基坑工程开挖支护的数值计算分析

杨震伟

(杭州市铁路投资有限公司，浙江杭州 310021)

随着我国经济的迅猛发展以及城市规模的快速扩张，深大基坑越来越多地出现在城市建设中。在复杂地质条件下，不同支护设计形式和开挖方式引起土体变形和支护系统应力调整的情况极为复杂，使得深大基坑开挖过程中基坑开挖稳定和安全问题十分突出。

目前，基坑工程中常用的分析方法可以分为两类:①行业和地方基坑设计规程采用竖向弹性地基梁法［1-2］;②基于连续介质力学的数值分析方法，如有限元法、有限差分法等。竖向弹性地基梁法难以对土体与围护结构组成的相互作用的整体结构进行内力及变形分析，因此越来越多的基坑工程采用数值分析方法对基坑开挖过程进行模拟计算，如郑永来等［3］以上海M8线环海路站北风井基坑工程为背景，采用FLAC3D软件模拟基坑的开挖过程，郭海燕等［4］结合青岛万邦基坑工程的设计和施工，以平面弹塑性有限元模拟该基坑的开挖和支护过程。此外，丁永春等［5］、赵海燕等［6］均采用不同软件及方法对基坑进行过有限元模拟计算。

本文结合某地铁基坑工程的设计和施工，采用Mohr-Coulomb弹塑性本构模型，利用ABAQUS大型数值计算软件模拟计算基坑的开挖支护过程，分析非对称土层基坑开挖过程中基坑变形及支护体系的内力变化规律，为该基坑设计及现场施工提供参考。

1 Mohr-Coulomb塑性模型

Mohr-Coulomb破坏和强度准则在岩土工程中的应用十分广泛，大量的岩土工程设计计算都采用Mohr-Coulomb强度准则。

Mohr-Coulomb强度准则假定，当作用在某一点的剪应力等于该点的抗剪强度时，该点发生破坏，剪切强度与作用在该面的正应力呈线性关系。Mohr-Coulomb的强度准则为

式中，τ为剪切强度，σ为正应力，φ为材料的内摩擦角，c为材料的黏聚力。

传统的Mohr-Coulomb模型的屈服面存在尖角导致塑性流动方向的不唯一性，造成数值计算的繁琐和收敛缓慢。为避免这种问题，ABAQUS采用的本构模型是传统Mohr-Coulomb屈服准则的扩展，该模型选用连续光滑的流动势函数(Menetery Ph etc，1995)，其形状在子午面上为双曲线，在π平面上没有尖角，确保了塑性流动方向的唯一性［7］。

2 工程概况

某地铁基坑工程长约252 m，宽20.5～25.9 m，呈南北向展布，基坑开挖深度在15.0～16.8 m范围，结构顶板覆土厚度在1.6～1.8 m范围，底板座落在淤泥质土层上。

2.1 工程地质条件

将勘探范围内地基土划分为6个工程地质层，各地基土层的工程特性按地层由上至下，由新至老分布如表1。

表1 土层分布及物理力学指标

2.2 基坑支护设计

基坑采用钻孔灌注桩作围护结构，采用明挖顺筑法施工。围护结构采用旋喷止水帷幕与内排灌注桩的内支撑方案，灌注桩为φ1 000@1 200 mm，补桩规格为φ1 200@1 400 mm。桩底插入坑底下强风化粉砂岩至少3.5 m，当坑底强风化粉砂岩厚度不足3.5 m时，伸入中等风化粉砂岩至少1.5 m。灌注桩外侧采用φ800@500 mm旋喷桩止水帷幕，加固深度从冠梁顶至强风化岩面。

基坑横向设置5道内支撑，第1道和第3道为混凝土支撑，混凝土支撑截面尺寸900 mm×800 mm，其余部分为φ609、厚16 mm的钢管支撑，支撑间距分为1.2 m和3.3 m两种。

基坑地基土层加固:①基坑第3道支撑底下至地面下10 m范围裙边加固和隔条抽条加固，水泥掺量不小于150 kg/m3，28 d无侧限抗压强度不小于0.5 MPa;②基坑开挖深度在地面下10 m至坑底范围内，采用φ800@600 mm的旋喷桩抽条加裙边加固，水泥掺量不得低于400 kg/m3，28 d无侧限抗压强度不小于0.8 MPa;③坑底以下至强风化岩(强风化岩较深时，加固至坑底以下8 m)，采用φ800@600 mm的高压旋喷桩满堂加固，满足基坑围护设计中比例系数m=6 MN/m4，水平抗力系数Kh=20 MN/m3，水泥掺量不得低于530 kg/m3，28 d无侧限抗压强度不小于1.0 MPa。

3 数值仿真计算

3.1 计算模型

由于基坑长宽比较大，且基坑在长度方向的土层分布近似，因此选取基坑中间一段模拟计算基坑开挖稳定过程。该基坑土层分布呈斜坡状，基坑东侧强风化岩层埋深高程为－2.0 m，西侧强风化岩层埋深高程达－14.0 m。

基坑及围护结构仿真模型如图1所示。模型中岩土体为61 000个节点，其中实体单元56 777个，围护结构单元4 723个。

图1 基坑及围护结构模型

3.2 边界条件

计算采用的边界条件为:模型底部边界采用全约束(约束三个平动自由度)，四周侧立边界采用法向约束。

3.3 模拟过程

根据基坑设计和施工步骤确定模拟计算共考虑九步，第一步进行初始地应力场的平衡;第二步施加混凝土围护桩、立柱，进行基坑稳定计算;第三步开挖至第1道支撑下0.5 m处，计算基坑稳定性;第四步施加冠梁、第1道混凝土支撑及混凝土系梁，开挖至第2道支撑下0.5 m处，计算基坑的稳定性;依次施加第5道钢管支撑，开挖至基坑底为第九步。

4 计算结果及分析

4.1 土体位移

图2为基坑开挖过程中模型中间剖面处基坑东西侧土层的水平变形，图中H为开挖深度。可以看出，土层的水平变形随着开挖深度的增加逐渐增大，但增长的幅度逐渐减小。开挖至坑底时，基坑东侧的最大水平变形为15.8 mm，远离基坑内变形，西侧的最大水

图2 基坑东西侧开挖步的水平位移

平变形为33.5 mm，向基坑内变形。造成基坑东侧土体远离基坑内变形的原因为:由于该基坑东西侧基岩埋深相差较大，使得开挖过程中基岩埋深更深的西侧土体水平变形更大，造成西侧围护结构承受的土压力更大，而东侧土体变形较小，土压力也小，西侧土压力通过支撑传递给东侧围护结构，使得基坑东侧土体偏离基坑方向变形。

4.2 围护桩内力

图3和图4分别为基坑开挖过程中模型中间剖面处围护桩的弯矩随高程的变化曲线图。

图3 东侧围护桩各开挖步的弯矩

图4 西侧围护桩各开挖步的弯矩

可以看出，围护桩的最大弯矩随开挖深度的增加而逐渐增大。开挖完后东侧桩的最大弯矩约为514 kN·m，西侧桩的最大弯矩约为1 168 kN·m，均位于基坑东西侧基岩面处。

4.3 支撑内力

图5为基坑开挖过程中模型中间剖面处5道支撑的轴力变化图。

从图5可以看出，第1道支撑最大轴力发生在开挖深度为7.5 m处，为1 270 kN，大致位于支撑的中间部位，之后随着开挖深度的增加而减小;第2道支撑的最大轴力发生在开挖深度为10.5 m处，为754.2 kN，大致位于支撑中部偏西部位，之后轴力随开挖深度的增加略有减小;第3、第4和第5道支撑的轴力随开挖深度的增加逐渐增大，基坑开挖完后分别为3 415 kN，996.5 kN，773.2 kN，最大轴力分别位于该道支撑的中部、东侧和西侧。

图5 每道支撑的轴力分布

从分析结果来看，由于两端混凝土边撑的作用，第1、第3道混凝土支撑最大轴力位于支撑中部，而第2、第4和第5道钢管支撑的最大轴力则位于端部。此外，施工过程中及时施作支撑，可有效地分担上部支撑的压力。

5 结语

1)本文采用ABAQUS软件对基坑开挖过程进行非线性模拟计算。土体变形、围护结构的内力均随开挖深度的增加而增大。

2)当基坑两侧土层非对称分布时，基岩埋深更深一侧的土压力通过支撑传递至基岩埋深更浅一侧的围护桩，使得该侧土层向远离基坑方向变形。

3)基坑开挖过程中基坑的水平变形逐渐增大，使得作用在围护系统上的土压力增大，因而施工过程中及时设置支护结构，不仅能有效地减少土体的变形，还能及时减小上部支撑的轴力，确保施工的顺利完成。

［1］中华人民共和国建设部．GJ 120—99 建筑基坑支护技术规程［S］．北京:中国建筑工业出版社，1999．

［2］金瓯，胡正华，陈成振．深基坑变形和内力监测数据与有限元理论数据对比研究［J］．铁道建筑，2011(6):114-116．

［3］郑永来，王金龙．轨道交通上方大面积基坑开挖三维问题分析［J］．地下空间与工程学报，2009，5(2):277-306．

［4］郭海燕，李胜林，张云．深基坑开挖与支护的有限元模拟［J］．中国海洋大学学报，2009，39(1):165-168．

［5］丁永春，王建华，徐斌．基于FLAC3D的基坑开挖与支护三维数值分析［J］．上海交通大学学报，2009，43(6):976-980．

［6］赵海燕，黄金枝．深基坑支护结构变形的三维有限元分析和模拟［J］．上海交通大学学报，2001，35(4):165-168．

［7］王金昌，陈开页．ABAQUS在土木工程中的运用［M］．杭州:浙江大学出版社，2006．