楊 斌 周艷紅

（中國水利水電第九工程局有限公司，貴州 貴陽 550081）

0 前言

軟土的空間分布是影響基坑開挖變形的重要因素。許多學(xué)者針對軟土與基坑開挖變形進行了相關(guān)研究。王立新等人[1]借助MIDAS GTS NX有限元軟件研究了基坑開挖過程對附近地鐵車站的影響。研究結(jié)果表明，雙排樁結(jié)構(gòu)能有效約束基坑變形，車站與基坑結(jié)構(gòu)的位移呈“內(nèi)凸型”，車站中部出現(xiàn)最大水平位移和豎向位移。張鑫全等人[2]以湖南某基坑工程為研究對象，采用有限元分析方法研究了深基坑再開挖過程對附近建筑及土體的影響。研究結(jié)果認(rèn)為沉降主要發(fā)生在靠近基坑一側(cè)，建筑會逐漸由南向北傾斜，數(shù)值模擬結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果基本保持一致。唐軍平等人[3]用數(shù)理統(tǒng)計的方法分析了佛山軟土的指標(biāo)變異性和相關(guān)性。研究結(jié)果表明，該地區(qū)軟土的土粒比重、飽和度和天然密度基本保持穩(wěn)定，且該軟土在塑形圖上呈條帶狀分布。王闖[4]以某小區(qū)為實例，通過邁達(dá)斯GTS NX軟件模擬了富水軟土地層基坑支護過程。結(jié)果表明，半逆作法施工前準(zhǔn)備的土體可發(fā)揮出一定的支護效果，亦可在一定程度上降低結(jié)構(gòu)的側(cè)向壓力。

但現(xiàn)有研究大多針對基坑開挖方式對基坑變形及支護結(jié)構(gòu)的影響[4-5]，少有學(xué)者從軟土的空間分布特征角度對基坑變形以及連續(xù)墻位移進行研究。該文以Flac3D有限元軟件，依托貴州省黔南州中共貴定縣委黨校遷建項目開挖基坑，研究軟土厚度對基坑土體及連續(xù)墻位移的影響。

1 工程概況與數(shù)值模擬方案

1.1 基坑工程概況

貴州省黔南州中共貴定縣委黨校遷建項目位于貴州省黔南自治州貴定縣城關(guān)鎮(zhèn)姜家莊，建筑面積為18771.66m2。該項目包括接待中心、人才公寓、會務(wù)中心、綜合教學(xué)樓、學(xué)員宿舍、綜合食堂以及附屬設(shè)施等均為框架結(jié)構(gòu)，抗震等級為二級，設(shè)計使用年限為50年，抗震設(shè)防類別為乙類，混凝土采用商品混凝土。

開挖基坑自上而下主要由碎石填土、粉質(zhì)黏土、黏性軟土和中等風(fēng)化灰?guī)r組成。通過室內(nèi)試驗測定以及工點地質(zhì)勘察報告，確定4種成分的物理力學(xué)參數(shù)，見表1。

表1 基坑成分物理力學(xué)參數(shù)

基坑設(shè)計開挖分4步完成，每步開挖均沿基坑豎直方向開挖5m。每步開挖結(jié)束后，立即施加內(nèi)支撐，第一道支撐設(shè)計為混凝土支撐，其余三道支撐設(shè)計為鋼支撐?；觾?nèi)的連續(xù)墻以及內(nèi)支撐的具體材料參數(shù)見表2。

表2 基坑支護結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

1.2 數(shù)值模擬方案設(shè)計

軟土地層是影響基坑變形的主要組成成分，為模擬研究不同軟土空間特征對基坑變形的影響，該文設(shè)計9組數(shù)值模擬方案來研究軟土厚度對基坑開挖變形的影響，如圖1所示?；又刑钔梁穸?m，粉質(zhì)黏土6m，控制軟土層中心高度位于10m處不變，設(shè)計9組不同軟土厚度h的模擬試驗，分別為0m、2m、4m、6m、8m、10m、12m、14m、16m。

圖1 基坑開挖（左半側(cè)）示意圖

2 數(shù)值模擬與結(jié)果分析

2.1 模型建立與選擇

根據(jù)嘉興車站開挖設(shè)計圖確定模型的大小、基坑開挖的深度以及內(nèi)支撐的設(shè)置位置，采用Rhino.6建立實體模型，選用四面體單元建立網(wǎng)格，最后導(dǎo)入Flac3D生成數(shù)值計算模型，如圖2所示。模型整體長180m，寬95m，高40m，開挖尺寸為28m×22m×70m，由于模型對稱，因此只需建模計算一半。模型三側(cè)邊界采用法向約束條件，底面約束z方向位移，模型總共有16982個單元和18325個節(jié)點。

圖2 數(shù)值模型圖

該研究中基坑模型采用Mohr Coulomb進行計算，其中連續(xù)墻采用實體單元進行模擬，內(nèi)支撐采用beam單元模擬。

2.2 軟土厚度對基坑豎向變形影響分析

軟土厚度為0時，沉降變形主要集中在基坑側(cè)壁的左右兩側(cè)，最大沉降位移分別位于基坑側(cè)壁往外側(cè)12m（0.63倍開挖寬度）左右，數(shù)值約為14mm，整體沉降位移呈“中心發(fā)散”狀，約在基坑內(nèi)壁外側(cè)46m處（2.1倍開挖寬度）不再發(fā)生沉降位移。實際工程中應(yīng)重點監(jiān)測基坑側(cè)壁外0.5倍~1倍開挖寬度處的土體位移[6]。

基坑回彈變形基本發(fā)生在基坑底部，變形呈“下凸型”。最大回彈變形位于基坑底部中心點位，數(shù)值約為62mm。約在基底以下15m處（0.68倍開挖深度）不再出現(xiàn)回彈變形。產(chǎn)生較大回彈變形的主要原因是基坑的卸荷作用導(dǎo)致基坑底部應(yīng)力重分布出現(xiàn)較大的豎向應(yīng)力，實際工程中應(yīng)加強基坑底部支護。

基坑最大沉降變形與最大水平變形隨軟土厚度變化趨勢圖如圖3所示。根據(jù)圖3可知，基坑最大沉降變形與最大回彈變形均隨軟土厚度增加而增加，其中最大沉降位移隨軟土厚度增加，位移數(shù)值從14mm先緩慢增加至20mm，后快速增加至25mm，最后逐漸收斂至38mm。最大回彈變形與軟土厚度基本呈正比關(guān)系，原因是軟土厚度直接影響了基坑底部卸荷應(yīng)力的釋放。

圖3 基坑最大豎向變形隨軟土厚度變化圖

2.3 軟土厚度對基坑水平變形影響分析

當(dāng)基坑中的軟土厚度為0m時，基坑的水平變形變化規(guī)律呈現(xiàn)為左右對稱分布，而基坑的最大水平位移分別位于基坑底部的左側(cè)與右側(cè)，數(shù)值約為30mm?；拥恼w變形規(guī)律呈現(xiàn)出從基坑頂部至基坑底部逐漸增加的趨勢。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因主要是基坑中內(nèi)支撐起到了關(guān)鍵作用，基坑內(nèi)支撐抵抗了較大程度的水平方向應(yīng)力，而基坑底部未采取相應(yīng)的支撐作用，因此基坑底部水平應(yīng)力較大，導(dǎo)致基坑底部的水平位移也較大。

當(dāng)基坑中的軟土厚度為16m時，基坑的水平變形明顯比軟土厚度為0m時增加，最大水平位移達(dá)到49mm，增長了約63.3%。由此可見，軟土厚度的增加對基坑水平變形的影響較大。主要原因是軟土的物理力學(xué)性質(zhì)較弱，在基坑開挖應(yīng)力場重分布以后，在水平應(yīng)力的擠壓作用下軟土?xí)诨觽?cè)壁方向產(chǎn)生較大的法向方向變形?；诖?，在實際基坑開挖過程中，應(yīng)當(dāng)加強基坑底部的水平位移監(jiān)測，同時應(yīng)針對不同軟土厚度的地層采取不同支護強度的內(nèi)支撐，防止基坑內(nèi)壁出現(xiàn)較大水平變形，導(dǎo)致坍塌。

2.4 軟土厚度對連續(xù)墻最大水平位移及位置影響分析

連續(xù)墻最大水平位移與位置隨軟土厚度變化的曲線圖如圖4所示。由圖4可以看出，連續(xù)墻最大水平位移隨軟土厚度增加而增加，最大可達(dá)約90mm，最小有14mm，增加趨勢總體表現(xiàn)有3個階段：1）基坑軟土厚度較小時（0m~4m），連續(xù)墻最大水平位移隨軟土厚度從14mm緩慢增加至25mm。2）軟土厚度繼續(xù)增加（4m~10m），連續(xù)墻最大水平位移快速增加，數(shù)值從25mm增加至80mm。3）隨著軟土厚度繼續(xù)增加（10m~18m），連續(xù)墻最大水平位移逐漸收斂至90mm。

圖4 連續(xù)墻最大沉降位移及位置

連續(xù)墻的最大水平位移隨軟土厚度變化而變化。當(dāng)軟土厚度小于6m時，連續(xù)墻的最大水平位移隨軟土厚度的增加而逐漸下降，數(shù)值從-6m下降至-20m。當(dāng)繼續(xù)增加軟土厚度時，最大水平位移位置基本不發(fā)生變化。

綜合分析圖4可得，軟土的厚度直接影響了連續(xù)墻的最大水平位移。在遇到軟土厚度較大的地層時，應(yīng)選擇高強度的連續(xù)墻或增加連續(xù)墻的厚度以抵抗基坑外壁土體的推力。同時，發(fā)生最大水平位移的位置與連續(xù)墻也有較強的相關(guān)性，工程實踐中應(yīng)重點關(guān)注軟土的厚度?？刹捎脭?shù)值模擬的方法預(yù)測連續(xù)墻出現(xiàn)較大位移的區(qū)域，進而在易發(fā)生水平位移處增加支護措施。

3 結(jié)論

該文以貴州省黔南州中共貴定縣委黨校遷建項目開挖基坑為實例，采用有限元分析方法研究了軟土厚度對開挖后基坑沉降變形、回彈變形、連續(xù)墻最大水平變形及位置的影響。研究結(jié)果表明：1）基坑的沉降位移呈對稱分布，最大沉降位移位于基坑側(cè)壁往外0.63倍開挖寬度附近，呈“發(fā)散”狀，而基坑的回彈變形基本發(fā)生在基坑底部的中心位置，呈“下凸”狀。2）基坑最大沉降位移與回彈位移均隨軟土厚度的增加而增加，其中回彈變形與軟土厚度基本成正比，而最大沉降位移隨軟土厚度增加最終緩慢收斂至38mm。在實際工程中，如遇高厚度軟土，應(yīng)重點監(jiān)測基坑底部回彈變形情況。3）連續(xù)墻最大水平位移與軟土厚度呈正相關(guān)，在數(shù)值上先緩慢增加，后加速增長，最后逐漸收斂至90mm。連續(xù)墻最大水平位移位置（豎直方向）會隨軟土厚度增加而下降，具體表現(xiàn)為先快速下降至-20m，最后保持穩(wěn)定。在工程應(yīng)用中，如軟土厚度較大，應(yīng)增加連續(xù)墻厚度，進而限制基坑與墻體的水平位移。