圆砾地层深基坑工程开挖变形机理数值分析★

林 强

(中铁二局股份有限公司，四川成都 610032)

0 引言

南宁市作为广西省省会，同时镇守我国西南边境，其经济地位非常重要，辐射广西省及周边大片区域。轨道交通的规划及建设，给南宁市的基坑工程带来了很多新的挑战，主要问题是圆砾层的设计与施工方面积累经验很少。

圆砾层为南宁典型且分布广泛的地层，目前尚无成熟的基坑工程经验，甚至可参考的案例都非常罕见。基坑开挖卸载导致围护结构向基坑内侧隆起变形，同时引起周围地层的塑性流动等，深基坑开挖必然引起邻近建筑物发生一定程度的沉降变形;不均匀沉降将会对邻近的建筑结构产生巨大的影响，造成其无法安全使用或运营，甚至会引起建筑物倾倒。

传统的基坑分析一般采用竖向弹性地基梁法，该方法的优点是计算过程简单明了，但是不能考虑土与结构的共同作用;若想考虑土与结构的共同作用，可以采用二维连续介质有限元法[1，2]，但二维方法无法考虑到基坑开挖的空间效应。随着计算机能力的大幅提升，三维数值模拟方法被越来越多的应用，三维模型能够考虑土体和结构的共同作用[3]，能够对基坑开挖的全过程进行模拟。

本文使用专门针对岩土工程的FLAC3D数值计算软件，对广西大学站基坑开挖引起的围护结构变形及周围地表沉降进行模拟分析，着重讨论围护结构变形及地表沉降的规律。

1 工程背景

广西大学站位于大学路和明秀路交叉的十字路口，周边主要是规划的住宅小区及已实施的住宅用地，西侧的存车线接进广西大学;西北角是已建设完成的世贸西城，南边是一些老的多层住宅小区，整个周边环境主要是居住区和广西大学等，客流较大。本工程总长465 m，基坑开挖深度为16.24 m～18.16 m，基坑开挖宽度20.7 m～27.7 m;标准断面宽度为20.7 m，为地下两层。底板埋深为15.535 m(相对地面)，顶板覆土厚度大于3 m。本工程主体建筑面积21 163.6 m2，主要结构形式为双柱三跨(7.45 m+5 m+7.45 m)和(8.95 m+8.95 m)框架箱形结构。

图1为基坑平面图。

图1 基坑平面图

车站主体大部分埋置于圆砾层中，图2为现场照片。圆砾粒径以2 mm～40 mm为主，占79.6%，颗粒分布详见图3。粒间充填物以中、粗砂为主，层厚约 5.00 m ～15.60 m，渗透系数 k=60 m/d，内摩擦角φ=32°(固结快剪)。圆砾层下部为不透水泥岩层。

图2 圆砾层照片

图3 基坑模型及土层网格划分

2 数值模拟

2.1 数值模拟方案

本文假设基坑周围不存在任何建构筑物，在这样的条件下模拟计算基坑周围的地表沉降，以此代替基坑开挖对周围建构筑物的影响。

摩尔—库仑模型一般适用于松散或胶结的颗粒状材料、土体、岩石、混凝土的剪切破坏分析[4]。南宁地区的圆砾地层地质情况比较符合摩尔—库仑模型的使用条件。因此，本文中数值模拟选用的本构模型是摩尔—库仑模型，地下连续墙采用弹性模型，开挖采用单元激活方法。

2.2 建模及边界条件

本工程基坑为双轴对称的矩形，根据对称性原理，可以选择1/2长度进行建模，但实际基坑长度近500 m，中间部分基本处于同样的受力状态，所以不需要取250 m进行建模。确定基坑模型尺寸为:宽度取基坑的标准段宽度20 m，开挖深度19 m，基坑长度36 m。根据现行国家及各地方规范中，基坑开挖对周围环境的影响范围一般不超过4H，且地面沉降影响范围同时受到基坑平面规模和基坑长宽比的影响[6]。综上各种因素，基坑开挖的影响范围暂定为4H。整个模型的尺寸为96×144×39(长×宽×高)，如图3所示。

地下连续墙在本次模拟中采用实体单元模拟。根据Zdravdovic(2005)[5]的研究，在二维基坑模拟中，采用实体单元和梁单元计算所产生的墙体变形差别小于4%，而墙体变形引起的地层损失是造成地表沉降的主要原因[6]，上述梁单元相当于三维模型中的衬砌单元，因此采用实体单元和衬砌单元的模拟结果相差不大，可以忽略。另一方面相比于衬砌单元(liner)，实体单元的优势在于物理模型清晰，参数相对较少且容易确定[4]。

根据广西大学站基坑的监测数据，紧贴地下连续墙背后的土体位移很小，为简化计算模型，假设地下连续墙与土地界面上没有相对滑移，即采用两者共用节点的处理方式。

基坑周围施加均布超载q=15 kPa，模型上表面为自由边界，底面为固定边界，其他边界都只约束法向位移。

2.3 计算参数及工况

据地勘报告，本工程地貌形态按《广西壮族自治区南宁市地质系列图集》地貌及外动力地质现象分布图区分，属邕江北岸Ⅱ级阶地，第四系沉积物为邕江河流冲积砂砾层及土层，下伏基岩为下第三系泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、粉砂岩。场地稳定水位埋深约4.00 m，与邕江有一定的水力联系。地下水位随季节变化幅度约为3 m～5 m。计算中选取的土层物理参数如表1所示。

表1 土层参数

本工程的围护结构体系包括地下连续墙和内撑，参数选取见表2。本文采用Beam单元模拟内撑，一般在非动力分析中，不计结构单元的重量，但内撑的自重量级是不可忽略的，且全部作用在地下连续墙上，因此其重量不可忽略。本文采用的处理方法是将内撑的重量折算到地下连续墙的自重里，内撑本身采用无重量的Beam单元。

表2 钢筋混凝土及钢管参数

根据施工方案，工程体结构采用明挖顺作法施工，支护结构为800 mm厚地下连续墙+内撑(一道混凝土支撑和两道钢支撑)。本工程在深度方向共分为五个工况进行施工(见表3)，而在长度方向为上述开挖步骤的循环推进。数值模拟过程按照表3所列的施工步骤，分为5个工况。

表3 施工步骤

3 数值模拟结果分析

3.1 地下连续墙侧移

图4给出了连续墙侧移数值模拟的计算结果。可以看出绝大部分墙体侧移发生在前四个工况，工况四到工况五几乎没有位移发展。墙体侧移的最大值均发生在约16 m深处。相邻工况间的位移发展程度基本与支撑的竖向间距成正比关系，即横撑竖直间距越大，则墙体侧移发展越大。这样也从数值计算的角度进一步证明基坑开挖的时空效应。

从图4中可以看出，刚开始开挖时，由于第一道混凝土支撑的作用，围护墙整体变形不明显。随着开挖的进行，土压力对围护结构的作用愈加明显，从工况2到工况4，变形发展明显。造成这种现象的原因是，开挖使得地下连续墙两侧压力差增大，而下层钢支撑的刚度小于第一层混凝土支撑。从工况4到工况5，由于底板的支撑作用很好的约束了地下连续墙底部的位移，因此变形发展不大。绝大部分变形都发生在基坑开挖的过程中，所以，编制合理的施工方案和及时浇筑底板对控制围护结构变形会起到很有利的作用。

图4 墙体侧移计算结果曲线

3.2 坑周地表沉降

图5给出了五个工况的地表沉降计算结果，并用通过数据点的曲线相连。从图中可以看出，各个工况间的沉降发展量值与前述地下连续墙侧移有相同的规律，即前几个工况间沉降发展较大，工况四和工况五之间沉降几乎没有变化。最大沉降发生在距离基坑边缘约13 m处，随后逐渐收敛至某一数值。

图5 坑周地表沉降计算值曲线

图5的计算结果规律符合GB 50497-2009建筑基坑工程监测技术规范推荐的周边地表沉降经验曲线，可以看出，基坑最大沉降值发生在墙后约0.5H处，主要影响范围为2H，而总影响范围约为4H。

4 结语

1)摩尔—库仑模型参数较少且比较容易测得，是一种比较适合圆砾层地区的本构关系模型，能够比较好的反映地层的变形特性。

2)通过数值计算结果分析，广西大学站基坑工程地下连续墙侧移最大值为22 mm，最大变形位置约为15 m～17 m深度范围内;地表沉降最大值为5.2 mm，主要发生在距离基坑边缘30 m范围之内，之后位移逐渐减小。这些结果能够为以后的类似工程提供有用的参考。

3)地下连续墙墙体变形基本符合经验规律。计算数据反映出第一道混凝土支撑和基坑底板对地下连续墙有很强的约束作用，如能合理及时设置，能够很好的控制墙体变形;同时施工过程应设计合理的施工步骤，并及时封闭开挖面，以减少围护结构的变形。

4)计算数据表明，圆砾地层基坑开挖对周围环境的影响范围可达4H，而主要影响范围为2H左右。因此，可在基坑开挖中着重监测主要影响区域的地表及建筑物沉降，以保证其安全。

5)本文的计算结果符合基坑变形的一般规律，但是坑底附近的地下连续墙变形与通常情况差异较大，笔者认为造成这种结果的原因是坑底附近的应力条件和边界条件都比较复杂，很难在数值模拟中量化的实现，需要丰富的经验积累，以确定合适的应力释放程度及边界条件。

[1] DBJ-61-97，基坑工程设计规程[S].

[2] CLOUGH G W，WEBER P R，LAMONT J.Design and observation of tied-back wall[C]//Proc ASCE Spec Conf on Perf of Earth-Supported Strut，1972:1367-1390.

[3] 沈 磊.超大深基坑变形特征的数值模拟及其实测分析[J].地下空间与工程学报，2005，1(4):538-542.

[4] Itasca Consulting Group，Inc.，ed.Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3 Dimensions，Version 3.0，Users’Manual.2002:Minneapolis，MN，USA.

[5] ZDRAVKOVIC L，POTTS D M，ST JOHN H D.Modelling of a 3D excavation in finite element analysis[J].Geotechnique，2005，55(7):497-513.

[6] 宋建学，郑 仪，王原嵩.基坑变形监测及预警技术[J].岩土工程学报，2006，28(S11):1889-1891.

[7] 丁勇春.软土底层深基坑施工引起的变形及控制研究[D].上海:上海交通大学博士学位论文，2009.