劉 芳，羅 武，趙永志，朱漢新，楊 爍

（珠海市建筑設計院 廣東珠海 519000）

0 引言

隨著我國城市化和地下空間利用的發(fā)展，基坑工程近年來有了快速的發(fā)展［1］?？紤]到深基坑工程越來越多，復雜的周邊環(huán)境及周邊管線對現(xiàn)代工程基坑變形及穩(wěn)定性要求越來越高［2-3］。基坑開挖過程中，土體的變形與土體的性質和土體的固結滲流等因素密切相關［4］，珠海地區(qū)軟土區(qū)域分布廣泛，屬于濱海沉積軟土，具有低強度、高壓縮性、觸變性及低透水性等工程性質，作為建筑物地基極易發(fā)生不均勻沉降，而對于復雜環(huán)境下的深基坑支護工程，變形量的控制成為基坑工程成敗的關鍵，同時考慮到軟土工程性質和深基坑邊界條件的復雜性，巖土工程理論發(fā)展的滯后性，使理論計算分析和預測值和實際監(jiān)測值存在較大的差距，至今仍存在很多的問題。因此，軟土地區(qū)基坑開挖的理論模型和支護結構的工作機理、承載特性研究內容尚需完善。

本文以珠海軟土地區(qū)某深基坑為例，首先進行支護型式選型分析，然后分別采用理正深基坑軟件和MIDAS/GTS 有限元軟件對基坑開挖過程進行有限元模擬分析。經(jīng)過驗證對比分析，數(shù)值分析能很好地反映基坑開挖過程中土體的性狀，使得分析的結果能更好地反映土體的真實變形特性，為軟土地區(qū)深基坑工程實踐提供一定的理論依據(jù)，為后續(xù)類似工程積累設計和施工經(jīng)驗。

1 基坑支護選型和設計

1.1 基坑支護選型

擬建工程為一棟48層超高層辦公樓，地下室2層，深基坑工程開挖深度為9.5 m，基坑周長約449 m，基坑總面積約14 130 m2，基坑呈方形。根據(jù)場地周邊管線資料，場地南側、西側及北側均有10 kV 供電線、電信線、污水管、路燈、雨水管，市政管線分布復雜。根據(jù)現(xiàn)場鉆探揭露及室內土工試驗結果，場地內分布的地層為人工填土層（Qml）、第四系海相沉積層（Qmc）、殘積層（Qel）及燕山期侵入巖（γ52（3）），各土層物理力學參數(shù)如表1所示。場地地下水主要賦存在素填土及基巖風化帶風化裂隙中，砂質粘性土含水層之上有填土層覆蓋，與地表水水力聯(lián)系較弱，與下部基巖強風化帶的裂隙水有微透水，測得穩(wěn)定水位埋深0.40～2.30 m。

表1 各土層物理力學參數(shù)Tab.1 Physical and Mechanical Properties of Soil Layers

本工程開挖深度較深，且地質條件差，存在松散填土，淤泥廣泛發(fā)育且埋深較厚，鄰近基坑周邊有市政道路，路面下埋設有較多市政管線。若基坑支護及止水措施不當，開挖將產(chǎn)生大變形，對市政道路及管線的穩(wěn)定帶來不利影響，因此，本工程支護設計選型的關鍵在于嚴格控制位移及做好止水帷幕，使周邊既有建筑和市政管線的位移和沉降滿足基坑支護設計相關規(guī)范要求，減少對周邊環(huán)境的影響。

鑒于基坑開挖深度較深，周邊環(huán)境要求較嚴格，土釘墻或是復合土釘墻支護難以滿足變形的要求，不適宜位移要求較嚴的深大復雜的基坑；樁-錨支護可確?；颖谕馏w變形可控，但限于基坑周邊建筑和管線要求，不宜采用預應力錨桿支護結構［5-6］?？紤]到基坑施工時對變形控制等必要條件，目前超大深基坑支護常采用工藝相對成熟的的內支撐加排樁的組合，將坑內外不平衡的水土壓力施加于排樁上從而保持受力平衡，最后傳到穩(wěn)定的結構體系上，且不受地層條件控制［5-7］，因此本工程支護結構采用鉆孔灌注樁加混凝土內支撐型式。

1.2 基坑支護設計

經(jīng)各種支護型式對比，擬采用放坡加樁撐支護，放坡高度為2.5 m，坡率為1∶1。支護樁為直徑1 200 mm，間距1 400 mm 混凝土灌注樁；設置一道混凝土內支撐，均為角撐間距為8～9 m，未設置腰梁，內支撐標高同冠梁層標高；使用直徑為600 mm 的高壓旋噴樁作為灌注樁樁間土加固及止水作用，坑內軟弱土體加固采用直徑為800 mm攪拌樁格柵布置。

采用理正深基坑計算軟件建立三維整體模型（見圖1），四邊地面超載均按照均布荷載20 kPa 考慮，所有土層均設置為水土合算，設置3 個階段施工工況：①開挖至3.5 m；②開挖至坑底；③拆除支撐。計算所得的水平變形曲線、支撐軸力、支護樁內力分別如圖1、圖2所示。

圖1 三維整體模型及水平變形曲線Fig.1 Three-dimensional Whole Model and Horizontal Deformation Curve

圖2 支護樁彎矩及支撐軸力Fig.2 Bending Moment and Axial Force of Supporting Pile

根據(jù)理正三維計算結果，基坑開挖至坑底時，基坑支護樁樁身變形最大值為40.42 mm，位置位于陽角邊長最長區(qū)域，支護樁彎矩最大值為2 629 kN·m，支撐軸力最大值為8 482 kN。軟件計算結果滿足基坑支護設計相關規(guī)范要求，說明支護型式選取的合理性和可靠性。

2 MIDAS/GTS軟件施工過程數(shù)值模擬

MIDAS/GTS 是一款應用于巖土與隧道分析的有限元軟件，已經(jīng)廣泛應用于實際巖土工程的設計和施工［8］。本文將采用MIDAS/GTS 有限元軟件對深基坑支護工程進行實體建模，基于連續(xù)介質力學有限元方法，模擬施工過程中各開挖工況，分析各種工況下周邊土體的沉降、支護的內力及水平變形、支撐軸力及坑底隆起值，進一步說明數(shù)值模擬研究深大基坑的可行性。

2.1 模擬分析參數(shù)取值

2.1.1 三維模型的建立

基坑長123 m，寬122 m，深9.5 m，根據(jù)基坑開挖深度的影響區(qū)域及土層分布特點取基坑X方向計算長度為296 m，Y方向計算長度為220 m，Z方向深度取31 m，整體三維區(qū)域為296 m×220 m×31 m。數(shù)值模型包括土體、圍護結構、水平支撐體系等，整體模型網(wǎng)格劃分如圖3 所示，共有1 321 572 個節(jié)點，212 501 個單元。計算區(qū)域的四面及底面施加位移約束，地表為自由邊界，Z軸負向施加重力加速度，坡頂四邊3～9 m 區(qū)域施加20 kPa施工荷載。

圖3 模型網(wǎng)格劃分示意圖Fig.3 Sketch Map of Model Grid Division

本文使用如下3 個計算假定：①使用總應力法分析計算結果，計算過程中可暫不考慮固結和地下水滲流對工程的影響；②施工過程中不考慮時間效應，僅考慮基坑設置的時空效應；③土體與基坑圍護結構使用節(jié)點位移耦合，忽略土體與基坑圍護結構之間的相對位移，未設置圍護結構與土體之間的界面單元［5，7，9］。

2.1.2 單元設置

模型網(wǎng)格劃分中，土體本構模型選用修正摩爾-庫倫本構模型。土體單元設置為各向同性三維實體單位。結構體應用線彈性模型，其中混凝土支撐、立柱及冠梁使用梁單元模擬；MIDAS GTS 板單元可考慮平面受拉、受壓、平面受剪、平面外受彎、厚度方向剪切，基于厚板理論開發(fā)的，同樣適用于薄板，本工程放坡噴射混凝土面層及支護樁采用板單元模擬，其材料參數(shù)如表2所示。排樁按照抗彎剛度等效方法轉化為樁墻［1］，折算后的地下連續(xù)墻厚度h為：

表2 支護體系材料參數(shù)Tab.2 Material Properties of Retailing Structures

其中：D為鉆孔樁樁徑，D=1.2 m；t為樁凈距，t=0.2 m；支護樁采用一字相切排列，等價后的地下連續(xù)墻厚度h=0.955 m。

2.2 模擬結果分析

2.2.1 基坑開挖過程中位移的變化

基坑開挖至坑底時，樁身水平位移如圖4所示，基坑開挖過程中，不同階段樁身水平位移隨深度的變化過程如圖5所示。

圖4 排樁位移云圖Fig.4 Displacement of Nephogram for Row Piles

圖5 排樁水平位移曲線Fig.5 Deformation Curve of Row Piles

通過對2 種工況下支護樁水平位移曲線進行分析，可知2 種工況下樁側變形基本保持一致。隨著開挖深度的不斷加深，最大位移點不斷下移，基坑水平位移不斷增加，因支護樁兩端承受支撐軸力和被動土壓力約束，兩端位移受到限制，支護樁呈現(xiàn)明顯的中間大、兩端小“鼓肚狀”特點。開挖至第一層土，即內支撐標高下移0.5 m 處，樁頂及樁端的水平位移分別為1.5 mm 和4.5 mm；開挖至坑底時，樁頂、坑底及樁端水平位移分別為16 mm、38 mm、16 mm；樁側水平位移最大值為39 mm，與基坑深度比值約為0.41%，位置為距離坑底以下1.6 m，約為基坑深度的1/5。

出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因分析：當因開挖深度較淺，且設置剛度較大的混凝土內支撐，而本基坑存在較厚軟土層，60%的樁長處于淤泥中，樁端軟弱土層的約束較弱，導致工況1 情況下樁端水平位移相對較大。當開挖至坑底時，樁側水平位移總體的變化趨勢保持一致，但因軟弱土層的黏聚力和內摩擦角值相對較小，導致樁側變形較大，樁端的水平位移也相對較大，被動區(qū)土自身變形也較大，對支護樁約束相對較弱。

開挖至坑底時，基坑周邊不同位置處地表沉降量的變化值如圖6所示。

圖6 基坑周邊地表沉降曲線Fig.6 Surface Settlement Curve Around Foundation Pit

根據(jù)MIDAS/GTS 不同工況下Z軸方向位移云圖分析，可知隨著基坑開挖的進行，地表不同位置處沉降逐漸增大。開挖至坑底時，由基坑周邊地表沉降曲線變化趨勢，距離坡頂0 m、9 m、80 m 的位置處，地表沉降量分別為2 mm、22 mm、0.2 mm；地表最大沉降量出現(xiàn)在離坡頂9～10 m 的區(qū)域，約為1 倍基坑深度；計算最大地表沉降量為22 mm，約為基坑開挖深度的0.23%；距離坑邊1 倍坑深區(qū)域內，沉降量增加速率較大，距離坑邊2～3 倍坑深區(qū)域內，沉降值迅速減少，距離坑邊3 倍坑深的位置處，地表沉降量趨于穩(wěn)定值。地表沉降主要由地表超載及地層中深厚軟土引起的，地表沉降曲線呈現(xiàn)明顯的“勺”型。

軟基基坑開挖將引起墻厚相當范圍內地表及地層沉降，這是基坑工程對環(huán)境的主要危害之一。地表沉降的大小與支護結構變形、坑底隆起及土體塑性流動的大小緊密相關，當開挖深度較大且土質軟弱時，基坑周圍土體塑性區(qū)范圍相對較大，土體塑性流動也比較大，土體將會從支護結構外圍向坑內和坑底流動，由此致使周邊地表沉降量增加。同時根據(jù)地層補償法原理，軟弱土層存在塑性流動和塑性隆起的情況，本項目地表沉降由支護結構變形和坑底塑性隆起共同引起。

2 種開挖工況下，基坑底部不同位置處土體隆起量如圖7 所示。由于側向支護結構的限制，工況1 開挖至內支撐標高以下0.5 m 時，此時坑底土體為素填土，此階段坑底隆起量呈現(xiàn)兩端小中間大的變化規(guī)律，因基坑開挖面積較大，基坑長寬比接近1，靠近基底中心線的最大隆起量為29 mm，隆起量相對較大，但開挖深度不大，且坑底為素填土，坑底變形為彈性隆起，這種坑內回彈在開挖停止后很快停止，且基本不會引起基坑圍護結構和坑外土體向內移動。

圖7 基坑底部土體隆起量Fig.7 Surface Settlement Curve Around Foundation Pit

當基坑持續(xù)開挖后，內外高差不斷增加，由于解除了土體的自重應力，坑底土體將產(chǎn)生回彈變形，同時開挖過程中圍護結構及坑外土體在不平衡力的作用下向坑內移動，還將導致坑底土體產(chǎn)生負孔隙水壓力，從而進一步導致坑底土體軟化，吸水膨脹，使坑底進一步隆起。工況2開挖至坑底時，由于基坑較寬，開挖深度較大，基坑底部處于黏聚力和內摩擦角均較小的淤泥軟弱土層中，從坑底土體隆起量變化曲線可知，底部出現(xiàn)塑性隆起，基坑兩側隆起量與中間區(qū)域隆起量相差較少，基坑底部整體隆起量達到110 mm，隆起變形量相對較大。

2種工況下坑底土體隆起曲線與實際開挖情況下土體隆起變形趨勢較吻合，說明MIDAS/GTS軟件計算的合理性，能較好地模擬基坑開挖過程中坑底土體的變形過程。

2.2.2 支撐軸力及支護樁彎矩的變化

支護樁折算為樁墻后的板彎矩云圖及樁身的彎矩隨深度變化曲線分別如圖8、圖9所示。

圖8 開挖至坑底時支護樁彎矩云圖Fig.8 Bending Moment Diagram of Retaining Piles during Excavation to Pit Bottom

圖9 樁身彎矩隨深度變化曲線Fig.9 Bending Moment Curve of Pile

通過分析可知，隨著開挖深度的加大，同時冠梁位置處設置一道內支撐，樁身彎矩最大值的位置由樁頂向坑底樁身位置處移動，樁身彎矩最大值位于深度為9.5 m 處，軟件計算彎矩值最大為1 944 kN·m/m；支護樁樁徑為1.2 m，間距為0.2 m，軟件計算值折算為支護樁的彎矩為2 721 kN·m，理正深基坑軟件計算的樁身最大彎矩為2 629 kN·m，兩者相差約3%。說明兩者計算結果較相近，且與實際情況相符合。

基坑開挖至坑底時的內支撐軸力如圖10 所示。本基坑設置放坡，僅布置一道內支撐，支撐的軸力隨開挖深度的加深不斷增加，開挖至坑底時，內支撐最大軸力穩(wěn)定在7 117 kN，理正深基坑軟件計算支撐軸力最大值為8 482 kN，兩者相差1 365 kN。因基坑開挖面積較大，且長寬比接近1，基坑支護內支撐僅在四角區(qū)域設置角撐，其中夾角較大區(qū)域設置的支撐受力較為復雜，但整體上支撐的軸力均未超過材料抗力設計值，說明此工況下支撐處于安全狀態(tài)。

圖10 支撐軸力Fig.10 The Axial Force Curve of Struts

3 結語

本文結合有限元軟件MIDAS/GTS，對某軟土地區(qū)深基坑樁撐支護型式進行施工過程有限元模擬分析，并與理正計算結果進行對比，得到如下結論：

⑴基坑開挖初期至開挖到坑底，隨著開挖深度加深，排樁水平位移最大值位置不斷下移，水平位移曲線均呈現(xiàn)明顯的“鼓肚狀”型分布，中間大，兩邊小，最大值位于距離坑底約1/5的坑深處。

⑵基坑開挖過程中，周邊地表沉降曲線呈現(xiàn)明顯的“勺”型分布，模擬結果與實際情況相符合；基坑周邊地表沉降最大值距離坑邊約1 倍坑深，距離基坑越遠，沉降影響越小，基坑對地表沉降影響范圍約為1～3倍基坑深度。

⑶開挖中坑底為素填土時，坑底隆起量呈現(xiàn)中間大、兩邊小的規(guī)律；開挖至坑底時為淤泥軟弱土層，基坑底部出現(xiàn)塑性隆起，基坑兩側隆起量與中間區(qū)域隆起量相差較少，基坑底部整體隆起量達到110 mm，隆起變形量相對較大。

⑷MIDAS/GTS 計算的支撐軸力及支護樁彎矩值與理正深基坑軟件計算結果相近，說明分析結果的可靠性，與支護結構真實的受力及變形狀況相符合，為軟土地區(qū)上深基坑工程實踐提供一定的理論依據(jù)，為深基坑設計與變形控制提供一定的理論指導。