基坑设计有限元分析研究

张彦辉 张红琼

(1.湖北三峡职业技术学院，湖北 宜昌 443000；2.湖北省地质勘察基础工程有限公司，湖北 宜昌 443000)

随着新技术新工艺的不断革新，人们对生活品质的追求越来越高，针对用地资源紧张的问题，很多开发商越来越瞄准地下空间的使用，各种大型基坑越来越常见。由于深基坑支护结构受力特点比较复杂，目前还没有完整的土压力理论来指导支护结构承受的土压力计算，所以在常规项目的设计中仍沿用传统计算理论，有一定的误差。国内外很多学者试图在传统土压力计算理论的基础上，结合一定的经验进行修正，希望能够达到指导实际工程的目的。但是各种成因之间的相互影响关系很难理清，在脱离工程实际的情况下，极易造成基坑支护结构的变形过量，严重的话会造成工程安全事故，所以应结合现场实际情况进行基坑支护的方案设计和监测。

1 工程概况

该小区位于东站路与红卫横路(待建)交汇口西南角，拟建项目由五栋25层住宅楼附属商业及地下室组成，拟建建筑为框架及剪力墙结构。项目规划总占地面积约20 856.0m2，规划总建筑面积100 510.0m2。建筑物采用桩基础及条形基础的基础形式，场区设有1～3层；地下室设有1～3层。场地±0标高为82.3m，2#及4#楼南侧2层商业楼设一层地下室，地下室高6m，底板厚0.3m，地下室结构底板垫层底标高为75.9m，拟建1#楼设两层地下室，地下室高10.8m，底板厚0.3m，地下室结构底板垫层底标高为71.1m，其余地段设有三层地下室，地下室高15.2m，底板厚0.3m，地下室结构底板垫层底标高为66.7m；本基坑最大开挖深度为17.08m，基坑成矩形，周长约473.8m，开挖面积约15 553.9m2，总面积约14.5万m3。

基坑东侧为东站路，基坑范围线距离用地红线(东站路人行道边线)10.7m，距东站路车行道边线17.7m。基坑西侧为已建的住宅小区，基坑外侧为一条水泥路，基坑范围线距离用地红线最近距离为6m， 距离水泥路最近距离9.3m；基坑北侧为拟建的红卫横路(目前还未施工)，基坑外侧为一条土路，基坑范围线距离用地红线最近距离为7.2m，距离土路最近距离14m；基坑南侧为施工空地，基坑范围线距离用地红线8.3m。

2 有限元参数选取

(1)岩土层参数

选取典型剖面1-1设计剖面作为有限元数值计算模型。计算时，土体的本构关系采用弹塑性模型，对应的屈服准则采用Mohr-Coulomb等面积圆屈服准则，具体参数见表1。

(2)支护结构参数(表2)

该剖面的围护结构是采用双排桩支护，桩径1m，中心间距1.5m，排距4m，桩长为23m，用梁单元来模拟，需要输入弹性模量E、横截面积A和惯性矩I。用杆件单元来模拟中间联系梁，输入弹性模量和横截面积两个参数，基于平面应变进行分析，按照等效抗弯刚度原则，将非连续的支护桩等效为连续的支护结构。

3 模型建立

根据该剖面的地层实际状况建立二维模型。分别在模型底部、左侧和右侧加上水平位移约束，同时在模型底部设置竖向位移约束。

在实际施工过程中，考虑基坑外侧的堆载重物等情况，根据基坑工程规范要求，将堆载重物按照距离基坑边3m，作用宽度为15m，并且超载值设置为30kPa的情况进行计算。有限元模型以及网格划分情况如图1所示。

表1 地层物理力学参数

表2 支护结构参数

图1 模型计算网格

4 有限元计算结果分析

通过参数选择、初始边界条件设置等来对该小区基坑内部的位移变形、应力场、塑性区进行模拟，并得到相应的结果，现对计算结果进行分析。

每次进行基坑开挖后，土体、支护结构会因为基坑内外的土压力差二不断产生变形以达到新的平衡。随着开挖面上自重应力的释放，基坑内侧土体向上产生回弹变形，加上支护结构的侧移，挤压结构周围土体，导致基坑底部的隆起。基坑开挖引起的变形主要表现在基坑内侧土体的隆起和外侧土体向基坑内的移动。

(1)位移变形

图2、图3给出了基坑支护后的水平方向位移、竖直方向位移 (按5mm的增量来设置相邻等值线)。通过图2数据显示，基坑的水平位移值均为负值，说明基坑外的土体有向基坑内运动的趋势。还可以看出水平位移等值线的趋势大体指向坡面，并且从坡内到坡外位移值逐渐增大，同时在坡顶处位移大于其他部位，这是由于坡顶受到荷载作用。水平位移峰值为39mm，位于坡顶表层范围内(荷载作用处)，位于支护桩附近，桩顶水平位移约为37mm，这与理正计算结果和监测结果相差不大。从图3可以看出，基坑竖直位移与水平位移分布基本一致，最大竖直位移出现在坡顶荷载作用处。

图2 水平方向位移云图(单位：m)

图3 竖直方向位移云图(单位：m)

(2)应力分析

基坑支护后的最大主应力、最小主应力和最大剪应力云图如图4～图6所示(按50kPa的增量设置相邻等值线)。

图4 最大主应力云图(单位：kPa)

图5 最小主应力云图(单位：kPa)

图6 剪切应力云图(单位：kPa)

图7 塑性区分布图(单位：kPa)

从图4中可以看出土体的最大主应力随深度增加而不断增大。由于开挖面上的卸荷，基坑外侧同一水平面比内侧土层的最大主应力值大了约250kPa。在基坑坡面附近，应力分布比较复杂，规律性不强，大体与坡面平行，但局部存在多处应力集中。同时在强风化岩层与中风化岩层交界处支护桩桩端应力集中相当集中，说明桩在该处最易发生破坏。

最小主应力(图5)也随深度的增加而变大，与最大主应力分布图相比较而言，分布相对较为简单，应力集中主要分布在强风化岩层与中风化岩层交界处支护桩桩端。

最大主应力和最小主应力的差值决定了剪应力的大小，所以剪应力云图(图6)和最大主应力、最小主应力云图有很多共同特点：随深度增加应力不断增大，同一水平面上，基坑内外的最大剪应力相差40～60kPa，在强风化岩层与中风化岩层交界处支护桩桩端应力集中相当明显，可能出现了塑性变形。

(3)塑性区分析

图7给出了基坑支护后的塑性区云图(彩色部分代表塑性区)，从图中可以看出，塑性区主要集中在坑顶荷载作用影响范围内，分布整体呈交叉45°，且越远离荷载作用位置，塑性区约不明显。

5 结 论

本章采用Geo Studio有限元软件对某花园小区四期A地块基坑工程这一工程实例进行了分析。首先介绍了基坑参数的选取、模型的建立以及边界的约束与荷载情况，分析了基坑在采用双排桩支护后的变形特性；给出了基坑土体的应力应变特征，通过现场跟踪，将计算成果和监测数据对比分析， 有限元数值分析能够很直观地反映出基坑的应力应变、变形趋势以及分布规律，分析得出在强风化岩层与中风化岩层交界处支护桩桩端应力最为集中，坑顶受荷载作用范围附近容易出现塑性区，计算结果与监测数据基本相符，基本变形趋势与实际情况大体一致，对基坑实际支护设计和监测有了更为直观的认识及指导意义。