复杂地层条件下深基坑支护方案的数值模拟研究

刘渊 郭鹏飞

作者简介：刘 渊（1982—），高级工程师，主要从事公路工程施工管理工作。

为研究复杂地层条件下深基坑的变形特征及支护方法，文章以某地铁站深基坑为例，基于Plaxis3D有限元数值软件，结合现场监测点实测数据，探究了深基坑支护结构的变形特征以及地表沉降规律，并对深基坑内部的钢筋混凝土力学性能进行了分析。主要得到以下结论：（1）支护结构承受的土压力不断增加，土压力使得支护结构向外变形，产生水平方向的位移；（2）支护结构的位移方向均趋向于基坑内侧，矩形基坑长边围护墙的侧向位移普遍大于短边连续墙的侧向位移，中点处连续墙的侧向位移大于角点处连续墙的侧向位移；（3）钢筋混凝土支撑随着开挖深度的增加，支撑轴力也随之增加，在基坑开挖至底部时，支撑承担力大于80%，充分发挥了支撑作用。该研究可为复杂地层条件下深基坑的支护方案提供参考。

深基坑施工；Plaxis 3D有限元数值软件；支护结构；变形特征

U231A582014

0 引言

改革开放以来，随着我国城市建设项目规模的不断扩大，市区建筑的可用面积日益减少，出现了地铁车站和地铁轨道、地下停车场、地下商场等多种民用和工用地下建筑。这些建筑往往涉及十分复杂的基坑工程，而这些基坑工程大部分需要在建筑密集的市区进行施工，不仅要在复杂的地层条件下保证基坑开挖时自身的安全稳定性，也要尽量减少基坑工程对周边既有建筑物产生的不良影响，避免因基坑失稳造成的巨大社会经济损失。因此，研究在复杂地层条件下深基坑的支护方案显得尤为关键。

近些年来，国内外研究学者针对深基坑开挖的支护方案展开了大量的研究。目前对深基坑支护研究多采用数值分析方法（如PLAXIS 3D、ABAQUS、FLAC 3D等软件）。李亚［1］将系数收缩法运用到基坑沉降表达式中，对地层补偿法进行了优化，并结合实际工程，分析了基坑支护结构的刚度和岩土体力学参数对基坑变形和沉降的影响。杨敏［2］通过拟合曲线研究基坑沉降与支护结构位移的关系，结果表明：基坑周围的地表沉降与支护结构的位移呈线性关系。傅理文等［3］基于J2EE架构，对基坑监测系统进行分析，搭建了较为完整的基坑监测平台。Ou C Y等［4］通过改变剑桥模型和双曲线模型对土体力学参数进行修正，结果表明：不排水的数值模拟方法适用于短时间的基坑开挖，而较长时间的基坑开挖适合排水的模拟方法。李四维等［5］通过PLAXIS 3D有限元软件对某地铁的深基坑工程进行研究，分析了基坑变形与基坑尺寸、支护深度以及周围环境的关系，结果表明：浇筑了底板的基坑能有效减少基坑底部隆起和地表沉降的现象。周秋娟等［6］通过ABAQUS有限元软件对某深基坑进行模拟，并结合模型试验数据进行对比，结果表明蠕变现象在基坑周边的土体中较为明显。

在复杂地层的地下空间开发过程中，深基坑开挖是保证其稳定性最重要的一环，基坑的质量水平将直接决定上部建筑的使用寿命和安全性。因此，保证在复杂地层条件下的深基坑支护结构的质量水平具有十分重要的意义。本文基于前人对深基坑工程的研究基础上，结合某地铁车站的深基坑工程，通过数值模拟的方法，分析了在复杂地层条件下深基坑支护结构的位移和力学性能。

1 工程概况

研究区位于某地铁站，因周边的建筑规划以及地下管线的影响，基坑的整体形状呈矩形，基坑的开挖面积约为8 000 m2，周长约为500 m，平均开挖深度约为25 m，自动升降电梯处基坑开挖深度可达27 m。基坑位于市区中心，建筑分布密集，周围环境复杂，有复杂且密集分布的市政工程管线网等。基坑西南侧约20 m的位置既有建筑（高层办公大楼），对基坑的变形控制有严格的要求；在基坑东侧15 m的范围内靠近城市交通干道，交通车流量大；在基坑北侧10 m的范围内临近另一条城市地铁线路。

经过地质勘查与室内试验，基坑开挖范围内的土层为西南地区典型的软土地层，主要包含流塑粉质黏土、软塑粉质黏土、流塑淤泥质粉质黏土，由于地下水位较高，这些软土饱和度高，具有可塑性强和强度低等特点。在基坑工程开挖时，地层容易受到开挖扰动的影响，稳定性较差，土体会产生大量流变以及垮塌现象，严重影响基坑的安全稳定性以及周边的建筑物。

本基坑工程为满足基坑自身的安全稳定性，降低周围软土层受开挖产生的扰动以及地层沉降，同时考虑基坑工程对周边建筑物的影响，基坑的支护采用地下连续墙的结构形式。地下连续墙刚度较大，厚度为850 mm，布设深度设计为40 m，墙体内部设置有4层钢筋混凝土作为支撑，第1层支撑深度约为2.5 m，第二层支撑深度约为7.5 m，第三层支撑深度约为14.3 m，第四层支撑深度约为17.2 m。

2 有限元模型的建立

2.1 Plaxis 3D有限元软件介绍

Plaxis 3D是由荷兰PLAXIS B.V.公司旗下的一款针对岩土工程的有限元分析软件，拥有较先进的DIANA的有限元分析内核，其非线性分析能力能出色解决在溶洞、隧道、边坡等各类岩土工程上所遇到的难题，支持十余种本构模型以及多种自定义模型。通过Plaxis 3D软件中的不同计算模块可以对深基坑开挖过程中支护结构的变形特征和力学性能进行研究，如图1所示为Plaxis 3D软件的建模过程。

2.2 细观参数的确定

细观参数对Plaxis 3D软件的模拟结果的准确性影响较大，而软件并不包含细观参数与宏观参数的定量关系，因此土体力学参数及力学指标根据野外调查报告以及室内试验进行确定，如表1所示为岩土体力学参数及力学指标［7］。

2.3 本构模型的确定

本文采用HSS作为土体的本构模型。HSS模型为小应变模型，能充分考虑到土体在变形时产生的硬化效应，同时可以模拟土体剪切时在微小范围内剪切模量的衰减现象。通过HSS作为本构模型，可以合理模拟深基坑在开挖时支护结构和土层的变形［8］。

在HSS模型中，土层的泊松比统一采用0.20，刚度应力水平相关幂指数m均为0.8。土体本构关系采用式（1）～（4）进行描述。

2.4 模型构建及分析步设定

2.4.1 模型构建

三维立体模型如图2所示，按照实际工程的深基坑尺寸进行建模，在东西方向为矩形基坑的短边，长度约为100 m，南北方向为矩形基坑的长边，长度约为150 m，基坑尺寸满足开挖影响范围的要求。模型的长度为250 m，宽度为200 m，高度为60 m。

2.4.2 分析步设定

按照实际工程中基坑开挖的顺序，分5层开挖，土体开挖后立即进行支撑和底板施工。有限元模型中基坑开挖步骤如图3所示。

3 数值模拟结果分析

3.1 基坑位移特征

为了确保本文的研究成果在实际工程运用中的可靠性，提取了工程现场的连续墙位移监测数据，与数值模拟结果进行对比分析。5个开挖阶段的连续墙位移监测结果如图4～8所示。

根据图4、图5可知，在开挖初期，基坑的变形受开挖深度的影响较小，这是因为连续墙的支撑刚度较大，在开挖深度较小的情况下，支护结构所承受的荷载较小，基坑周边的土体未发生失稳现象，水平位移并不明显；而在第二层开挖阶段，基坑受开挖深度的影响较大，这是因为随着开挖深度的增加，基坑内部的土体高度低于基坑外侧的土体，随着高度差值不断增加，基坑内外侧所受的压力差距也不断增加，土体会对连续墙产生主动土压力，随着压力增加，连续墙的上部结构会产生向外侧的变形，由此发生较明显的水平位移。由图5可知，约4～5.5 m的开挖深度区间有曲线变化的现象。

根据图6～8可知，基坑的地下连续墙的上部结构会向基坑的外侧发生变形，随着开挖深度的不断增加，支护结构的位移数值有明显增大的趋势，并整体趋向于基坑内侧，且基坑的最大位移都接近开挖面。在开挖至第五层约23 m的深度时，基坑水平位移模拟数值与监测数值出现了较大的偏差。根据项目调查报告显示，该阶段施工时，该地区有连续降雨的情况，推测降雨导致地下水位上升，使基坑支护结构发生了急剧增大的位移。

通过数值模拟曲线与工程实际检测曲线结合分析可知：随着开挖深度不断增加，基坑的最大水平位移值会逐渐下移，使模拟与实测结果的曲线整体在左右两端小，中间较为突出，呈“水滴”型，说明支护结构能够很好地限制基坑发生变形位移；地下连续墙的水平位移由上到下呈不断增加的趋势，在9～12 m有突出的变化点，显示了混凝土支撑对地下连续墙变形限制的作用，本文所建立的数值模型可以很好地预测基坑开挖过程中支护结构的变形。

数值模拟与实际监测支护结构的水平位移变化规律是相同的，但存在较小的偏差，分析原因为：在建模过程中，将基坑模型的部分结构、土层的厚度等问题进行了一定的简化，通过项目报告以及室内试验确定的土体参数以及物理指标不能精确反映出当地的水文地质条件；数值模拟并未考虑地表水及地下水的变化影响；施工期间的荷载变化也会对基坑的变形产生一定的影响。

3.2 地表变形特征

如图9所示为深基坑地下连续墙侧向的地表沉降数值模拟位移云图。由图9可知，地表的沉降随着与基坑支护结构的距离增加先增大后减小，直到忽略不计。

如图10所示为数值模拟与工程实测的地表沉降曲线图。结合图9分析可知，矩形地下连续墙长边的地表沉降大于短边的地表沉降，沉降的最大值出现在长边，且随着支护结构的增长，地表沉降范围逐渐增加。这表明，支护结构越长，其抵抗地表沉降的能力越低。在施工时，要对长度较大的支护结构采取优化措施，可采取隔断处理的方法减小支护结构的长度，或者给连续墙增加横向的支撑设施，以提高支护结构的刚度，进而减小地表的沉降。

矩形基坑角点处的地表沉降明显小于长边中点处的沉降，且通过比较四个角点的沉降值可发现，矩形基坑直角处的角点地表沉降小于钝角处的角点地表沉降，角点角度越小，地表产生的沉降越小，表明直角角点比钝角角点有更大的刚度，因此在进行深基坑工程设计时，可对适当减小基坑角点的大小，进行施工优化。

3.3 支护结构的力学性能研究

本文对深基坑施工过程中的四道支撑进行了轴力测量，以研究钢筋混凝土内支撑的力学性能，结果见表2。由表2可知，除第1道支撑的轴力在开挖至7.5 m时与开挖2.5 m处的轴力相比略微下降外，其余支撑随着开挖深度的增加，混凝土支撑的轴力也不断增加。在开挖深度达到第三层的14.3 m后，4道支撑的支撑比例显著提高，当开挖至底板处时，各个支撑达到了最大轴力值，分别为3 688.24 kN、1 826.37 kN、2 547.83 kN和1 371.95 kN，其支撑比例均＞80%，表明基坑内部的钢筋混凝土支撑充分发挥了支撑作用。

4 结语

本文以某地铁站深基坑工程为例，基于Plaxis 3D软件，对复杂地层条件下的深基坑支护方案进行研究，分析了深基坑位移、支护结构以及地表的变形特征，同时验证了混凝土支撑的力学性能。

得到如下主要结论：

（1）随着深基坑开挖深度的不断增加，土体对支护结构的土压力会不断增加，支护结构产生向外侧的变形，导致其产生水平方向的位移。

（2）支护结构的位移方向均趋向于基坑内侧，矩形基坑长边围护墙的侧向位移普遍大于短边连续墙的侧向位移，中点处连续墙的侧向位移大于角点处连续墙的侧向位移。

（3）矩形基坑角点处的地表沉降明显小于长边中点处的沉降，角点角度越小，地表产生的沉降越小。

（4）随着开挖深度的增加，钢筋混凝土支撑轴力也随之增加，在基坑开挖至底部时，支撑承担力＞80%，充分发挥了支撑作用。

参考文献

［1］李 亚.基坑周围土体位移场的分析与动态控制［D］.上海：同济大学，1999.

［2］杨 敏，卢俊义.基坑开挖引起的地面沉降估算［J］.岩土工程学报，2010，32（12）：1 821-1 828.

［3］傅理文，彭 渊，翁 湛，等.深基坑安全监测与预警平台的开发与应用［J］.地下空间与工程学报，2018，14（S1）：423-429.

［4］Ou C Y，Lai C H.Finite-element analysis of deep excavation in layered sandy and clayey［J］.Canadian Geotechnical Journal，1994，31（2）：204-214.

［5］李四维，高华东，杨铁灯.深基坑开挖现场监测与数值模拟分析［J］.岩土工程学报，2011，33（S1）：291-298.

［6］周秋娟，陈晓平，徐光明.软土基坑离心模型试验及数值模拟研究［J］.岩石力学与工程学报，2013，32（11）：2 342-2 348.

［7］Peck R B.Advantages and limitations of the observational method in applied soil mechanics［J］.Géotechnique，1969，19（2）：171-187.

［8］Wang J H，Xu Z H，Wang W D.Wall and ground movements due to deep excavations in shanghai soft soils［J］.Journal of Geotechnical & Geoenvironmental Engineering，2010，136（7）：985-994.