江福賢

(1.福州大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，福州，350116；2.福建地礦建設(shè)集團(tuán)公司，福州，350002)

基坑支護(hù)是基坑工程中一個重要環(huán)節(jié)[1-3]。應(yīng)宏偉等[4]采用三維數(shù)值模擬手段，對深基坑隔斷墻進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。劉杰等[5]建立了彈塑性有限元模型，對某地鐵車站深基坑開挖進(jìn)行施工仿真模擬計算，將獲得的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行了對比分析，為地鐵基坑的合理施工提供了有力的參考依據(jù)。李磊和段寶福[6]對南昌地鐵艾溪湖東站深基坑工程進(jìn)行了數(shù)值模擬，最終證明在南昌富水地質(zhì)條件下，地鐵車站深基坑施工所設(shè)計采用的圍護(hù)結(jié)構(gòu)是安全合理的。這些基坑數(shù)值模擬的文獻(xiàn)經(jīng)驗表明，將數(shù)值計算手段應(yīng)用于基坑支護(hù)的模擬分析是具有一定可行性和有效性的，可直觀而清晰地展示基坑的變形特征和支護(hù)效果。

因此，筆者在勘察分析的基礎(chǔ)上，對閩投營運(yùn)中心基坑的支護(hù)方案提出了初步建議，并采用LS-DYNA[7]大變形通用有限元程序?qū)λ岢龅闹ёo(hù)方案進(jìn)行三維數(shù)值模擬分析，通過數(shù)值模擬結(jié)果，初步預(yù)測不同支護(hù)方案的效果，并分析優(yōu)劣，為基坑支護(hù)設(shè)計提供參考。

1 工程概況

擬建閩投營運(yùn)中心的場地位于福州市鼓樓區(qū)古田路中美大廈東側(cè)，場地原始地貌屬閩江沖淤積平原，地勢較平坦，地面標(biāo)高5.38～6.31 m。場地覆蓋土層主要由全新統(tǒng)至更新統(tǒng)的沖淤積相組成，下伏燕山晚期侵入的中?；◢弾r，地層結(jié)構(gòu)較為簡單，受古地理環(huán)境的影響和區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造的作用，上部各土層及下部風(fēng)化基巖的分布、埋深、厚度及工程性能等在橫向和縱向上有一定變化。據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料及建筑場地周邊水文、工程地質(zhì)勘察成果，場地內(nèi)及鄰近地段無活動的斷裂構(gòu)造通過。

根據(jù)場內(nèi)大部分勘察孔揭露的地層，場地基坑影響深度范圍內(nèi)的主要巖土層特征自上而下描述如下。

(1)雜填土：層厚為1.00～4.60 m，平均厚度2.54 m。

(2)淤泥：層厚為3.90～22.80 m，平均厚度11.57 m。

(3)淤泥夾砂：層厚為5.80～18.90 m，平均厚度11.49 m。

(4)(含泥)粗砂：厚度為1.90～22.40 m，平均厚度10.66 m。

(5)粉質(zhì)黏土：厚度為0.70～4.50 m，平均厚度2.41 m。

(6)淤泥質(zhì)土：厚度為1.60～10.00 m，平均厚度4.17 m，

(7)卵石：厚度為0.30～8.10 m，平均厚度3.19 m。

(8)淤泥質(zhì)土：厚度為1.70～5.90 m，平均厚度4.18 m。

(9)粉質(zhì)黏土：厚度為0.50～13.00 m，平均厚度5.44 m。

(10)(含泥)粗砂：厚度為1.40～21.60 m，平均厚度5.76 m。

(11)砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖：厚度為3.60～31.70 m，平均厚度18.57 m。

以及碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖和中風(fēng)化花崗巖，場地工程地質(zhì)剖面見圖1。

圖1 場地典型工程地質(zhì)剖面圖Fig.1 Profile map of typical engineering geology in the site

場地地下水埋藏較淺，勘察期間地下水初見水位埋深為0.90～5.10 m(高程0.77～5.11 m)，綜合穩(wěn)定水位埋深為0.40～4.95 m(高程0.89～5.39 m)。場地地下水位年變化幅度為1.00～2.00 m ，近3～5 a最高地下水水位為5.40 m，歷史最高水位為5.60 m。據(jù)鉆孔揭露場地地下水情況如下。

雜填土孔隙中的上層滯水：透水性一般，填土層由于物質(zhì)組成變化較大，滲透性變化大，水位和水量隨季節(jié)變化較大，該層與地表水水力聯(lián)系密切，對工程和環(huán)境的影響一般。

(含泥)粗砂、卵石和(含泥)粗砂中的孔隙承壓水：含水性能與砂的形狀、大小、顆粒級配及黏粒含量等有密切關(guān)系，對工程建設(shè)的影響較大，特別是對樁基施工和基坑開挖有較大影響，該承壓水層與地表水聯(lián)系較弱，主要受遠(yuǎn)源地下水補(bǔ)給，并且向遠(yuǎn)源滲流排泄。

閩投營運(yùn)中心基坑工程開挖面積約12 000 m2，地下室底板標(biāo)高約-11.25 m，勘察期間場地實測地面高程5.38～6.31 m(孔口高程)，場地整平標(biāo)高6.45～7.35 m，基坑開挖深度約18.0 m。所開挖的土層主要為雜填土、淤泥和淤泥夾砂。初步判定，基坑開挖應(yīng)聯(lián)合采取止水、降水及回灌等措施，以最大限度減小對周邊建筑及路面的影響；同時，基坑需采用地下連續(xù)墻+水平支撐等方案進(jìn)行支護(hù)。

2 基坑支護(hù)的三維有限元分析

2.1 分析模型和計算工況

數(shù)值計算中采用的幾何模型尺寸與現(xiàn)場實際基本一致。為了充分研究不同基坑支護(hù)方案的效果，共分為8種工況(表1)。以場地基坑邊界經(jīng)過一定的簡化所建立的三維有限元模型示意圖(圖2 —圖4)。在數(shù)值模擬軟件中對模型設(shè)置尺寸、劃分網(wǎng)格、賦予不同的材料屬性，從而建立起基坑的有限元模型。由于基坑模型的復(fù)雜性，筆者對基坑建模進(jìn)行了一定簡化和假設(shè)，如略去基坑較為曲折的邊界，選取場地內(nèi)分布較為廣泛的巖土層，并將巖土層的起伏進(jìn)行平整化。需要承認(rèn)的是，這在一定程度上會影響模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，但筆者擬通過這樣簡化的模擬分析，初步驗證LS-DYNA程序在基坑支護(hù)模擬中的有效性，并給出一定定性的分析結(jié)論，以便能夠為將來更為精細(xì)化的數(shù)值模擬研究打下基礎(chǔ)。

表1 數(shù)值模型設(shè)計工況

圖2 未支護(hù)的基坑Fig.2 Unsupported foundation pit

圖3 工況2的有限元模型Fig.3 Finite element model of No.2 working condition

圖4 工況3的有限元模型Fig.4 Finite element model of No.3 working condition

模型總體長度為330 m，寬度為210 m，高度為60 m，而基坑長、寬、深分別為165 m、80 m和18 m，模型的長寬高都超過了基坑最大長寬高尺寸的2倍，基本能夠消除邊界效應(yīng)的影響。模型底部采用固定邊界，四周采用法向位移約束。需要說明的是，基坑的水平支撐尚未嚴(yán)格按照實際工程中的支護(hù)形式，而是采用相對簡化的縱橫交錯方式，目的是為了研究內(nèi)支撐對基坑變形的影響。

2.2 材料模型和參數(shù)

選取重要巖土體地質(zhì)帽蓋本構(gòu)參數(shù)(表2)進(jìn)行基坑支護(hù)的模擬分析。采用莫爾庫倫本構(gòu)模型來模擬巖土體，前期的勘察已采用室內(nèi)土工試驗手段獲取了巖土體材料的基本力學(xué)特性，得到基坑中各地層巖土體的莫爾庫倫本構(gòu)模型計算所需的黏聚力和內(nèi)摩擦角，其余參數(shù)則根據(jù)工程經(jīng)驗選取。此外，地下連續(xù)墻為均質(zhì)線彈性材料，采用線彈性本構(gòu)模型來模擬，主要參數(shù)：彈性模量通過前述的等效剛度求解得出為25 GPa，泊松比0.2，密度2 500 kg/ m3。水平支撐采用梁單元模擬，線彈性本構(gòu)模型來描述，主要參數(shù)：彈性模量25 GPa，泊松比0.3，密度2 500 kg/ m3。

表2 巖土體地質(zhì)帽蓋本構(gòu)參數(shù)

數(shù)值模擬參數(shù)并非完全通過試驗手段或嚴(yán)格按照現(xiàn)場實際的巖土體力學(xué)參數(shù)來選取，但通過這樣一個初步的多工況數(shù)值模擬對比分析，來為不同支護(hù)方案下的基坑加固效果提供大致的定性結(jié)論。

2.3 結(jié)果分析

2.3.1 基坑沉降

采用LS-DYNA大變形通用有限元程序模擬得到的沉降云圖(圖5)，其中，經(jīng)過支護(hù)的工況2 ～8采用相同的位移尺度，以便能夠更直觀地對比加固效果，而工況1由于未經(jīng)支護(hù)，變形極大，則采用獨(dú)立的位移尺度。各工況最大沉降的對比(表3)。

圖5 各工況的沉降云圖對比Fig.5 Comparison of settlement cloud diagram of the different working conditions

表3 最大沉降對比結(jié)果

注：正號表示與對照工況相比，位移增大；負(fù)號表示與對照工況相比，位移減小

(1)未經(jīng)加固的基坑變形極大，基坑發(fā)生破壞，最大沉降超過了11 m(工況1)，而坑內(nèi)嚴(yán)重隆起，最大隆起高度達(dá)到了1.14 m，說明該基坑已經(jīng)完全失效，急需采取支護(hù)措施。值得一提的是，該變形體現(xiàn)了基坑在自重作用下的完全失穩(wěn)坍塌，而LS-DYNA大變形通用有限元程序具備材料非線性和幾何非線性(大位移、大轉(zhuǎn)動、大應(yīng)變)功能，能夠較好地模擬這種完全坍塌的過程，因而從理論上為基坑失穩(wěn)的模擬提供了良好的基礎(chǔ)。

(2)僅采用地下連續(xù)墻支護(hù)(工況2)，基坑的變形減小了許多，最大沉降驟減至1.72 m，比支護(hù)前減小了84.36%。說明采用地下連續(xù)墻能夠有效地控制基坑變形。

(3)在采用地下連續(xù)墻+水平支撐的支護(hù)方案后(工況3)，最大沉降減小至1.38 m，比支護(hù)前減小了87.45%，比僅采用地下連續(xù)墻的工況2減小了19.77%，效果更加顯著；且位移幅值較高的區(qū)域也有所縮小，充分說明了該支護(hù)方案的有效性。

(4)墻厚的敏感性分析。由工況3、工況4、工況5的對比發(fā)現(xiàn)，將地下連續(xù)墻的厚度由1 m減小至0.8 m后，最大沉降由1.38 m增加至1.53 m；而將墻厚1 m增大至1.2 m后，最大沉降減小至1.26 m，同時，位移幅值較高的基坑區(qū)域也有所減小。這說明墻厚的增加能夠在一定程度上減小基坑的變形。

(5)水平支撐截面尺寸的影響。由工況5、工況6、工況7的對比能夠發(fā)現(xiàn)，將支撐截面尺寸由50 cm×50 cm減小至30 cm×30 cm后，基坑變形增大，沉降達(dá)到1.62 m，比工況3增加了10.87%，說明此時支撐截面尺寸過細(xì)，對于抵抗基坑變形不利；而將水平支撐的截面尺寸由50 cm×50 cm增大至100 cm×100 cm后，最大沉降減小至1.06 m，比工況3減小了23.19%，同時，位移幅值較高的區(qū)域也顯著減小，基坑整體都處于相對較低的位移狀態(tài)，說明支撐截面尺寸的增加能夠有效減小基坑的變形。

(6)水平支撐間距的影響。由工況3、工況8的對比能夠發(fā)現(xiàn)，將水平支撐的間距由8 ～ 10 m減小至4 ～ 5 m后，最大沉降減小至1.17 m，比工況3減小了15.22%，同時，位移幅值較高的區(qū)域也有縮小。說明水平支撐間距的減小可更加有效控制基坑的沉降。

(7)通過不同支護(hù)方案的對比可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過地下連續(xù)墻+水平支撐方案支護(hù)后，基坑的最大沉降與支護(hù)前相比能夠減小85.27% ～ 90.36%，效果顯著。而不同方案之間的支護(hù)效果略有差別，則可根據(jù)最終的實際需要進(jìn)行設(shè)計參數(shù)的調(diào)整。

根據(jù)模擬得到的基坑變形都偏大，這是由于所展示的變形包括自重導(dǎo)致的巖土體壓縮和基坑破壞導(dǎo)致的變形。實際基坑底部的巖土層厚度很大，而由于數(shù)值模擬對模型施加的是體力形式的自重荷載，導(dǎo)致巖土層發(fā)生變形和壓縮，因而模型范圍選取的越大，巖土層的累積變形也就越大。但鑒于數(shù)值計算的可行性，筆者僅針對所選取的模型邊界范圍，對加固前后的基坑進(jìn)行定性的對比分析和討論。

2.3.2 基坑水平位移

由各工況水平位移云圖(圖6)可以發(fā)現(xiàn)，支護(hù)前的基坑(工況1)變形極大，坑壁都由四周向坑內(nèi)移動，因而從圖示的方向來看，上側(cè)基坑向下側(cè)移動，下側(cè)基坑向上側(cè)移動，并且基坑下側(cè)的Y向位移比上側(cè)更大，這也是由于上側(cè)基坑存在部分凸角和轉(zhuǎn)折部分，降低了該處的坑壁穩(wěn)定性。而通過不同支護(hù)手段后，基坑的水平位移都得到了不同程度的控制，說明了支護(hù)方案的有效性。各工況上、下側(cè)最大Y向水平位移對比結(jié)果(表4，5)。

此外還可發(fā)現(xiàn)，大體上基坑位移較大的地方都是基坑周邊具有一定凸角和轉(zhuǎn)折的地方(以工況2為例)，或是基坑尺寸較長處，因此，這些位置也是支護(hù)加固的重點(diǎn)。通過數(shù)值模擬計算，可預(yù)先發(fā)現(xiàn)基坑薄弱位置，從而在支護(hù)設(shè)計時可以有的放矢地進(jìn)行加固，起到事半功倍的效果。

圖6 各工況Y向水平位移云圖Fig.6 Cloud diagram of Y horizontal displacement in various working conditions

注：正號表示與對照工況相比，位移增大；負(fù)號表示與對照工況相比，位移減小

表5 各工況下側(cè)最大Y向水平位移對比結(jié)果

注：正號表示與對照工況相比，位移增大；負(fù)號表示與對照工況相比，位移減小

3 結(jié)論

(1)基于LS-DYNA三維有限元計算程序，對不同支護(hù)方案下的8種基坑工況進(jìn)行了參數(shù)敏感性分析，未經(jīng)加固的基坑變形極大，基坑內(nèi)嚴(yán)重隆起，基坑已經(jīng)完全失效破壞，因此，急需采取支護(hù)措施進(jìn)行變形控制，以便確保安全。

(2)采用地下連續(xù)墻支護(hù)后，基坑變形有效降低；而額外增加水平支撐后，支護(hù)效果更加顯著。

(3)大體上基坑位移較大的位置都是基坑周邊具有一定凸角和轉(zhuǎn)折的地方，或是基坑尺寸較長處，可以在這些變形較大的位置加大支撐截面或減小支撐間距等，加強(qiáng)支護(hù)效果。