張曉東

（山西省運城市水利勘察院，山西 運城 044000）

1 引言

隨著科技的快速發(fā)展，地下工程變的越來越深，深基坑的支護難度也逐漸加大。尤其是復雜地形深基坑的支護穩(wěn)定問題最為突出，對深基坑支護的穩(wěn)定性研究意義重大。

20世紀就已對基坑問題開始了研究，Terzaghi和Peck等人[1]最早對基坑的穩(wěn)定性等問題展開研究。隨后一些學者逐漸開展了相關研究，到70年代出現(xiàn)了基坑開挖和支護的相關規(guī)定[2]。在20世紀80年代基坑支護問題的研究在我國逐漸開展。對此國家投入大量的人力和物力，90年代進入迅速發(fā)展時期[3][4]。隨著計算機模擬技術的發(fā)展，對基坑支護問題的數(shù)值研究逐漸普及，大大加快了支護問題的研究，對支護的穩(wěn)定性的研究也更加深入[5][6]。王廣國等人考慮非線性變形，對基坑問題展開有限分析。張明聚等人[8]對基坑采用土釘支護的穩(wěn)定性進行了研究。周川杰[9]采用FLAC軟件利用有限差分法，對基坑問題進行了研究。這些計算可以很好的說明數(shù)值模擬方法在實際工程的研究中是可行的。之前的研究都是基于較淺的基坑基礎上，對于深基坑、復雜地形的研究相對較少，本文在前人研究的基礎上，采用FLAC3D對分層土復雜地形下的深基坑開挖進行數(shù)值模擬，對其穩(wěn)定性展開研究。

2 模型建立

本研究的工程基礎為某擬建工程，根據(jù)勘察資料可知，場地的地基復雜程度為中等復雜地基，重要性為一級，勘察等級為甲級。地層巖性為上面是沉積的淤泥黏土和粉質黏土，下面主要為板巖。各巖層參數(shù)詳見表1。

FLAC3D是國際通用過的巖土等相關專業(yè)分析軟件，本次研究采用拉格朗日法進行非線性有限元模擬分析。本構模型采用Mohr-Coulomb模型，屈服準則見公式（1）～（2）：

表1 各巖層參數(shù)

式中：τ——切應力；

σn——正應力；

φ——內摩擦角；

c——粘聚力；

σ1——第一主應力；

σ3——第三主應力；

開挖基坑的影響范圍，受巖土特性、基坑的深度和開挖形狀和大小等因素的影響。模型的四周施加對應的約束，限制巖體的側向位移變形，模型底部采用固定約束，頂部不設置。忽略地下水和其他臨時荷載的作用，研究過程中只考慮地應力的作用，忽略一些不常見的外力；初始的地應力作用也考慮在內，不能忽略。應力的作用可以疊加，初始加載的計算參考初始應力，后面依次進行相應累積計算。在自重作用下，空間點的初始應力狀態(tài)為：

式中：σz——初始上覆應力；

γZ——重度；

λ——調整系數(shù)；

σx——X方向初始正應力；

σy——X方向初始正平應力；

τxy——XY平面初始切應力；

τyz——YZ平面初始切應力；

τzx——ZX平面初始切應力。

初始應力分層設置，各層的豎向應力為ρig（i=1，2，3，4，5）。采用分階段彈塑性求解法，第一階段為彈性變形階段，模型按照材料的粘聚力和抗拉強度最大值求解，當達到平衡狀態(tài)后，開始進行彈塑性求解，達到最終狀態(tài)。建立模型尺寸為100m×80m×20m（長×寬×深），詳見圖1。

圖1 模型不同視角

數(shù)值模擬中模型內采用梅花形雙排樁支護，具體布置見圖2，共計148根樁，其中前排樁72根，后排樁76根。

采用結構pile單元，此單元可以將實際的樁進行簡化為結構節(jié)點和結構構件，詳見圖3。

網(wǎng)格劃分采用矩形放射性劃分法，網(wǎng)格數(shù)為2002，節(jié)點數(shù)為2298，采用最大不平衡力來控制是否進入平衡狀態(tài)。設置好基本的模型參數(shù)后，就可以進行開挖模擬，分五步進行，對于每步開挖進行的應力和位移進行記錄，開挖布置見圖4。

圖2 梅花形雙排樁布置圖

樁單元與實體單元之間通過耦合彈簧來連接。耦合彈簧可以傳力和彎矩，通過剛度、內摩擦角等來反映樁體與土體之間發(fā)生的相互作用。

圖3 樁體轉化成模型的中樁單元

圖4 基坑分步開挖示意圖

3 計算分析

3.1 無支護與雙排樁支護效果對比

不平衡力是判斷計算結果是否收斂的一個標志，本研究采用默認收斂標準進行判別，無支護和雙排樁支護的計算過程收斂情況見圖5。

圖5 不平衡力收斂情況對比圖

根據(jù)圖5可知，基坑沒有支護時，基坑模型在第四次開挖計算后便不能夠收斂，隨后在運行到4000左右時最大不平衡力劇烈增大，嚴重超出設定范圍，說明此時基坑模型已經(jīng)出現(xiàn)破壞，無法繼續(xù)計算。在基坑采用雙排樁支護時，隨著開挖次數(shù)的增加每次引起的不平衡力逐漸增大，經(jīng)過2358步就進行了第五次開挖計算，之后經(jīng)過37890步，最終達到平衡狀態(tài)。

圖6 基坑最終位移云圖

圖6為無支護時基坑最終位移云圖。對比圖6中（a）、（b）發(fā)現(xiàn)，最大位移均出現(xiàn)在基坑長邊中間靠近地面處，大小分別為：5m、0.1m。無支護的位移值，是有雙排樁支護位移的50倍，說明基坑開挖過程中設置支護的必要性。在實際工程中，邊坡產生的位移導致邊坡不穩(wěn)定時，基坑發(fā)生破壞，工程無法繼續(xù)進行。

3.2 基坑開挖后土體應力分析

基坑開挖過程中土體應力根據(jù)地形的變化重新分布，使巖土體原有的應力狀態(tài)發(fā)生變化，開挖后的應力變化見圖7。

根據(jù)圖7可知，在雙排支護作用下的區(qū)域應力較小，基坑整體的主應力從上到下逐漸增大，最大主應力為1.25MPa，主要出現(xiàn)在底面，與附近巖土體的自重應力有關。說明了布置雙排樁支護，能夠將土體的應力傳遞和擴散到地基，減少了周圍土體的承載力，減少土體的變形，保證基坑的穩(wěn)定性。

從應力分布跡線可知，主應力整體分布隨深度增加逐漸加大，在基坑的開挖面附近，對應主應力跡線發(fā)生方向轉移。最大主應力逐漸接近平行臨空面，而最小主應力則逐漸與臨空面正交，在坡腳附近逐漸出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象。因此在施工過程要加大對坡腳處的穩(wěn)定性檢測。

3.3 基坑開挖后的位移變化

在梅花形雙排樁支護下，基坑整體位移矢量，見圖8。

圖7 開挖后應力分布圖

圖8通過矢量箭頭大小和方向，對基坑整體位移進行研究?？梢娸^大位移主要出現(xiàn)在基坑開挖面坡頂附近。Y方面的位移矢量要大于X方向，每條邊靠近中間位置的位移值最大，然后向兩側逐漸減小。

圖8 整體位移矢量圖

為了進一步研究基坑的位移，分別對Y方向水平位移和Z方向垂直位移進行研究。模型Y方向水平位移，見圖9。

圖9 模型Y方向水平位移云圖

由圖9可知，Y方向最大位移出現(xiàn)在基坑邊坡頂部中央位置，然后向兩側和向下逐漸減小，分布趨勢與整體三維矢量圖吻合。出現(xiàn)這種現(xiàn)象與雙排樁的布置和土體的自重應力有關，基坑的頂部穩(wěn)定性較差，位移較大。同時可見邊坡后面土體，距離坡體越遠Y方向水平位移越小。

多次開挖后的Y方向水平位移變化情況見圖10。

根據(jù)圖10可知，第一次開挖后坡面水平位移變化很小幾乎為零。隨著繼續(xù)開挖，在地面以下14m到20m位移變化不明顯，靠近地面處位移變化比較明顯。坡面的位置逐漸增大，并且變化的幅度也越來越大，第五次的時候已經(jīng)遠遠的大于前四次的位移。最大位移為100mm。

基坑整體沉降量，見圖11。

根據(jù)圖11可知，基坑的最大沉降主要出現(xiàn)在兩側坑壁附近位置處，由此向四周沉降量均有所減小，在基坑下側局部地區(qū)出現(xiàn)受力不均衡導致的局部隆起現(xiàn)象。最大沉降量為12.5mm。

圖10 基坑邊坡面Y方向位移隨深度變化曲線

圖11 開挖后基坑土體沉降云圖

分布開挖過程中基坑的沉降量見圖12。

圖12 坡后地面沉降曲線

根據(jù)圖12可知，在第一次開挖時，地面的沉降量很小，接近于零。隨后在第二次和第三次開挖過程中在Y方向20m位置出現(xiàn)出現(xiàn)較為明顯的沉降，其他位置變化不明顯。當?shù)谒拇伍_挖時土體沉降明顯，坑壁出現(xiàn)輕微的隆起。第五次開挖時，出現(xiàn)很大的沉降，大小為58.5mm，出現(xiàn)在Y方向20m左右位置處；在坑壁附近出現(xiàn)明顯的反彈現(xiàn)象，反彈幅度為12.5mm。

4 結論

在進行基坑開挖時，無支護基坑最大位移，遠遠大于設置雙排樁支護的位移，設置支護是基坑開挖的必要手段。

基坑主應力從上到下逐漸增大，開挖面附近主應力跡線方向發(fā)生明顯變化，在臨空面附近最大主應力平行臨空面，最小主應力與臨空面垂直。

長邊的水平位移大于短邊的水平位移，最大位移出現(xiàn)在長邊側坑壁中部靠近地面位置，且Y方向的最大位移值為100mm。

最大沉降量出現(xiàn)在長邊中部頂端靠近邊壁位附近，由此向四周逐漸減小。最大沉降量為58.5mm。