摘 要：支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體地下結(jié)構(gòu)相結(jié)合的深基坑變形受多個因素的影響，結(jié)合江蘇無錫市太湖大道改造工程，使用ABAQUS軟件建模并對開挖過程進(jìn)行了二維有限元分析，通過系統(tǒng)的參數(shù)分析，研究了連續(xù)墻的剛度、連續(xù)墻的入土深度、水平支撐的豎向間距對圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響，提出了經(jīng)濟(jì)有效的變形控制對策。

關(guān)鍵詞：基坑變形 有限元 影響因素

中圖分類號：U44文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1674-098X（2012）09（a）-0129-02

基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形影響因素是其變形控制的重要內(nèi)容之一[1-2]，為了進(jìn)一步研究大型深基坑變形的影響因素，本文依托無錫市太湖大道改造工程的大型基坑，通過ABQUS軟件對基坑開挖過程進(jìn)行二維有限元數(shù)值模擬，重點研究支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體地下結(jié)構(gòu)相結(jié)合的深基坑變形影響的幾個因素，這對深基坑工程變形控制理論研究和實踐應(yīng)用都具有重要的意義。

1 工程概況

本工程起點位于京杭大運河金匱橋，往東橫穿太湖廣場，之后向東穿過清揚(yáng)路、通揚(yáng)路、古運河、金塘橋、塘南路、興源路立交、京滬鐵路、城際鐵路、冷瀆港橋和長江北路，最后到達(dá)本工程終點廣南立交。隧道全線擬采用明挖法施工，除特殊位置外，圍護(hù)結(jié)構(gòu)基本擬采用SMW工法。

基坑開挖順序：

（1）開挖土體至第一道支撐底，澆筑頂圈梁及第一道鋼筋混凝土支撐

（2）待頂圈梁及第一道混凝土支撐達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后，開挖土體至第二道支撐底，固定鋼圍囹及架設(shè)鋼系桿，設(shè)置第二道鋼支撐，并對支撐預(yù)加軸力；

（3）開挖土體至第三道支撐底，固定鋼圍囹及架設(shè)鋼系桿，設(shè)置第三道鋼支撐，并對支撐預(yù)加軸力；

（4）開挖土體至坑底，澆筑素混凝土墊層；澆筑結(jié)構(gòu)底板，待結(jié)構(gòu)底板混凝土達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后，拆除第三道支撐；

（5）澆筑側(cè)墻、中板，待混凝土達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度要求后，拆除第二道支撐；

（6）澆筑側(cè)墻、頂板，待混凝土達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后方可拆除第一道支撐。

2 有限元分析

2.1 基本假設(shè)

對實際工程問題進(jìn)行數(shù)值模擬計算分析時，最優(yōu)的選擇是在精確性、可靠性和效率性中尋找平衡點，在抓住最主要的計算目標(biāo)的前提下，盡可能簡化。因此，一些對模型和參數(shù)等條件的假設(shè)的存在就具有必要性。

（1）為了方便賦予模型各部件材料屬性，圍護(hù)結(jié)構(gòu)和支撐機(jī)構(gòu)假設(shè)為彈性體，土體假定為均勻、各向同性的彈塑性體；

（2）開挖前，土體在自重狀態(tài)下正常固結(jié)，開挖以前不考慮土體原位應(yīng)力和形狀的改變；

（3）在整個施工進(jìn)程中土體的力學(xué)指標(biāo)沒有變化，且不考慮滲流影響。

2.2 參數(shù)選取及有限元模型

該基坑工程地基土的本構(gòu)模型的彈性部分采用線彈性模型，塑性部分采用Mohr-Coulomb模型。地基土成層沉積而成，呈層狀分布，各層土的性質(zhì)較均勻，且各層之間差異較大，因此可以將地基土近似看作由有限個體均勻各向同性的地基共同組成的層狀地基來處理，分層可以根據(jù)地基的天然分層情況來決定。由于現(xiàn)場工程地質(zhì)報告給出的通常是土體側(cè)限條件下的壓縮模量，在實際ABAQUS中采用的是材料的彈性模量，因此需根據(jù)土力學(xué)理論公式進(jìn)行土體材料彈性模量的換算[3]：

（1）本著有利于建模和計算的原則，SMW工法圍護(hù)結(jié)構(gòu)可按等效剛度原理轉(zhuǎn)化為地下連續(xù)墻：

軸向剛度：（2）

彎曲剛度：（3）

式中：t為等效后墻體厚度，E、Eeq為等效前、后樁基的材料彈性模量，EA為軸向剛度，EI為彎曲剛度。

通過計算取墻厚度為0.8m。第一道支撐的混凝土設(shè)計強(qiáng)度等級為C30，第二三道支撐均為C35。關(guān)于泊松比ν的求取，可通過實驗室試驗的方法，不過一般不易測得準(zhǔn)確。由于地基土的ν值常常都在0.3～0.4左右，變化范圍不大，所以在工程計算中往往憑經(jīng)驗選取。

3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形影響因素分析

3.1 連續(xù)墻厚度對圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響

連續(xù)墻的厚度是墻體設(shè)計的重要參數(shù)，墻體的厚度決定了墻體的剛度，直接關(guān)系到水平位移大小。厚度太大，不利于發(fā)揮巖土體自有的自承能力，造成不必要的浪費；連續(xù)墻厚度太小就會使基坑變形較大并影響到鄰近建筑物的安全。江蘇地區(qū)常用的地下連續(xù)墻厚度為0.6m、0.8m、1.0m，最大厚度為1.2m。因此，只對這4種厚度進(jìn)行研究，各計算模型和計算參數(shù)完全一樣，只是連續(xù)墻的厚度發(fā)生改變。

（圖1）為采用不同厚度的連續(xù)墻在開挖結(jié)束后基坑的最大變形。從圖中可以看出采用不同厚度的連續(xù)墻時，各變量隨深度變化的規(guī)律基本相同，即連續(xù)墻的水平變形為墻體頂端和底端位移較小中部變形較大，向基坑內(nèi)凸出，整體表現(xiàn)為弓形。從圖中還可以看出連續(xù)墻水平位移對于墻體厚度的變化比較敏感。隨著連續(xù)墻墻體厚度的增大，水平位移變化明顯。當(dāng)墻體從0.6m增加到1.2m時，墻體水平位移從13.03mm減小到8.12mm，可見增厚墻體能夠有效地控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平變形。同時，墻體每次增厚的梯度為0.2m，但連續(xù)墻水平位移比率減小，而減小的速率逐漸變小。即當(dāng)墻體厚度較小時，增加單位厚度，位移減小顯著。但墻體厚度增大以后，這種因墻體厚度增加而減小的位移會越來越小。另外連續(xù)墻變形最大位移點位置變化范圍較小，始終在標(biāo)高3.0m附近。這種現(xiàn)象依舊可以將連續(xù)墻看作彈性地基梁，用結(jié)構(gòu)力學(xué)的知識來解釋：即當(dāng)梁的約束條件和受力條件沒有發(fā)生變化時，改變梁的剛度（即墻體厚度），可以改變梁的變形大小，但對梁的變形形式和極值位置沒有影響[4]。

由（表1）還可以更精確的看出連續(xù)墻體隨著厚度變化導(dǎo)致的變形變化。而且下表也反映了連續(xù)墻單位厚度對控制水平位移的貢獻(xiàn)值。這個值隨著墻體厚度的增大在不斷減小，當(dāng)連續(xù)墻體從0.6m增加到1.2m時，貢獻(xiàn)值從27.72mm/m減小到6.77mm/m。這種規(guī)律在經(jīng)濟(jì)學(xué)上稱為邊際效益遞減，即逐次增加單位資源的投入，帶來總收益的增加，但單位收益逐漸減小。邊際效益遞減規(guī)律還顯示資源的不斷投入使收益的增長速度不斷變慢，其最終趨于峰值。表1也充分反映了墻體厚度和墻體位移之間也遵從這樣的規(guī)律，墻體厚度從0.6～1.2m之間變化時，增大墻體厚度對于減小墻體水平位移始終有效，但對于墻體水平位移影響有著明顯的邊際效益遞減現(xiàn)象。由此可見，改變墻體的厚度實質(zhì)上是改變了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的抗彎剛度，這對于控制墻體的水平位移具有很好的效果（圖1、2）。

3.2 連續(xù)墻深度對圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的入土深度是設(shè)計中的一個重要指標(biāo)，很多事故就是因為墻體插入深度不夠，導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)傾斜坍塌，它不僅涉及到結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，還要考慮安全性。研究時各計算模型和計算參數(shù)與之前模型完全一樣，只是連續(xù)墻的深度發(fā)生改變。

從圖2中可以看到隨著圍護(hù)墻深度的增加，水平位移最大點以上的墻體變形變化比水平點以下的墻體位移變化明顯大一些，墻體底端的變化最為明顯。當(dāng)連續(xù)墻深度為0.5H時，由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)深度太小，基坑內(nèi)的土體抗力不能支擋結(jié)構(gòu)變形時，墻體底端的變形就會急劇變大，也就形成了工程中所說的“踢腳”現(xiàn)象。圖中的“踢腳”現(xiàn)象十分明顯，包括當(dāng)連續(xù)墻深度為H時，連續(xù)墻的底部都有一定的“踢腳”現(xiàn)象。另外，當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)深度太?。ㄈ?.5H），連續(xù)墻在開挖結(jié)束后的最大水平位移已經(jīng)超過了預(yù)警值，并且從圖中趨勢可以看出，連續(xù)墻下的土體變形將更大，所以圍護(hù)機(jī)構(gòu)深度小容易導(dǎo)致變形大，重則導(dǎo)致?lián)跬两Y(jié)構(gòu)破壞、基坑失穩(wěn)危及周圍環(huán)境。墻體從1.5H加長2H時，墻體最大位移點的位移由9.07mm減小到8.53mm，只變化了0.54mm。因此可以看出繼續(xù)增加墻體入土深度對穩(wěn)定性和變形的影響不大。

另外，圖中連續(xù)墻深度在H、1.5H和2.0H時連續(xù)墻的墻體變形不是特別明顯，這是由于原設(shè)計方案中的三道支撐影響，對于有支撐設(shè)計的圍護(hù)結(jié)構(gòu)一般只要及時架設(shè)支撐，通常不會發(fā)生整體性失穩(wěn)，而且對變形的影響也不顯著，因此可以相對減少圍護(hù)結(jié)構(gòu)的入土深度。

通過本文的研究發(fā)現(xiàn)，對于有內(nèi)支撐的基坑，當(dāng)達(dá)到一定深度后繼續(xù)增加墻體的入土深度對改善墻體的側(cè)向變形和地表沉降的作用不是特別明顯，另外增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)的入土深度往往需要很大的投資，因此在滿足基坑穩(wěn)定性的前提下，應(yīng)該尋求其它的方法來控制墻體的變形。其實當(dāng)墻體深入到凝灰?guī)r中后，繼續(xù)增加連續(xù)墻的深度，墻體位移應(yīng)該幾乎保持不變[5]。

4 結(jié)語

參數(shù)分析結(jié)果表明，在墻體厚度較小時，墻體厚度增加可以明顯的減小墻體的水平位移，但隨著墻體厚度的增大，這種依靠增加厚度來減小墻體水平位移效果會很差。對于有內(nèi)支撐的基坑，當(dāng)達(dá)到一定深度后繼續(xù)增加墻體的入土深度對改善墻體的側(cè)向變形和地表沉降的作用不明顯。如果支撐作用位置設(shè)置合理，可相對地減小地連墻的側(cè)移。

參考文獻(xiàn)

[1] 白曉紅，陳東佐.基礎(chǔ)工程設(shè)計原理[M].北京：科學(xué)出版社，2005.

[2] 陳忠漢，黃書秩，程麗萍.深基坑工程[M].2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[3] 曹冬.基坑樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析[D].武漢：武漢科技大學(xué)，2009：40-41.

[4] 王煥定，祁皚.結(jié)構(gòu)力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

[5] 李劭暉.錨碇基坑嵌巖支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特性和施工技術(shù)研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2007.