基于HS-Small模型软土基坑开挖过程三维数值分析

孙海忠 邓捷程

1. 上海市建工设计研究总院有限公司 上海 200235；2. 同济大学土木工程学院地下建筑与工程系 上海 200092

上海作为国际性大都市，拥有近2 500万的常住人口，合理开发利用地下空间不仅可以促进城市建设和社会经济发展，还能缓解城市用地紧张、交通拥挤、环境恶化等问题，对于构建资源节约型、环境友好型社会具有重要意义。上海地区地下管线密布、地铁线路交错纵横、地下综合体比比皆是，因此上海的深基坑工程尤其要注意基坑开挖对周边环境的影响，在环境分析时选用合适的本构模型显得尤为重要。

1 工程概况

1.1 工程位置及规模

拟建场地分为南北2个地块，北地块位于真江北路以北、沪宁铁路以南、盛源科技园以东、祁连山南路以西（图1），南地块位于真江北路以南、未来岛公园以北、北上海航天电器大厦以东、祁连山南路以西。

图1 拟建项目北地块位置

基坑平面尺寸为136 m×120 m，拟建场地北地块地下室边线距北侧沪宁铁路中心线约35 m，距南侧真江北路约8 m，距东侧祁连山南路约45 m，距西侧盛源科技园地块已有建筑约25 m，南地块地下室边线距北侧真江北路约10 m，西侧距上海航天电器大厦约35 m，南侧及东侧为空地，真江北路、祁连山路地下管线较多。

1.2 场地地质条件

钻探勘探资料揭示，场地土层从上至依次为杂填土、淤泥质粉质黏土、淤泥质黏土、黏土。

在勘探范围内，拟建厂区地下水类型为潜水，补给来源主要为大气降水与地表径流，在勘测期间实测得地下水埋深在地表以下1.37～2.25 m，平均埋深为－0.50 m。

2 基坑开挖支护方案

根据上海地区现有的施工状况及经验、场地土层分布条件和土性特征以及周边的环境情况，对于开挖深度7.9 m左右的基坑，周边采用灌注桩支护。第1次开挖至－2.5 m，在－1.9 m处设置第1道横截面0.8 m×0.8 m混凝土支撑，并设置一圈横截面为1.2 m×0.8 m的顶圈梁，在坑内降水至－8.4 m处，第2次开挖至坑底－7.9 m处。支撑平面设计图如图2所示。

图2 支撑平面设计

3 数值模型建立

3.1 土体模型计算参数确定

为了控制基坑开挖对周边环境的不利影响，选用HSS小应变模型对变形进行分析。

3.2 数值模型网格划分

土体模型按照实体模型划分，顶圈梁和混凝土支撑用杆单元模拟，板单元模拟混凝土面层、建筑物板。基坑相对单元网格尺寸为1.5 m，全局比例因子设为1.2，总共划分为35 205个单元和57 424个单元节点，如图3所示。

图3 基坑网格划分示意

表1 土体HSS模型计算参数

3.3 施工工况

本基坑模型的相关施工工况较为简单，具体主要分为4个工况。

1）初始工况：初始渗流分析，初始应力分析，建筑物施工。

2）工况1：灌注桩围护，降水至－3.0 m，开挖至－2.5 m。

3）工况2：在－1.9 m位置处布置混凝土支撑，支撑＋顶圈梁。

4）工况3：降水至－8.4 m，开挖至－7.9 m。

4 结果分析

4.1 基坑变形分析

通过Plaxis 3D有限元软件对基坑进行计算，得到基坑水平和竖直方向的变形结果。

x方向的位移云图显示，基坑在开挖至－7.9 m时，基坑西侧变形最大处位于阳角与边界的中间位置，最大变形为11.26 mm，东侧变形最大位于中间位置处，最大变形为12.1 mm，这是由于在设计基坑支撑时，阳角位置容易发生应力集中，故在阳角处设置了1道对撑，有效降低了阳角处的侧方向变形。

y方向的位移云图显示，基坑在开挖至－7.9 m时，基坑北侧与南侧变形最大处位于基坑中间位置，南侧最大变形为11.6 mm，北侧最大变形为11.32 mm。z方向的位移云图显示，基坑在开挖至－7.9 m时，基坑沉降最大变形位于阳角处，最大变形值为12.76 mm，基坑阳角处易产生应力集中，导致了基坑阳角处变形增大，稳定性降低，故在建设施工时需要特别注意阳角处的变形。

综上所述，最大变形值均小于DG/T J08-61—2018《基坑工程技术标准》变形控制要求，故通过使用国内外学者提出的HSS参数经验计算公式计算基坑变形是可靠的[9-11]。

4.2 基坑开挖对周边环境的影响

如图4所示，基坑西面23 m存在建筑物和北面24 m存在既有铁路南翔环线，建筑物为实体单元，混凝土框架结构；铁路砾石路基高度50 mm。当基坑开挖至坑底－7.9 m时，建筑物变形最大值发生在靠近基坑方向的墙角处，最大累计位移为5.306 mm。北面南翔环线变形最大值发生在靠近基坑方向的铁路线上，其累计变形最大值为1.317 mm，其余铁路几乎无变形。

图4 建筑物及铁路变形

4.3 围护结构变形分析

图5为基坑围护墙随深度变化侧移图，其模拟变形模式与Ou等[12]提出的“内凸型”变形模式类似。HSS模型围护结构侧移随着深度呈现先增大后减小的趋势，并在开挖面附近取得最大值。

图5 围护结构侧移

本基坑的施工工况为先开挖土体1.9 m，再设置支撑和顶圈梁，此时围护墙在没有支撑的情况下已经开始发生变形，变形值为5 mm左右，所以在基坑施工至坑底时，围护墙顶部的位移达到了7 mm，与传统围护结构侧移图有些不同。阳角处的围护结构侧移值与其他边界围护结构对比发现，阳角处的围护结构侧移变化规律并不明显，且侧移值均远小于边界侧移值。将HSS模型与DG/T J08-61—2018《基坑工程技术标准》计算结果进行对比，结果表明，两者的变化趋势一致，均在1倍挖深附近取得最大值，基坑技术规范计算结果比HSS模型都更大，尤其在支撑薄弱的东面，规范值比HSS模型大10 mm左右；造成这一现象的原因为HSS模型2个小应变参数初始剪切模量Gr0ef和剪应变γ0.7严格限制了土体的变形，这一结论与华明杰[13]的相关研究结论一致。

4.4 基坑周边沉降变形分析

图6是基坑四周土体的沉降变形曲线，随着离基坑边界距离增加，土体沉降呈现先增大后减小的趋势，且均在距离基坑边界1倍挖深左右取得最大值。

图6 坑外地表沉降

北面、东面和南面的最大沉降值为10 mm，由于西面有阳角存在2个方向上的临空开挖面，其稳定性和变形远较平面应变问题更复杂且不利，西面最大沉降值为12 mm，沉降随距离的增加，其下降速率更低。在距离基坑4～5倍的挖深时，土体沉降值趋近于0。通过现场勘察，发现与基坑最近的建筑物距离为26 m，土体沉降在2 mm以下，符合设计规范，故本次基坑的施工基本不会影响到周围建筑物。

5 结语

本文通过对上海软土地区某基坑开挖过程，采用了国内外学者HSS参数经验公式进行了数值模拟计算，得出以下结论：

1）HSS模型是基于地勘报告和国内外学者的参数计算经验公式上进行计算的，得到的变形值与同类型的基坑变形值差异不大，可认为使用这些经验公式取值对于上海地区软土基坑是可靠的。

2）HSS模型围护墙和坑外地表沉降都是随围护墙深度和与基坑边界的距离呈现先增大后减小的趋势，均在1倍挖深附近取得最大值，通过对比可以发现，HSS模型比基坑技术规范计算值要小，在支撑薄弱的东面，可相差10 mm以上。

3）开挖至坑底时，基坑对周边建筑物及铁路累计最大变形量很小，均符合施工技术规范标准。

4）本文使用HSS小应变模型的模拟结果良好，所选择的参数可以作为上海地区典型土层参照取值供其他基坑工程参考。