基于3D有限元法地基开挖板桩墙变形分析

王 维

(贵州建工北盘江建设工程有限公司，贵州 六盘水 553000)

1 概述

在进行水利工程建设时，基坑作用是重要的施工步骤，是保证水工建筑物后期安全运行的重要一步。然而，由于基坑作业环境复杂，开挖过程中容易引起地表沉降、地下连续墙和基坑坍塌等风险问题，因此合理评估深基坑开挖的变形规律十分重要[1-5]。当前，伴随计算机技术的高速发展，数值模拟方法被广泛应用于基坑工程中，为解决研究基坑变形的相关问题提供了强有力的技术支撑[6]。

目前国内外对基坑数值模拟方法进行了相关研究。芮福才[7]利用FLAC3D软件还原基坑开挖的整个过程，并施加咬合桩以加固桥梁墩台，继而对基坑周围岩土体的受力和位移进行研究；黄广龙[8]为研究基坑开挖结束后竖向位移的变化，通过数值模拟技术对五种不同工况下的施工方案进行研究；匡德[9]以克孜加尔水闸工程为例，对桩锚支护结构设计方法进行讨论，并对结构设计效果进行数值模拟分析；章致远[10]利用数值模拟技术还原基坑开挖、支护和排水的全过程，继而通过对基坑周围岩土体的位移、塑性区和基坑的安全系数进行分析。还有部分学者采用类似方法对基坑工程进行了相关研究[11-13]。

当前大多数研究采用二维有限元模型来评估板桩墙的变形，而大多数项目由于并非平面应变问题，不能简化为二维问题。文章以六盘水市的基坑工程为例，采用PLAX3D研究不同施工支护顺序下，板桩墙的水平变形特征和基坑的沉降规律。

2 研究概况

本次研究的基坑工程位于六盘水市，地下开挖深度约7.2m，开挖区域为长方形，长58.7m，宽32.8m，在开挖的长边和短边安装2个测斜仪，同时安装水平沉降监测仪，如图1所示。基坑土层分为7个不同层，包括人工填土、淤泥质粘土、软粘土、粉质粘土、砂土、粉土和硬粘土。该项目的地下施工初始阶段先在开挖区域周围安装板桩后开挖。首先开挖至地面以下1.50m的深度，在开挖至3.9m深之前，支撑安装在0.8m深(1级)的位置。随后，在开挖至5.8m深之前，支撑安装在标高0.00(2级)以下2.9m处。在开挖达到最终深度7.2m之前，在5.1m深处安装了3级支撑。

图1 基坑工程平面图

3 数值模型

本次建立的三维有限元基坑模型如图2所示。有限元网格由139957个四面体单元组成，平均尺寸为1.96m，使用的土壤本构模型是硬化土壤模型(HSM)，该模型是1种用于描述软土和硬土的高级土壤模型，采用了双曲线模型和莫尔-库仑破坏准则，被广泛用于基坑模拟中。图中还可看出，该基坑开挖前存在一定地下水，施工前11m与35m处有较大的孔隙水压力，由于深井抽水会导致孔隙水压力下降，开挖采用18m长的板桩墙和3级支撑系统支撑。由于板桩具有复杂且不对称的横截面，在三维有限元中采用板单元对板桩进行建模，板桩的弯曲截面积简化为直面板单元，同时建立支柱和墙为板桩提供侧向支撑，在有限元中合理地建模为梁单元。施工顺序详见研究概况，数值计算参数见表1。

表1 模型计算力学参数

图2 三维有限元基坑模型

4 数值结果分析

不同施工顺序下，测斜仪实测墙体变形数据与数值模拟结果如图3所示，图3(a)为测斜仪A测试结果，图3(b)为测斜仪B测试结果。现场实测结果表明，测斜仪A侧在第1阶段开挖完成后(开挖至地面以下1.50m)就已经出现明显变形，在基坑深度9m左右，侧向变形达到了150mm，而在18m以下深度未出现变形，此时未采取相应的支护措施；当进行第2、3、4阶段开挖后(均采取了支护措施)，除基坑表面有一定变形外，其余高程范围内并未出现明显变形，其中当开挖进行到第4阶段，表面位移为50mm。从数值分析结果来看，在前3段施工阶段，数值结果与实际测量值有一定差异、偏保守，最大变形出现在第3段施工阶段，为140mm。此外，数值分析得出的最大变形位置的高程随施工的进行逐渐下移，最终在第4阶段与实测结果靠近。

图3 不同施工顺序下实测与数值模拟结果

测斜仪B侧的实测结果与A处有一定差异，在第3阶段开挖完成后变形达到最大，为200mm，在基坑深度8m左右，说明在第3阶段开挖导致基坑多处发生了微小的弹性变形，当第4阶段开挖支护后，逐渐恢复。此外，在不同施工阶段，B侧墙体表面变形与A侧有较大差异，此处在第1、2阶段开挖完成后，表面位移为80mm，第3、4阶段开挖完成后表面位移为恢复至30mm和0mm。从B侧的数值结果可以看出，虽然最终得到水平最大变形位移十分接近，但当细分到各个施工阶段的变形时，与实测结果有一定差异，可能是由于数值模拟中的支撑安装与实际工程中的支撑安装工艺有一定差异造成的。基坑变形云如图4所示。

图4 不同施工顺序下基坑变形云图

为探讨基坑最终沉降变形规律，本文将施工完成后的实测沉降数据和数值模拟沉降数据进行对比分析如图5所示。由图可知，距离墙体不同位置处，沉降有较大差异。当位于墙体边界时，数值模拟得出基坑沉降为100mm，实测结果为160mm；当距离墙体30mm时，数值模拟得出基坑表面未发生沉降，而实测测出沉降为30mm。在距离墙体4mm时，二者结果一致。

图5 基坑最终沉降变形规律

5 结论

本文以位于六盘水市的基坑工程为例，采用PLAX3D研究了不同施工支护顺序下，板桩墙的水平变形特征和基坑的沉降规律，同时与实测结果进行对比。研究结果表明，虽然数值模拟和工程实测结果，开挖结束后得到水平最大变形位移十分接近，但当细分到各个施工阶段的变形时，数值结果与实测结果有一定差异，可能是由于数值模拟中的支撑安装与实际工程中的支撑安装工艺有一定差异造成的。此外，对于沉降结果而言，数值结果与实测结果得到的基坑沉降规律一致，但二者数值上相差30mm左右。本例中，当位于墙体边界时，数值模拟得出基坑沉降为100mm，实测结果为160mm；当距离墙体30mm时，数值模拟得出基坑表面未发生沉降，而实测测出沉降为30mm。在距离墙体4mm时，二者结果一致。因此在实际工程中，需要根据实测数据对数值模型进行修正，以免造成较大误差。