某深基坑支护结构数值模拟分析

吴浩

（镇江市水业有限责任公司，江苏镇江 212111）

0 引言

随着城市建设的快速发展，对于城市地下空间的利用日益增加，基坑的开挖深度逐渐变大。由于城市环境的复杂性以及基坑开挖较深，其施工过程中的变形分析变得越来越重要，在基坑开挖施工过程中，需要避免对周边建筑物以及道路产生不良影响，保证其正常使用功能[1-2]。目前，国内外大量学者通过数值模拟对深基坑支护过程进行研究分析。常虹等[3]通过MIDAS GTS模拟分析了某厂房深基坑的施工过程，得到不同施工工序下基坑的变形数据和锚杆轴力变化，认为模拟结果可提前预测最大基坑位移和土体隆起量的位置。胡静[4]利用ABAQUS 有限元软件探讨了武汉市某深基坑在开挖过程中的变形特征，发现单排支护桩+两道钢筋混凝土撑可以确保基坑的安全稳定性。黄东[5]以长沙市某基坑支护工程为研究对象，结合有限元软件，对比分析了软弱夹层对旋挖桩和双排钢板桩两种支护结构的影响，结果表明，旋挖桩可以很好地控制基坑的变形。尹利洁等[6]通过有限元软件分析了兰州地铁雁园路站基坑开挖施工对周边环境的影响，数值模拟结果表明周边变形均在安全控制范围内，基坑支护结构设计合理。因此，在基坑开挖施工前进行数值模拟分析是必要的。

本文以镇江市某深基坑为研究对象，采用有限元模拟计算不同开挖工况下基坑的变形特征，并对其模拟结果进行分析，旨在探究基坑的变形规律，为同类工程提供参考。

1 工程概况

1.1 工程地质条件

场地内主要地层分布从上至下依次为填土、粉质黏土、粉砂夹粉土、淤泥质粉质黏土、粉质黏土和全风化花岗岩。

①填土（Q4ml）：灰褐色，松散～稍密，主要由粉质黏土组成，呈可塑状，该层分布较稳定。现有道路段有15cm 左右的沥青柏油面层、35～60cm 左右的垫层及一定厚度的经压实处理的路基、路床等，堆填时间10 年以上。该层顶板标高4.96～8.58m，层厚1.80～5.00m。

②粉质黏土（Q4al）：灰色、青灰色，软塑至可塑，无摇震反应，压缩性中等，稍有光泽，干强度中等，韧性中等，分布不稳定，土质不均匀。层顶标高1.70～4.42m，层厚 0.50～3.40m。

②1粉砂（Q4al）：青灰色，饱和，稍～中密，压缩性中等，主要由石英组成，颗粒形状呈亚圆形，级配差，分选性较好，土质不均匀，场地局部偶夹粉土、粉砂与软塑状粉质黏土互层；该层顶板标高-0.60～6.41m，层厚1.00～12.20mm。

③淤泥质粉质黏土（Q4al）：灰色，流塑，高压缩性，摇震反应慢，稍有光泽，干强度中等，韧性中等，场地内分布不均匀，局部含粉粒较高，灵敏度在1.80～3.10 范围内，属中灵敏度；该层顶板标高-7.89～3.71m，层厚0.60～20.30m。

④粉质黏土（Qs3al）：黄褐色，硬可塑，压缩性中等，干强度中等，稍有光泽，无摇震反应，韧性中等；层顶标高-11.17～0.91m，在本次勘察中未揭穿，最大揭露厚度14.40m。

1.2 气候与水文条件

镇江临近长江，地处中纬度，属长江中下游季风温湿气候带。气候温和、湿润，年平均气温约15℃，雨水较多，年平均降水量约为1100mm，降雨较多的时期为梅雨和台风期，一般6 月20 日—7 月20 日为梅雨期，8—9 月为台风期；全年日照充足，年平均日照时间约2000h；年平均无霜期约240d；风向主要为东南偏东，四季分明。

基坑场地内分布的地下水主要为上层填土中滞留的潜水。潜水的补给主要为大气降水，排泄以蒸发为主。稳定水位埋深在1.40～1.80m，初见水位埋深在1.60～2.00m。场地地下水受气象环境影响明显，地下水位随季节降水变化，历史最高水位埋深0.00m。根据周边工程项目水文地质资料以及水位观测，地下水随季节变化明显，丰水期地下水位随降雨量增加而上升，枯水期地下水位随着蒸发量增大而下降。

1.3 区域地质与稳定性

拟建场地区域在大地构造位置上属扬子准地台，下扬子台褶带，宁镇褶皱束东段。本区主要的造山运动为印支运动，此运动结束了海侵的历史，形成了宁镇陆地。构造区域在位置上属于桦墅-亭子复式向斜、九华山复向斜、粮山-横山复背斜及纪庄-后朱巷复背斜。区域地质构造的主要特点为：地质构造背景为震旦纪以前形成的正东西向和早古生代末期形成的北东向构造；地质构造形成发展的主要时期为中生代；新生代以来，主要地质构造作用为以断块作用，区域内褶皱运动不发育，地壳变形较微弱，新构造运动反映不强烈，主要以升降运动为主，生成河湖交替相沉积物，区域内无活动断裂通过。

镇江市是一个地震活动较多的地区，据历史资料记载，受幕府山—焦山和茅山断裂影响，曾引发多次地震。据现有资料表明，其中震中在镇江或镇江边缘的5.0 级以上地震 2 次，4.0 级以上地震 9 次，3.0 级以上地震39 次。近期地震为2013 年5 月19 日在镇江句容境内发生2.6 级地震，震中为句容仑山水库北侧。综上所述，镇江地区的地层构造较为简单，新构造运动相对平静，基底岩层较稳定。

1.4 基坑支护方案

由于基坑周边地下管线较多，且场地开挖范围主要为填土和砂土，土层透水性较强，采用垂直支护形式。基坑整体形状为正方形，支护周长为35.6m，基坑开挖深度为8.33m。基坑支护结构采用围护桩+三道型钢支撑。围护桩采用SPU-IV 拉森钢板桩，桩长15m，型钢围檩和支撑均采用HW-400×400 型钢。

2 有限元模型的建立与分析

2.1 本构模型的选择

土体为非弹性材料，在力的作用下呈现弹塑性，应力应变曲线为非线性。Mohr-Coulomb 模型为典型的非线性模型，其模型参数简单，通过试验均可获得。因此，选择Mohr-Coulomb 模型可以很好地描述土体的变形特征与破坏行为。基坑围护结构主要为弹性工作阶段，采取线弹性本构模型，利用梁、板单元进行模拟。

2.2 几何模型的建立

项目选取3D 模型，实体网格采用四面体单元进行划分。为了避免边界约束对数值模拟计算产生影响，结合学者的研究成果[7-8]，计算模型的尺寸选取为85m（长）×65m（宽）×45m（高），该工程的模型如图 1 所示。模型地层采用3D 实体单元，内支撑和围檩采用梁单元，钢板桩采用板单元。

2.3 模型参数

由岩土工程详细勘察报告可知，数值模拟土层共6层，各层土层的物理力学指标以及相关材料的属性如表1 所示。模拟土层时采用均匀水平地基，不考虑地基土层在空间上的变化，即不考虑地层的起伏变化，这与基坑支护设计软件相吻合。

表1 材料属性

2.4 施工工况

综合考虑基坑开挖范围地质情况、周边环境以及现场施工条件，分层开挖，分层支护。基坑采用明挖顺作法施工，主要工况如下。

工况1：基坑土方第一次开挖至第一道内支撑底（开挖深度1.0m），施工第一道围檩以及内支撑。

工况2：基坑土方第二次开挖至第二道内支撑底（开挖深度3.5m），施工第二道围檩以及内支撑。

工况3：基坑土方第三次开挖至第三道内支撑底（开挖深度6.0m），施工第三道围檩以及内支撑。

工况4：基坑土方开挖至地下结构底板垫层底（开挖深度8.33m）。

工况5：拆除第三道内支撑及围檩。

工况6：拆除第二道内支撑及围檩。

3 计算结果分析

3.1 基坑围护桩的水平位移分析

图2 为不同开挖深度下围护桩的水平位移图。土层中的主动土压力随着深度增加而增加，在基坑开挖施工中土体应力逐步释放，随着基坑开挖深度增大钢板桩桩身水平位移逐渐增大。在不同工况下，桩体的水平位移规律基本一致。图3 为工况6 下钢板桩的水平位移云图，由图3 可知基坑开挖施工过程中围护桩的最大水平位移为10.43mm，满足标准规范要求的变形控制值。同时，通过观察发现，围护桩的最大位移位置出现在约0.9 倍基坑开挖深度处，即围护桩产生最大水平位移的位置为基坑开挖面附近。

3.2 基坑竖向位移分析

图4 为工况6 下基坑的竖向位移。由图3 可知，随着离坑边的距离增加，地表的沉降逐渐减小，坑周边的沉降最大值为4.7mm。同时，模拟结果显示基坑底部发生隆起，隆起最大值为5.5mm，这是由于基坑开挖深度较大，被动区开挖土量较大，在土压力作用下基坑底部中心产生较大隆起。

4 结语

本文借助有限元软件对基坑开挖过程中的各工况进行数值模拟分析研究，得到以下结论。

（1）随着基坑开挖深度的增大，钢板桩桩身水平位移逐渐增大，最大水平位移为10.43mm，位于开挖深度0.9 倍处。

（2）基坑开挖施工过程中，基坑周边地表沉降最大值为4.7mm，基坑坑底隆起最大值为5.5mm。