梁發(fā)云，褚 峰，宋 著，李永盛

(同濟大學(xué)a.巖土及地下工程教育部重點試驗室;b.地下建筑與工程系，上海 200092)

深基坑工程是城市建設(shè)中的高風(fēng)險項目，近年來城市建設(shè)中的重大工程事故有不少是由深基坑開挖引起的。對于建筑物和生命線密集環(huán)境中的深基坑工程，由于周邊環(huán)境對變形敏感，基坑開挖愈深，變形控制越難，位于復(fù)雜敏感環(huán)境中的深基坑變形預(yù)測一直是巖土工程的熱點和難點課題。因此，如何有效地預(yù)測深基坑工程的變形已成為亟待解決的重要問題。目前對于深基坑變形通常采用常規(guī)設(shè)計方法、數(shù)值方法或者現(xiàn)場實測等手段進行分析。由于離心模型試驗在解決巖土工程問題中具有獨特的優(yōu)勢，特別是近年來巖土離心機建設(shè)及離心模型試驗技術(shù)在我國得到迅速發(fā)展，采用離心試驗?zāi)M深基坑變形特性也成為一種有效的分析手段。深基坑工程變形預(yù)測的復(fù)雜性體現(xiàn)在時間和空間效應(yīng)的影響非常明顯，國內(nèi)外的學(xué)者對此作過不少研究，但這個問題并未得到圓滿解決，模型試驗、現(xiàn)場實測與理論計算之間往往存在著較大的差異。

本文以上海地區(qū)某緊鄰地鐵樞紐的深基坑工程為分析對象，分別采用離心模型試驗、三維數(shù)值方法以及現(xiàn)場實測等手段綜合分析深基坑工程的變形特性，通過對不同方法得到的變形特性的對比分析，討論其中可能存在的影響因素。

1 工程概況

該工程位于上海浦東新區(qū)，占地面積3萬多m2。擬建地面建筑物由多幢高層辦公樓和商業(yè)裙樓組成，地下空間按地下4層(局部2層、3層)考慮，地下室深度14.75～22.8 m，功能為商場和車庫。整個地塊與地鐵位置關(guān)系復(fù)雜，基坑南側(cè)緊鄰地鐵世紀(jì)大道站，作為上海目前惟一的4線換乘樞紐，地鐵2#，4#，6#和9#線在此交匯，特別是軌道交通 6#線明挖區(qū)間更是以地下一層的形式直接穿越整個地塊，將地塊一分為二。因此，6#線是該基坑工程最為重要的保護對象。出于對6#線的保護，工程施工中，將整個基坑分成大小2種基坑(靠近隧道一側(cè)的為小基坑，遠離隧道一側(cè)為大基坑)，先開挖大基坑，后開挖小基坑，以減小基坑整體開挖對隧道的變形影響。大基坑開挖深度22.8 m，基坑平面內(nèi)采用整體對撐形式，豎向共設(shè)5道鋼筋混凝土支撐，支撐截面尺寸為1 400mm×1 000mm，間距9 m，地下連續(xù)墻厚1.0 m，深度為50 m。小基坑開挖19.25 m，布置5道支撐，第1道為鋼筋混凝土支撐，其他4道支撐采用609mm鋼管(壁厚t=16mm)，間距3 m，地下連續(xù)墻厚1.0 m，深度為40 m。關(guān)于該工程的詳細描述見文獻［1］。

2 離心模型試驗分析

離心模型試驗在同濟大學(xué)TLJ－150復(fù)合型巖土離心機上進行的，該設(shè)備最大容量為150 g-t，最大加速度為200 g［2］。試驗所采用模型箱的有效尺寸為0.9 m×0.55 m×0.7 m(長×寬×高)。

按照相似原理，在工程原型的基礎(chǔ)上對離心模型方案進行了簡化。土層選取了本工程場地中最具代表性的兩層土體:淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土25 m和粉細砂(夾砂質(zhì)粉土)45 m。離心模型試驗的具體模型尺寸和布置如圖1所示。

圖1 離心模型試驗布置簡圖Fig.1 Layout of the model for centrifuge tests

結(jié)合離心機平穩(wěn)工作條件，選擇模型相似率為100，即試驗過程中離心機穩(wěn)定運轉(zhuǎn)加速度為100 g(g為重力加速度)。各開挖步說明如表1所示。

表1 各開挖步的定義Table 1 Description of each excavation step

圖2(a)至(c)分別給出了離心模型試驗中各開挖階段一號墻、二號墻和三號墻沿深度的水平位移分布特性，圖中數(shù)值均為換算至原型狀態(tài)的尺寸。

圖2 離心模型試驗中各墻沿深度水平位移分布Fig.2 Displacements of retaining walls along depths in the centrifuge model test

3 有限元數(shù)值分析

大量實測數(shù)據(jù)表明，深基坑周圍的土體應(yīng)變范圍通常在0.01%～0.5%，而常規(guī)土工試驗得到的物理力學(xué)指標(biāo)則通常是在1%量級的變形條件下得到的，常規(guī)土工試驗指標(biāo)計算變形會明顯偏大［3－5］。因此，深基坑變形計算需要采用與土體應(yīng)變范圍相適應(yīng)的土性指標(biāo)才能較好地反映工程實際情況。在變形控制嚴(yán)格的條件下，土體變形將處于小應(yīng)變區(qū)域，變形分析時有必要考慮土體的小應(yīng)變剛度特性。

本文采用Z_Soil.PC2010有限元軟件，建立三維數(shù)值模型如圖3所示，模擬小應(yīng)變條件下的深基坑開挖過程。Z_Soil.PC2010有限元軟件內(nèi)嵌有可考慮土體小應(yīng)變特性的Hardening Soil Small-Strain Model(簡稱為HSS模型)。該模型的理論依據(jù)是Benz等［6－7］提出的土體小應(yīng)變層疊模型(Small-Strain Overlay Model)，與常規(guī)的彈塑性模型相比，只需要增加2個材料參數(shù)即可描述土體小應(yīng)變特性，該模型在模擬深基坑開挖方面比其他本構(gòu)模型具有優(yōu)勢，可以比較準(zhǔn)確地確定小應(yīng)變條件下的基坑變形特性。

各土層具體參數(shù)在該工程的巖土工程勘察報告中均有詳細的說明，包括土體壓縮模量、三軸固結(jié)試驗c'和φ'等重要模型參數(shù)均直接給出。對于計算參數(shù)的確定，在Z_Soil.PC 2010軟件使用說明中有詳細的介紹［8］，在此不再贅述。計算參數(shù)按文獻［1］的建議方法取值，計算參數(shù)如表2所示。

圖4(a)至(c)分別給出了三維有限元數(shù)值分析中各開挖階段一號墻、二號墻和三號墻沿深度的水平位移分布情況，計算中土體采用HSS模型。

圖3 數(shù)值模型布置簡圖Fig.3 Layout of the 3D-FEM model

表2 HSS模型計算所需土體參數(shù)*Table 2 Parameters for the HSS Model

圖4 三維有限元中各墻沿深度水平位移分布Fig.4 Displacements of retaining walls along depths in three-dimensional finite element models

4 現(xiàn)場實測分析

原設(shè)計方案中A1和B1兩個大基坑采取同時開挖的方式，按照軌道交通管理部門的要求，考慮到地鐵兩側(cè)大基坑同時卸載后，中間的地鐵結(jié)構(gòu)可能會產(chǎn)生較大的隆起變形，導(dǎo)致垂直變形變化復(fù)雜。因此，A1和B1兩個大基坑采取順序開挖方式，即先進行B1基坑開挖，待B1基坑底板完成后進行A1基坑的開挖，2011年7月已開挖至B1大基坑坑底，完成坑底墊層澆筑，大致相當(dāng)于表1的開挖步6。

選取與上述分析中各連續(xù)墻位置大致相當(dāng)?shù)臏y斜孔數(shù)據(jù)進行分析，所選取的觀測時間與表1的各開挖步也大致相當(dāng)。圖5(a)至(c)分別給出了現(xiàn)場實測分析中各開挖階段一號墻、二號墻和三號墻沿深度的水平位移分布情況。

5 試驗、數(shù)值與現(xiàn)場實測對比分析

將上述圖2、圖4和圖5的相關(guān)結(jié)果分別繪制在圖6(a)至(c)，通過對比分析，得出如下一些結(jié)論:

(1)3種分析方法所得結(jié)果在定性規(guī)律上是基本一致的，但由于離心模型試驗以及現(xiàn)場監(jiān)測等影響因素較多，3種方法所得變形結(jié)果在量值上還是有一定差別的。

(2)總體上來說，有限元計算結(jié)果的墻體頂端位移偏小。而離心模型試驗中，三號墻的位移明顯偏大，可能與試驗操作過程有關(guān)，主要是由于第二道支撐架設(shè)是變形明顯偏大所致。

圖5 現(xiàn)場實測中各墻沿深度水平位移分布Fig.5 Displacements of retaining walls along depths in the in-situ monitoring

圖6 3種方法地下連續(xù)墻沿深度位移對比Fig.6 Comparisons of displacements of retaining walls along depths with three methods

(3)3種方法計算結(jié)果來看，有限元與現(xiàn)場實測結(jié)果更為接近，但有限元結(jié)果與土體本構(gòu)模型和參數(shù)選擇關(guān)系較大，相關(guān)問題還有待進一步研究。

6 結(jié)語

針對緊鄰地鐵隧道深基坑工程變形特性問題，本文依據(jù)背景工程的特點抽象出簡化分析模型，采用離心模型試驗進行模型分析;同時采用考慮土體小應(yīng)變剛度特性的HSS模型進行三維數(shù)值分析，并與現(xiàn)場實測結(jié)果對比，揭示緊鄰地鐵隧道深基坑工程的變形特性。

本文研究表明，3種分析方法所得結(jié)果在定性規(guī)律上是基本一致的，但在具體量值上還是有一定差別的。采用HSS本構(gòu)關(guān)系的三維有限元模型可以大致模擬離心試驗結(jié)果，尤其在墻體水平位移趨勢分析上，基本一致。

［1］褚 峰，李永盛，梁發(fā)云，等.土體小應(yīng)變條件下緊鄰地鐵樞紐的超深基坑變形特性數(shù)值分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2010，29(增 1):3184－3192.(CHU Feng，LI Yong-sheng，LIANG Fa-yun，et al.Numerical Analysis on Deformation of Deep Excavation Adjacent to Metro Considering Small-Strain Stiffness of Soil［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010，29(Sup.1):3184－3192.(in Chinese))

［2］馬險峰，張海華，朱衛(wèi)杰，等.軟土地區(qū)超深基坑變形特性離心模型試驗研究［J］.巖土工程學(xué)報，2009，31(9):1371－1377.(MA Xian-feng，ZHANG Hai-hua，ZHU Wei-jie，et al.Centrifuge Model Tests on Deformation of Ultra-deep Foundation Pits in Soft Ground［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2009，31(9):1371－1377.(in Chinese))

［3］BURLAND J B.Ninth Laurits Bjerrum Memorial Lecture:“Small is Beautiful”-the Stiffness of Soils at Small Strain［J］.Canadian Geotechnical Journal，1989，26(4):499－516.

［4］KUNG G T C，HSIAO E C L，JUANG C H.Evaluation of a Simplified Small-Strain Soil Model for Estimation of Excavation-Induced Movements［J］.Canadian Geotechnical Journal，2007，44(6):726－736.

［5］汪中衛(wèi).考慮時間與小應(yīng)變的地鐵深基坑變形及土壓力的研究［D］.上海:同濟大學(xué)，2004.(WANG Zhong-wei.Research on Deformation and Earth Pressure of Deep Metro Excavation in Soft Clay Based on Time and Small Strain［D］.Shanghai:Tongji University，2004.(in Chinese))

［6］BENZ T，VERMEER PA，SCHWAB R.A Small-Strain Overlay Model［J］.International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics，2009，33(1):25－44.

［7］BENZ T.Small-Strain Stiffness of Soils and Its Numerical Consequences［D］.Stuttgart:Stuttgart University，2007.

［8］TRUTY A.Technical Report:Hardening Soil Model with Small Strain Stiffness［R］.Zace Services Ltd.，Lausanne，2008.