繁华地段,处于两条城市主要道路的交汇处的西南角位置,有两层地下室.该工程基坑开挖深度约8 m.由于基坑的开挖深度大于5 m,所以此基坑属于深基坑的范畴.基坑尺寸为45 m×40 m.基坑施工场地较为狭小,四周环境比较复杂,有地下管线,基坑西侧临近一个大型超市，北侧临近马路，东侧不远处有几栋居民楼，南侧有正在施工修建的道路.在周围环境和施工空间的约束下,基坑开挖极易对其周边环境产生影响.参考该地区类似工程的经验,该工程决定选用放坡+排桩+内支撑的结构支护方案.1 m的深度进行开挖放坡,腰梁的尺寸为800 mm×600 mm,冠梁的尺寸为800 mm×600 mm,800 mm×600 mm类型的内支撑的支护体系,共设置两层钢筋混凝土内支撑.

1.2 基坑设计主要地质参数

根据地质勘察报告,参考相邻工程的基坑开挖实际资料，基坑开挖范围内以杂填土、淤泥质粘土及粘土为主.针对基坑工程,部分土试样做了直接剪切实验(q)及三轴实验(UU).基坑影响范围内各土层的指标见表1.

表1 土层物理力学性质指标Table 1 Physical and mechanical properties of soil layers

1.3 水文地质条件

勘察场区上部地下水为第四系孔隙潜水—微承压水.浅层地下水矿化度一般为小于2.0 g/L的微咸水,含水层岩性一般以粉细砂及粘性土为主,在水平方向上含水层多呈带状和透镜体状分布,在垂直方向上含水层与相对隔水层交错分布,浅层地下水的主要来源是靠大气降水进行补给,另外还接受少量的河流侧渗补给，其排泄途径主要为蒸发与开采,地下水动态类型为降水入渗蒸发型.

2 有限元模型的建立

2.1 模型建立

该基坑模型为不规则的多边形,长边45 m,短边长40 m,基坑开挖深度为8 m,则在基坑对周围土体影响范围的选取上,通常是从基坑坑壁边界向周围扩大3倍的H(基坑开挖深度),作为影响区域的边界,也即不能小于24 m.深度范围最大取3倍的基坑深度,2倍的立柱深度.模型的计算尺寸为90 m×70 m×25 m.在建立模型时,网格的划分至关重要,所以需要选择合适的网格尺寸,最后才能计算出精确的结果.如果网格划分尺寸过大,会导致计算精度下降,计算结果误差较大.如果网格划分尺寸过小,会造成最后结果不收敛,并且浪费大量的时间用于运算.该模型外部网格划分尺寸为3 m,模型内部网格划分尺寸为2 m,生成网格时选用混合网格生成器.基坑模型中各层土体采用Mohr-Coulomb模型,而混凝土采用弹性材料.在建模时,排桩运用等效刚度法,使其等效为0.6 m厚的地下连续墙.这样做能有效改善模型接触单元的缺陷,较好地反应法向和切向变形以及内力传递,且计算简单、方便[5].基坑模型如图1所示,支护结构如图2所示.

图1 基坑三维模型Fig.1 3D model of foundation pit

图2 支护结构模型Fig.2 Supporting structure model

2.2 施工工况

建立模型时把基坑开挖分为6个施工步骤：

工况1 初始地应力分析;

工况2 放坡开挖至1 m处,进行围护桩、冠梁和立柱的施工,并设置第一道钢筋混凝土内支撑;

工况3 开挖至2 m处;

工况4 开挖至4 m处,进行腰梁施工,并设置第二道钢筋混凝土内支撑;

工况5 开挖至6 m处;

工况6 开挖至8 m处(基坑坑地).

3 数值模拟结果分析

3.1 开挖水平位移结果分析

深基坑在开挖施工的过程中,基坑内外的土体由开挖之前的静止土压力状态向被动土压力和主动土压力状态上改变,导致了土体原来初始应力场的改变.在施工工况的模拟情况下,随着基坑一步步开挖而产生的水平位移模拟出的结果如图3～图7所示.

根据图3～图7所示,随着基坑开挖深度的增加,支护结构受到的土压力值也随之增大,导致出现基坑侧壁土体向基内发生移动的现象.在水平方向,离基坑开挖面的距离与水平位移值的大小呈现出减函数关系.土体的水平位移值随着离基坑开挖面距离的增大而逐渐减小.

图3 第1步开挖水平位移Fig.3 Horizontal displacement of excavation in the first step

图4 第2步开挖水平位移Fig.4 Horizontal displacement of excavation in the second step

图5 第3步开挖水平位移Fig.5 Horizontal displacement of excavation in the third step

图6 第4步开挖水平位移Fig.6 Horizontal displacement of excavation in the fourth step

图7 第5步开挖水平位移Fig.7 Horizontal displacement of excavation in the fifth step

由图3可以看出,当第一步开挖完成,进行围护桩、冠梁和立柱的施工,并设置第一道钢筋混凝土内支撑后,基坑侧壁水平土体位移值均很小,最大位移量0.653 mm.基坑开挖初期,原有的土体发生了扰动,基坑的结构支护得到很快的完善,对基坑侧壁土体的变形影响不是很大.从图3～图7可以看出,随着开挖深度的逐渐加大,第二道内支撑施工逐渐完成,但基坑的水平位移依旧在逐渐加大,而各开挖步最大水平位移值均为未超过30 mm,满足技术规范要求.由上述结果可知,基坑水平位移模拟结果相对准确.当深基坑工程在施工开挖时,基坑侧壁水平位移的变化情况不能忽视,位移的变化值对基坑安全施工至关重要,加强基坑在开挖前期至开挖后期基坑顶部水平位移的综合监测强度,以避免安全事故的发生.

3.2 基坑竖向位移结果分析

基坑随着施工工况的一步步进行,基坑内外土体的竖向位移情况也在发生改变.竖向位移具体变化状况如图8～图12所示.图中信息栏的负值代表土体的沉降量,正值代表土体的隆起量.

根据图8～图12每步开挖竖向位移图的研究分析可知,基坑侧壁边缘地表面的沉降量随着基坑的不断开挖其值也不断加大.基坑坑壁外侧的地表出现沉降的现象,而基坑内的土体出现隆起的现象.基坑内上部土体随着逐步的开挖,使施加的自重荷载不断卸去,导致坑内的土体也慢慢出现回弹.另外，支护桩随着基坑开挖的进行,土体的应力状态发生改变,由此支护桩在水平和竖直方向有位移出现,这些原因也会造成基坑开挖区底部的土体出现回弹现象.

图8 第1步开挖竖向位移Fig.8 Vertical displacement of excavation in step 1

图9 第2步开挖竖向位移Fig.9 Vertical displacement of excavation in step 2

图10 第3步开挖竖向位移Fig.10 Vertical displacement of excavation in step 3

图11 第4步开挖竖向位移Fig.11 Vertical displacement of excavation in step 4

图12 第5步开挖竖向位移Fig.12 Vertical displacement of excavation in step 5

从开挖完成后的竖向云图12中可以得出,基坑内的最大隆起量不在坑壁的附近,而是在距离坑壁较远的位置,基坑壁两侧土体的隆起量比较小，其原因是支护桩和喷射的混凝土面层这二者能对基坑壁土体的隆起起到抑制作用.坑外土体的沉降现象与坑内土的现象一样,最大沉降量的位置不是在基坑侧壁附近,而是在基坑壁外侧的一定距离处.由开挖第2步到第5步的竖向位移图可知,基坑随着一步步的开挖,基坑侧壁边缘的沉降量也随之增加,而每步开挖导致的最大沉降量均发生在距基坑侧壁有限远的位置处.由最后开挖完成的第5步竖向位移图可知,地表的最大沉降量为4.4 mm，是开挖深度8 m的0.55 %,满足规范要求,此基坑的结构设计方案合理可行.

4 结论

根据本文实际基坑工程的开挖模拟得出水平位移和竖直位移的范围、变化规律等信息，可以得出以下结论:

(1) 在以后的基坑工程开挖施工中,考虑基坑的变形时要控制基坑每步的开挖深度,可起到减缓基坑变形量增大速率的作用.基坑围护结构在设计过程中,若有软土层位于在地下连续墙底部时，应加大地下连续墙的嵌固深度,这样能对踢脚变形和坑内土体过大的隆起量的出现起到一定的抑制作用.

(2) 基坑在进行开挖时,坑内土体的荷载卸去,基坑内外侧的应力平衡状态被破坏,在支护结构上作用的荷载出现不平衡状态时,会造成土体和支护结构发生变形.模拟基坑竖向位移过程中,基坑随着深度的开挖,导致基坑坑壁地表的土体发生沉降,基坑开挖深度的增加,沉降量也随之的加大.

(3) 在基坑开挖的过程中,基坑边缘位置尽量避免有土方堆积现象的发生,如有堆积的现象发生时,要做到堆积量小、堆积时间短.在基坑进行每步的开挖时,要严控开挖的深度避免超挖与欠挖,各道支撑之间的距离应尽量相同，这样能够使围护墙体水平位移的增长速率较小，从而保持内支撑良好的受力状态.