韓 莉

（中鐵十八局集團第三工程有限公司，河北 涿州 072750）

在深基坑工程中，其穩(wěn)定性一直是人們關(guān)注的焦點。隨著地下泵站深基坑的開挖，基坑底部的垂直應(yīng)力和邊坡的水平應(yīng)力逐漸降低，附近土體可能在某一瞬間接近或達到最大支撐強度，一旦超過該強度，就會致土體坍塌。隨著基坑開挖深度增加，開挖面加大，底板膨脹會加劇，同時流塑性變形會增大。若支承不夠，則受軸向載荷的影響，會導(dǎo)致橫向支承的穩(wěn)定性降低。當(dāng)橫向支撐失穩(wěn)，承載力就會下降。在沒有支撐的情況下，擋土墻會很快向下傾倒，導(dǎo)致整個基坑失穩(wěn)。因此，針對不同的工程地質(zhì)條件，開展深基坑開挖工程的穩(wěn)定性分析十分必要，國內(nèi)學(xué)者對此進行了一定的研究。文獻[1]采用有限元軟件對深基坑支護進行了數(shù)值仿真，并對數(shù)值仿真結(jié)果中的支護結(jié)構(gòu)位移變化和各種應(yīng)力進行監(jiān)測；文獻[2]提出了深基坑“墻-撐-錨”組合支護體系變形特性研究方法，對“墻撐錨桿”復(fù)合支護系統(tǒng)的變形機制進行了研究。然而，上述兩種方法易受地基中大量存水影響，會出現(xiàn)塌槽、滲漏和坑底回彈現(xiàn)象。

為此，本研究提出了全地下泵站深基坑開挖支護結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性分析方法。

1 工程概況

以空港污水處理廠遷廠輸水管線及泵站工程項目為例。工程建設(shè)地點起于現(xiàn)狀空港污水處理廠，由北向南敷設(shè)路線至張貴莊污水處理廠，規(guī)劃污水總量約14.9 萬m3/d。標(biāo)段分界范圍為：施工至W124 井(含W124 井)。工程建設(shè)內(nèi)容包括：（1）泵站工程。新建1 座污水泵站：選址于現(xiàn)狀雨水泵站北側(cè)，占地1 800 m2，設(shè)計流量1.61 m3/s；改造二期中部污水泵站：改造后設(shè)計流量0.2 m3/s；改造二期南部污水泵站：改造后設(shè)計流量2.24 m3/s。（2）輸水管線工程。采用加壓和自重流動相結(jié)合的輸送方法，路徑全長10.5 km。其中：利用現(xiàn)狀d1400 壓力管道2.0 km，新建d1200、 d1500 壓力管道2.4 km，新建d1650、d1800 重力管道6.1 km。（3）管道流量監(jiān)測系統(tǒng)。在三個提升泵站出水口、進水口和管線終點設(shè)置監(jiān)測井，安裝無線監(jiān)測流量計、數(shù)據(jù)信息匯聚模塊、流量監(jiān)測工作站、數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器等設(shè)備，實時監(jiān)測管線污水流量。

工程基坑開挖深度大，基坑支護與降水施工是工程重難點。主要目標(biāo)是確保基坑的穩(wěn)定性，使基坑下方土層快速排水并疏干固結(jié)，方便土方開挖，為基坑開挖提供無水作業(yè)環(huán)境，包括淺層潛水地下水位降低、土體含水率降低、土體抗剪強度升高，防止塌槽、漏水及坑底回彈起落。

2 地下泵站深基坑開挖支護結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性研究

對深基坑進行全面穩(wěn)定性分析是基坑工程設(shè)計的重要環(huán)節(jié)之一。FLAC3D 數(shù)值模擬分析方法模擬出的模型為彈塑性模型，該模型根據(jù)屈服單元狀態(tài)持續(xù)跟蹤塑性流動區(qū)域，即使在荷載作用參數(shù)改變后，仍能持續(xù)模擬彈性形變，計算實時性較高。而基于“墻-撐-錨”組合支護體系變形模擬法，需要多組原始數(shù)據(jù)分段傳輸，多次模擬，根據(jù)模擬結(jié)果分析線性流動變化，從而模擬形變狀態(tài)。而基于開挖施工監(jiān)測與數(shù)值模擬分析，更適合工程中不同階段的靜態(tài)模擬，其結(jié)果限制性大，計算易陷入全局最優(yōu)解。故此，使用顯式有限差分法結(jié)合FLAC3D 軟件完成數(shù)值模擬，F(xiàn)LAC3D 計算與普通計算方式區(qū)別很大。該方法可在鍵盤上交互輸入多種指令，通過文件驅(qū)動執(zhí)行批量操作。故在FLAC3D 數(shù)值模擬軟件中，須理解不同的指令鍵作用，并根據(jù)運算次序進行排序，從而生成可執(zhí)行特定運算任務(wù)的指令。基于此原理，地下泵站深基坑開挖支護結(jié)構(gòu)進行穩(wěn)定性模擬。

2.1 基坑開挖支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性判斷

地下泵站基坑失穩(wěn)的主要因素有支護結(jié)構(gòu)傾斜及過度變形、地表過度沉降、地基隆起等，在上述確定的基坑開挖支護結(jié)構(gòu)的剪應(yīng)力與應(yīng)變張量情況下，提出一種基于支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析方法。確定基坑穩(wěn)定性時須綜合考慮各影響因素，包括基坑周邊最大沉降量、擋土墻傾斜度、基坑最大彎矩、基坑底部最大隆起量、墻頂位移量[3]。

采用 FLAC 數(shù)值模擬有限元軟件，對開挖過程進行仿真分析。用Nu 代表從模型中發(fā)掘的觀測參數(shù)，而空白的壓力會被自動設(shè)定為0。由此建立一種基于彈性體的初始應(yīng)力場，在應(yīng)力作用下將模型全部賦為彈性，以避免在初始應(yīng)力作用下發(fā)生塑性變形。去除相應(yīng)于初始應(yīng)力場的位移，并在FLAC 數(shù)值模擬支持下，設(shè)定的起始標(biāo)記指令中位移為0。在支撐力為0 時，基坑只有連續(xù)墻，無外部和內(nèi)部支撐。在基坑施工中，受外力影響，墻體在基坑內(nèi)持續(xù)發(fā)生傾斜。隨著施工深度的增加，支護結(jié)構(gòu)因缺少內(nèi)外支撐而逐漸加速，最后達到承載力極限，從而引起開挖支護結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

利用FLAC 數(shù)值模擬有限元軟件，對不同開挖期的支護結(jié)構(gòu)進行分析，得出其在不同開挖過程中的受力情況。

（1）第一開挖階段。圍護結(jié)構(gòu)變形量仍很小?；娱_挖時由于受主動土壓力影響，墻體在基坑內(nèi)發(fā)生一定傾斜，而開挖后墻體變形無明顯變化?？梢耘卸ǎ_挖初期基坑處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）第二開挖階段。地面塌陷嚴(yán)重，開挖支護結(jié)構(gòu)嚴(yán)重變形。在基坑超出其正常工作極限時，可以判定為基坑在正常開挖情況下的不穩(wěn)定。但在基坑開挖過程中，不會產(chǎn)生較大的變形，也不會導(dǎo)致基坑坍塌。由此可判斷：在該階段，超出其最大負荷極限的情況下，圍護結(jié)構(gòu)正常使用性失穩(wěn)，但未超出最大負荷，不會發(fā)生坍塌。

（3）第三開挖階段。地面嚴(yán)重沉陷，支護結(jié)構(gòu)嚴(yán)重變形。在基坑超出其正常工作極限時，可判定為基坑正常開挖下的不穩(wěn)定。但在繼續(xù)開挖后基坑內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)不會產(chǎn)生較大變形，因此不會出現(xiàn)大范圍破壞。因此判斷：該階段支撐結(jié)構(gòu)超出正常使用極限，但未超最大負荷，不會發(fā)生坍塌。

（4）第四開挖階段。可看出：由于地基的主動土壓，導(dǎo)致墻體持續(xù)傾斜，最終致墻體坍塌?；拥妆谠趶澗刈饔孟乱壮霈F(xiàn)破壞。該階段由于受主動土壓力影響，墻體內(nèi)部加速度增加，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不穩(wěn)。由此可判定工程在該階段結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

由上述判斷可知，若不在圍護墻體上施加支撐力，維護結(jié)構(gòu)會在第四開挖階段出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。由此得到基坑是否穩(wěn)定的判定條件：①f1＜fx＜f2，1f為主動土壓力給支護結(jié)構(gòu)帶來的壓力；f2為極限壓力。當(dāng)支護結(jié)構(gòu)承受的壓力大于主動土壓力給支護結(jié)構(gòu)帶來的壓力且小于極限壓力時，說明基坑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定不會塌陷，地表沉降較小。②f2＜fx＜f3，f3為最大壓力。當(dāng)支護結(jié)構(gòu)承受的壓力大于極限壓力小于最大壓力時，說明基坑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不會塌陷，但結(jié)構(gòu)變形較大，不能滿足正常使用。③fx＞f3，當(dāng)支護結(jié)構(gòu)所承受的壓力大于最大壓力時，說明基坑結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，出現(xiàn)塌陷問題。

通過上述判定，可分析出地下泵站深基坑開挖支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定臨界值，完成數(shù)值模擬分析。

2.2 基于FLAC3D 的剪應(yīng)力與應(yīng)變張量分析

FLAC3D 數(shù)值模擬軟件通過接口控制單元對結(jié)構(gòu)和土壤之間的相互作用進行了仿真分析，接口控制單元以庫侖滑動定律為基礎(chǔ)，結(jié)合其摩擦角、粘聚力、膨脹角、剪切剛度、法向剛度、拉伸強度等特性[4]，可以將尺寸相同或不同的單位連接起來。FLAC3D 中的接口控制單元是一個三角形結(jié)構(gòu)，將兩個三角形的界面元素“粘貼”到固態(tài)元件的表面，并與一個四邊形固態(tài)元素相配合。接口控制單元按不同的權(quán)重向各個區(qū)域分配節(jié)點，使每個節(jié)點均具相對應(yīng)的代表區(qū)域。

在基于FLAC3D 的剪應(yīng)力與應(yīng)變張量分析過程中，定義了一個基本的接觸關(guān)系，將與接口控制單元相接觸的固態(tài)元件表面稱為靶面，目標(biāo)面與接口控制單元剪切界面的剪切方向是一致的[5]。

計算接口控制單元在t+Δt時間的剪切應(yīng)力為：

式中nκ為剪切剛度；nh為節(jié)點穿透目標(biāo)面的深度；nσ為剪應(yīng)力；S′為與節(jié)點相關(guān)的面積。

應(yīng)變張量可表示為：

式中ix、xj分別為節(jié)點i、j的速度分量；vi、vj分別為節(jié)點i、j的變化位移；Δt為應(yīng)變時間。

在每次迭代過程中，分別求出相應(yīng)的接口控制單元節(jié)點與相應(yīng)的目標(biāo)面的相對剪切應(yīng)力和應(yīng)變張量。在此基礎(chǔ)上，將其引入界面的本構(gòu)模型中，并進行數(shù)值模擬，用線性庫侖強度判據(jù)來確定接口控制單元的本構(gòu)關(guān)系。當(dāng)剪切應(yīng)力和應(yīng)變張量均超極限值后，接口控制單元將發(fā)生與靶面相對的滑動關(guān)系，從而增大靶面的法向應(yīng)力。

3 實驗

3.1 實驗環(huán)境構(gòu)建

基坑周圍使用混凝土樁，樁間距為1.5 m，采用內(nèi)支撐的支護形式，圈梁內(nèi)也為鋼筋混凝土。在實驗過程中，混凝土樁采用數(shù)值模擬軟件的樁單元，截面設(shè)置為圓形。整個模型巖土底部是全約束形式，在任何情況下均不會發(fā)生位移。在基坑開挖過程中，豎直方向會發(fā)生沉降。將該模型進行網(wǎng)格劃分，橫向和豎向每米設(shè)置一個網(wǎng)格，并將巖土參數(shù)（見表1）輸入至模擬軟件中。根據(jù)巖土參數(shù)模擬計算得出該工程基坑的整體抗滑穩(wěn)定性計算結(jié)果見圖1，其安全系數(shù)K 為1.74。

圖1 整體抗滑穩(wěn)定性驗算

表1 巖土參數(shù)

針對鄰近建筑物荷載，每層取15 kN/m2，根據(jù)建筑物層數(shù)的變化，在確定距離基坑開挖邊緣10.4 m 外，采用淺基礎(chǔ)形式，確定鄰近建筑分布位置。通過模擬計算得出該工程基坑的坑底抗隆起穩(wěn)定性驗算的結(jié)果見圖2，安全系數(shù)K 為1.97。

圖2 工程基坑坑底抗隆起

3.2 實驗結(jié)果與分析

對四個開挖階段下的坑底中心隆起程度進行分析，如果隆起程度較大，說明結(jié)構(gòu)失穩(wěn)嚴(yán)重。以此為依據(jù)，進行以下詳細分析。

（1）第一開挖階段。分別使用基于開挖施工監(jiān)測與數(shù)值模擬分析（方法一）、基于“墻-撐-錨”組合支護體系變形模擬分析（方法二）、基于FLAC3D 數(shù)值模擬分析（方法三）三種方法，對比分析在該階段隨著開挖天數(shù)的增加，不同方法下的開挖深度結(jié)果（見圖3）。由圖可知，使用方法一，開挖天數(shù)為3.4 d；使用方法二，開挖天數(shù)為3.9 d；方法三，開挖天數(shù)為2.6 d，與實際數(shù)值相差0.05 mm。由此可知，使用基于FLAC3D 數(shù)值模擬分析方法，在該階段坑底中心隆起程度數(shù)值模擬結(jié)果更為精準(zhǔn)。

圖3 三種方法在第一開挖階段對比

（2）第二開挖階段。分別使用三種模擬方法，對比分析該階段坑底中心隆起程度（見圖4）。由圖可知，使用方法一，開挖天數(shù)為7.9 d ；使用方法二，開挖天數(shù)為9.0 d ；使用方法三，開挖天數(shù)為6 d。由此可知，使用基于FLAC3D 數(shù)值模擬分析方法，在該階段開挖數(shù)值模擬結(jié)果與實際數(shù)值相差0.04 mm，具有精準(zhǔn)模擬效果。

圖4 三種方法在第二開挖階段對比

（3）第三開挖階段。使用三種模擬方法對比分析該階段坑底中心隆起程度（見圖5）。由圖可知，使用方法一和方法二，開挖天數(shù)分別為17 d 和18 d；使用方法三，開挖天數(shù)為16 d，與實際數(shù)值相差0.01 mm。由此可知，使用基于FLAC3D 數(shù)值模擬分析方法在該階段數(shù)值模擬結(jié)果更為精準(zhǔn)。

圖5 三種方法在第三開挖階段對比

（4）第四開挖階段。使用三種模擬方法，對比分析該階段坑底中心隆起程度，（見圖6）。由圖可知，在該階段，結(jié)構(gòu)已經(jīng)失穩(wěn)，數(shù)值模擬的數(shù)據(jù)波動曲線不再平滑。其中使用方法一，開挖天數(shù)為23 d ；使用方法二，開挖天數(shù)為24 d ；使用方法三，開挖天數(shù)為22 d，與實際數(shù)值在開挖深度為16.7 km 時相差最大。

圖6 三種方法在第四開挖階段對比

4 結(jié)語

針對空港污水處理廠遷廠輸水管線及泵站實際工程背景，采用FLAC3D 數(shù)值模擬軟件對基坑工程進行數(shù)值模擬。全地下式泵站在基坑開挖時，由于坑內(nèi)土體挖出后地基的應(yīng)力場和變形場發(fā)生變化，可能導(dǎo)致地基失穩(wěn)，引起地基的滑坡、坑底隆起反涌砂等，通過對深基坑支護結(jié)構(gòu)的整體抗滑穩(wěn)定性、基底抗隆起穩(wěn)定性和抗管涌能力進行計算，發(fā)現(xiàn)全地下式泵站采用地下連續(xù)墻作為基坑的支護結(jié)構(gòu)可滿足施工安全要求。

基坑開挖和支護的穩(wěn)定性模擬是一個十分復(fù)雜的過程，由于時間和條件所限，本研究尚不夠完善，存在有待進一步解決的問題，例如：由于三維有限元計算的信息量很大，而且受到計算機的運算能力和速度制約，無法獲取一個無限大的場地作為模型研究的邊界。因此，如何合理地選擇模型的邊界，使其計算結(jié)果更準(zhǔn)確、有效，可能將成為今后研究的熱點。