劉立東

（同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海 200092）

軟土地區(qū)某深基坑工程變形控制措施的有限元分析

劉立東

（同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海 200092）

軟土地區(qū)深基坑開挖過程中對周邊環(huán)境保護(hù)的要求越來越高，目前在實際工程設(shè)計施工中已有很多基坑加強(qiáng)加固措施用于控制深基坑的變形，但變形控制效果差異較大，且不同工程之間由于支護(hù)條件和環(huán)境情況差異較大，沒有嚴(yán)格的可比性.結(jié)合某基坑工程的基坑支護(hù)設(shè)計、施工、監(jiān)測情況，對比該基坑不同位置設(shè)置被動區(qū)土體裙邊加固、加厚支護(hù)擋墻對基坑工程變形控制的效果，通過采用有限元數(shù)值模擬方法對這些基坑工程加強(qiáng)加固措施進(jìn)行研究分析，得出這些措施能有效控制基坑工程變形量，得出了一些有利于指導(dǎo)深基坑工程設(shè)計及施工的建議和結(jié)論.

基坑工程；變形控制；有限元分析

軟土地區(qū)地下工程開挖施工期間周邊環(huán)境變形較大，加之基坑工程埋深越來越深，使得對基坑自身及周邊環(huán)境的變形控制要求越來越高.對于環(huán)境保護(hù)要求較高的工程，在基坑工程設(shè)計中會根據(jù)工程經(jīng)驗判斷需要采取哪種或哪幾種加強(qiáng)措施，以滿足實際環(huán)境保護(hù)需求.但是，各類加固措施的變形控制效果差異較大，且不同工程之間由于支護(hù)條件和環(huán)境情況很難一致，使得各類加固措施的優(yōu)劣沒有嚴(yán)格可比性，造成基坑加固措施的選取缺乏參考.

隨著基坑工程的發(fā)展，采用單一的傳統(tǒng)力學(xué)方法對深基坑工程對周邊環(huán)境的影響進(jìn)行分析具有一定的局限性，而基于有限元理論的數(shù)值模擬技術(shù)已成為地下工程信息化施工研究的一種有效方法，它能較全面地反映各種因素對支護(hù)體系及周圍土體應(yīng)力和變形的影響［1］，并估算周圍建筑物、地下管線的變形.本文以上海某基坑工程為例，采用Plaxis程序借助有限元方法對該工程各種支護(hù)方式進(jìn)行分析比較.結(jié)合該工程的基坑支護(hù)方案和監(jiān)測情況，通過對比本基坑不同位置的設(shè)計施工方案及變形監(jiān)測結(jié)果的差異性，分析了加厚支護(hù)擋墻、設(shè)置被動區(qū)土體加固對基坑工程變形控制的效果.

1 工程設(shè)計概況

本基坑工程位于上海市黃浦區(qū)，基坑開挖深度13.5 m，基坑支護(hù)采用地下連續(xù)墻+三道鋼筋混凝土支撐的形式.

1.1 地質(zhì)條件

該場地范圍內(nèi)地質(zhì)情況分布比較均勻，工程地質(zhì)參數(shù)如表1所示.

表1 土層物理力學(xué)性質(zhì)表Tab.1 Table of physico-mechanical properties of the soil

上海地區(qū)第③、④層土天然含水量高、滲透性差、孔隙比大、壓縮性高、抗剪強(qiáng)度低、靈敏度高［2］.本基坑坑底及大部分坑壁范圍都位于第③、④兩層淤泥質(zhì)土層中，對基坑變形、坑外沉降等影響顯著.

1.2 基坑周邊環(huán)境

該工程周邊環(huán)境如圖1所示.其中北側(cè)緊鄰城市道路，東西兩側(cè)和南側(cè)均有多層淺基礎(chǔ)建筑物，東側(cè)A點(diǎn)外側(cè)為2層幼兒園建筑，距離該工程支護(hù)結(jié)構(gòu)為12.7 m，沿坑邊方向長度為26 m；西側(cè)B點(diǎn)外側(cè)為6層住宅，距離該工程支護(hù)結(jié)構(gòu)約為12.3 m，每幢沿坑邊方向長度為11.4 m；南側(cè)C點(diǎn)外側(cè)地下有正在運(yùn)營的地鐵區(qū)間隧道，隧道外邊線與該工程地下室外墻最近距離約為7.1 m.工程周邊環(huán)境比較復(fù)雜，且各邊對變形控制要求各有不同.

圖1 場地周邊環(huán)境平面圖Fig.1 Surroundings around the pit

1.3 深基坑支護(hù)設(shè)計方案

基坑支護(hù)概況如圖2及表2所示，剖面圖如圖3所示.采用地下連續(xù)墻作為支護(hù)結(jié)構(gòu)擋墻，墻底埋深為28～32 m，插入比為1.3～1.4，其中基坑西側(cè)和南側(cè)采用1 m厚地墻、東側(cè)和北側(cè)采用0.8 m厚地墻.基坑內(nèi)側(cè)設(shè)置了850＠600三軸水泥土攪拌樁對被動區(qū)土體加固，加固寬度為7.6 m，南側(cè)坑內(nèi)最小加固寬度為11.6 m.

圖2 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)平面圖Fig.2 Plan of supporting structure foundation pit

表2 支護(hù)體概況Tab.2 Supporting situation

1.4 支護(hù)擋墻水平位移監(jiān)測結(jié)果

本工程開挖至坑底時，支護(hù)擋墻的變形呈拋物線形，墻體腹部向坑內(nèi)突出［3］，支護(hù)體及周邊環(huán)境的變形小于基坑中部區(qū)域的變形［4-5］.

圖3 基坑典型剖面圖（mm）Fig.3 The typical cross-sections of foundation pit（mm）

為明確分析各種措施和基坑變形的關(guān)系，本文僅列出基坑邊中段區(qū)域的監(jiān)測結(jié)果.支護(hù)擋墻各部位水平位移最大值如圖4所示.東側(cè)A點(diǎn)最大水平變形值為41 mm，西側(cè)B點(diǎn)擋墻最大水平變形值為38 mm，南側(cè)C點(diǎn)最大水平變形值為29 mm，位移曲線均呈拋物線形.

1.5 坑外地表變形監(jiān)測結(jié)果

本基坑外地表沉降監(jiān)測結(jié)果如圖5所示.地表沉降形態(tài)總體接近凹槽形，但在1倍基坑深度以外，靠近周邊建筑物的位置，變形差異較大.

2 基坑工程變形數(shù)值模擬分析

Plaxis程序計算工況如下：

（1）形成開挖前初始平衡狀態(tài)，建立開挖前模型；

（2）降水開挖表層土至第1道支撐底，施工第一道水平支撐；

（3）降水開挖至第2道支撐底，施工第2道水平支撐；

（4）降水開挖至第3道支撐底，施工第3道水平支撐；

（5）降水開挖至坑底.

圖4 支護(hù)擋墻實測水平位移圖Fig.4 Measured horizontal displacement of retaining wall

圖5 坑外地表沉降圖Fig.5 Ground surface settlement outside the pit

2.1 仿真模型下基坑工程A點(diǎn)支護(hù)結(jié)構(gòu)及環(huán)境變形數(shù)值模擬分析

目前，基坑周圍地面的沉降計算更多的是根據(jù)積累的一些工程經(jīng)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析［6］.關(guān)于坑邊地表沉降，根據(jù)上海地區(qū)實際工程經(jīng)驗，內(nèi)支撐板式支護(hù)基坑坑外地表沉降為凹槽形，最大沉降值發(fā)生在0.7H（H為基坑深度）附近，影響范圍在4H以內(nèi)［3］，沉降主要影響區(qū)在2H范圍內(nèi).

本文以基坑A點(diǎn)的支護(hù)條件建立計算模型并結(jié)合實際監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行參數(shù)調(diào)整.圖6為A點(diǎn)基坑及周邊環(huán)境有限元數(shù)值分析模型計算的變形結(jié)果，其中基坑支護(hù)擋墻計算變形最大值為35 mm，地表沉降最大值為26 mm，建筑物最大變形為32 mm.

通過有限元數(shù)值模擬計算可見：

（1）計算結(jié)果中反映的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形曲線形態(tài)基本一致，計算變形最大值與實測結(jié)果相比略小，但接近于2011年12月25日監(jiān)測結(jié)果，此時開挖已到達(dá)坑底，墊層已澆筑完成，支護(hù)結(jié)構(gòu)實測最大變形為33 mm，故在不考慮開挖到坑底以后時間效應(yīng)［5］影響的情況下，本模型計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)吻合較好.

圖6 開挖到坑底時的變形網(wǎng)格圖Fig.6 Mesh plot when excavating to the bottom

（2）計算結(jié)果中反映的基坑外地表變形趨勢和實測結(jié)果及常規(guī)地表變形曲線有一定差異，當(dāng)基坑周邊存在建構(gòu)筑物時，基坑外地表變形受建筑物結(jié)構(gòu)剛度及設(shè)備超載影響，地表變形性狀會有一定差異.

2.2 簡化模型下基坑工程A點(diǎn)支護(hù)結(jié)構(gòu)及環(huán)境變形數(shù)值模擬分析

為更直接地針對基坑工程的變形進(jìn)行分析，本文參照A點(diǎn)建立一個簡化有限元模型，模型中取消周邊建筑物，排除建筑物結(jié)構(gòu)剛度及超載的影響，再進(jìn)行有限元數(shù)值分析.計算的變形結(jié)果如圖7所示.

圖7 簡化模型開挖到坑底時的變形網(wǎng)格圖Fig.7 Mesh plot when excavating to the bottom in the simplified model

計算結(jié)果分析如下：

（1）計算結(jié)果中反映的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形形態(tài)和有鄰房的計算結(jié)果比較接近，最大變形值略小，為32 mm，這是取消鄰房影響的結(jié)果.由計算比較看，二層鄰房對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形影響不大，故對支護(hù)結(jié)構(gòu)變形影響有限.

（2）計算結(jié)果中反映的基坑外地表變形接近拋物線形，最大變形為30 mm，位于距基坑10 m處，這與上海地區(qū)的實際工程經(jīng)驗統(tǒng)計結(jié)果［7-8］一致.

2.3 增加支護(hù)擋墻結(jié)構(gòu)剛度后簡化模型下基坑工程數(shù)值模擬分析

在標(biāo)準(zhǔn)有限元模型的基礎(chǔ)上，試將計算模型中地墻改為1 m厚進(jìn)行計算分析，各項計算變形值如表3所示.

表3 三種厚度地墻數(shù)值分析變形結(jié)果對比Tab.3 Comparison of deformation results by simulating the three types of thickness wall

相比0.8 m地墻，1 m的地墻厚度增加25%，抗彎剛度EI值增加95%，增幅較大，圍護(hù)擋墻抗變形能力顯著增大，地墻側(cè)向變形、坑外地表變形都明顯減小，地墻側(cè)向變形減少19%，地表最大沉降減小13%.

同時因地墻剛度增大，導(dǎo)致地墻墻身彎矩略有增大，各層支撐軸力略有變化，實際計算配筋發(fā)現(xiàn)，混凝土量增加20%，箍筋增加10%，地墻計算縱筋量沒有增加，甚至略為減少.對于環(huán)境保護(hù)要求較高的地段，考慮對環(huán)境影響的顯著作用，地墻剛度的提升是非常值得采用的基坑加強(qiáng)措施.

為了進(jìn)一步分析增加支護(hù)擋墻結(jié)構(gòu)剛度對控制支護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境變形的影響，本文對1.2 m地墻也做了有限元數(shù)值模擬計算，計算結(jié)果見表3.

當(dāng)采用1.2 m的地墻時，地墻水平變形和坑外沉降值均有進(jìn)一步降低，降低比例略小，與1 m地墻相比，地墻側(cè)向變形及地表最大沉降減小12%，基坑強(qiáng)化效果依然顯著.

在基坑工程方案比選中，應(yīng)考慮適當(dāng)增加擋墻剛度并進(jìn)行綜合分析，當(dāng)基坑環(huán)境保護(hù)要求較高時，考慮對環(huán)境保護(hù)的顯著作用，地墻剛度的提升是值得采用的加強(qiáng)措施之一.

2.4 加固被動區(qū)土體后簡化模型下基坑工程數(shù)值模擬分析

在標(biāo)準(zhǔn)有限元模型的基礎(chǔ)上，在計算模型中增加水泥土加固體進(jìn)行計算分析，水泥土加固體采用寬為8 m、深為5 m的裙邊加固形式，坑底以上考慮低摻量加固體.計算變形結(jié)果如圖8所示.

與未進(jìn)行被動區(qū)加固的計算模型相比，地墻側(cè)向變形減少9%，地表最大沉降減小7%.為進(jìn)一步分析被動區(qū)加固對控制支護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境變形的影響，分別對不同寬度的加固范圍作了有限元數(shù)值模擬計算，計算結(jié)果如表4所示.

工程中常用的被動區(qū)土體加固寬度一般在5～8 m之間，本文模擬了由5～15 m寬不同加固體情況下，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)和坑外地表的變形量.由一系列有限元數(shù)值分析發(fā)現(xiàn)：隨著坑內(nèi)被動區(qū)加固體寬度的變化，基坑支護(hù)擋墻變形和坑外沉降都會減小，減小趨勢接近線性，這說明被動區(qū)土體加固對控制基坑自身及周邊土體變形是直接有效的.

圖8 被動區(qū)加固后開挖到坑底時的變形網(wǎng)格圖Fig.8 Mesh plot when excavating to the bottom considering the reinforcement in the passive zone

表4 5種被動區(qū)加固方式數(shù)值分析變形結(jié)果對比Tab.4 Comparison of results of simulating five reinforcement methods in the passive zone

2.5 監(jiān)測結(jié)果分析

本工程實測地墻水平變形和坑外地表沉降最大值對比情況如表5所示.A、B點(diǎn)的實際監(jiān)測變形數(shù)據(jù)比較充分證明了加厚地墻的顯著作用.A點(diǎn)墻厚為0.8 m，B點(diǎn)墻厚為1 m，其他條件無明顯差別，A點(diǎn)最大水平變形值為41 mm，坑外沉降最大值為25 mm；B點(diǎn)擋墻最大水平變形值為38 mm，坑外沉降最大值為20 mm.B點(diǎn)地墻比A點(diǎn)厚20%，擋墻最大水平變形減小10%，坑外地表變形較A點(diǎn)減小20%.可見增加基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)自身剛度對控制基坑及周邊土體的變形都能起到明顯的作用.

表5 變形監(jiān)測結(jié)果對比Tab.5 Comparison of the results of deformation monitoring

本工程B、C點(diǎn)的監(jiān)測變形數(shù)據(jù)驗證了被動區(qū)土體加固的作用.B、C點(diǎn)地墻厚度同樣為1 m，但C點(diǎn)坑內(nèi)被動區(qū)采用加寬的三軸攪拌樁裙邊加固，加固寬度最小處為11.6 m，比B點(diǎn)處寬4 m，實測C點(diǎn)擋墻最大水平變形比B點(diǎn)減小24%，坑外地表變形較B點(diǎn)減小15%.

對基坑被動區(qū)土體進(jìn)行加固是通過提高坑內(nèi)土體抗變形能力，控制基坑變形的有效措施.實際工程中可以根據(jù)需要調(diào)整加固土體的范圍，以達(dá)到相應(yīng)的變形控制目標(biāo).實踐表明：坑內(nèi)加固一般可以減小基坑自身和周邊環(huán)境變形10%～30%.

3 結(jié) 論

通過對多種支護(hù)擋墻厚度和坑內(nèi)加固形式對基坑變形的影響進(jìn)行有限元數(shù)值分析，并與實測變形結(jié)果對比，得出不同擋墻厚度和被動區(qū)土體加固形式與控制基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境變形效果之間的數(shù)值關(guān)系.

（1）當(dāng)支護(hù)擋墻厚度增大20%～25%時，可使基坑及周邊環(huán)境變形減小10%～20%.

（2）設(shè)置坑內(nèi)被動區(qū)土體加固相比未設(shè)置的情況，基坑及周邊環(huán)境變形可減小10%左右，且隨著加固體寬度增加，控制變形效果也增強(qiáng).

以上分析結(jié)果可為類似基坑工程提供參考.

［1］ 俞建霖，趙榮欣.軟土地基基坑開挖地表沉降量的數(shù)值研究［J］.浙江大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），1998，32（1）：95-101.

［2］ 易坤津.上海地區(qū)與寧波地區(qū)軟土工程特性分析［J］.浙江建筑，2012，29（5）：30-32.

［3］ 劉國彬，王衛(wèi)東.基坑工程手冊［M］.2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

［4］ 李佳川.軟土地區(qū)地下連續(xù)墻深基坑開挖的三維分析及實驗研究［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)，1992.

［5］ 賈堅.軟土?xí)r空效應(yīng)原理在基坑工程中的應(yīng)用［J］.地下空間與工程學(xué)報，2005，1（4）：490-493.

［6］ 張宇捷，李俊才，陳志寧，等.軟土基坑中被動區(qū)加固對周圍環(huán)境的影響［J］.施工技術(shù)，2009，38（11）：91-93.

［7］ 徐中華.上海地區(qū)支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體地下結(jié)構(gòu)相結(jié)合的深基坑變形性狀研究［D］.上海：上海交通大學(xué)，2007.

［8］ 王衛(wèi)東，徐中華，王建華.上海地區(qū)深基坑周邊地表變形性狀實測統(tǒng)計分析［J］.巖土工程學(xué)報，2011，33（11）：1659-1666.

（編輯 俞紅衛(wèi)）

The Finite Element Analysis of the Measures to Control the Deformation of Deep Foundation Pit in Soft Soil Area

LIU Lidong
（Department of Geotechnical Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China）

During pit excavation in soft soil，the protective requirements of its surroundings are raised increasingly.Currently in the practical engineering design and construction，a lot of pit reinforcement measures have been conducted to control the deformation of deep foundation.However，the controlling effect differs a lot，and due to the different supporting conditions and environmental conditions，projects are not comparable strictly.The designation，construction and monitoring of pit supporting concerning some pit excavation engineering were combined to compare the effects of deformation controlling when the skirt edge reinforcement and thickened retaining wall to the passive zone soil were set in different locations.These strengthening measures to pit exaction engineering were analyzed by employing the finite element numerical simulation，and then the laws of effectively controlling the pit deformation were obtained.Several conclusions and suggestions to deep foundation designation and construction were put forward for guidance in the future projects.

foundation pit；deformation control；finite element analysis

TU 46+3

A

1671-7333（2015）04-0352-05

10.3969／j.issn.1671-7333.2015.04.008

2015-03-23

劉立東（1978-），男，高級工程師，主要研究方向為巖土工程與結(jié)構(gòu)工程的設(shè)計與研究.E-mail：icedriver＠126.com