软土地区某深基坑工程变形控制措施的有限元分析

刘立东

（同济大学地下建筑与工程系，上海 200092）

软土地区某深基坑工程变形控制措施的有限元分析

刘立东

（同济大学地下建筑与工程系，上海 200092）

软土地区深基坑开挖过程中对周边环境保护的要求越来越高，目前在实际工程设计施工中已有很多基坑加强加固措施用于控制深基坑的变形，但变形控制效果差异较大，且不同工程之间由于支护条件和环境情况差异较大，没有严格的可比性.结合某基坑工程的基坑支护设计、施工、监测情况，对比该基坑不同位置设置被动区土体裙边加固、加厚支护挡墙对基坑工程变形控制的效果，通过采用有限元数值模拟方法对这些基坑工程加强加固措施进行研究分析，得出这些措施能有效控制基坑工程变形量，得出了一些有利于指导深基坑工程设计及施工的建议和结论.

基坑工程；变形控制；有限元分析

软土地区地下工程开挖施工期间周边环境变形较大，加之基坑工程埋深越来越深，使得对基坑自身及周边环境的变形控制要求越来越高.对于环境保护要求较高的工程，在基坑工程设计中会根据工程经验判断需要采取哪种或哪几种加强措施，以满足实际环境保护需求.但是，各类加固措施的变形控制效果差异较大，且不同工程之间由于支护条件和环境情况很难一致，使得各类加固措施的优劣没有严格可比性，造成基坑加固措施的选取缺乏参考.

随着基坑工程的发展，采用单一的传统力学方法对深基坑工程对周边环境的影响进行分析具有一定的局限性，而基于有限元理论的数值模拟技术已成为地下工程信息化施工研究的一种有效方法，它能较全面地反映各种因素对支护体系及周围土体应力和变形的影响［1］，并估算周围建筑物、地下管线的变形.本文以上海某基坑工程为例，采用Plaxis程序借助有限元方法对该工程各种支护方式进行分析比较.结合该工程的基坑支护方案和监测情况，通过对比本基坑不同位置的设计施工方案及变形监测结果的差异性，分析了加厚支护挡墙、设置被动区土体加固对基坑工程变形控制的效果.

1 工程设计概况

本基坑工程位于上海市黄浦区，基坑开挖深度13.5 m，基坑支护采用地下连续墙+三道钢筋混凝土支撑的形式.

1.1 地质条件

该场地范围内地质情况分布比较均匀，工程地质参数如表1所示.

表1 土层物理力学性质表Tab.1 Table of physico-mechanical properties of the soil

上海地区第③、④层土天然含水量高、渗透性差、孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低、灵敏度高［2］.本基坑坑底及大部分坑壁范围都位于第③、④两层淤泥质土层中，对基坑变形、坑外沉降等影响显著.

1.2 基坑周边环境

该工程周边环境如图1所示.其中北侧紧邻城市道路，东西两侧和南侧均有多层浅基础建筑物，东侧A点外侧为2层幼儿园建筑，距离该工程支护结构为12.7 m，沿坑边方向长度为26 m；西侧B点外侧为6层住宅，距离该工程支护结构约为12.3 m，每幢沿坑边方向长度为11.4 m；南侧C点外侧地下有正在运营的地铁区间隧道，隧道外边线与该工程地下室外墙最近距离约为7.1 m.工程周边环境比较复杂，且各边对变形控制要求各有不同.

图1 场地周边环境平面图Fig.1 Surroundings around the pit

1.3 深基坑支护设计方案

基坑支护概况如图2及表2所示，剖面图如图3所示.采用地下连续墙作为支护结构挡墙，墙底埋深为28～32 m，插入比为1.3～1.4，其中基坑西侧和南侧采用1 m厚地墙、东侧和北侧采用0.8 m厚地墙.基坑内侧设置了850＠600三轴水泥土搅拌桩对被动区土体加固，加固宽度为7.6 m，南侧坑内最小加固宽度为11.6 m.

图2 基坑支护结构平面图Fig.2 Plan of supporting structure foundation pit

表2 支护体概况Tab.2 Supporting situation

1.4 支护挡墙水平位移监测结果

本工程开挖至坑底时，支护挡墙的变形呈抛物线形，墙体腹部向坑内突出［3］，支护体及周边环境的变形小于基坑中部区域的变形［4-5］.

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

为明确分析各种措施和基坑变形的关系，本文仅列出基坑边中段区域的监测结果.支护挡墙各部位水平位移最大值如图4所示.东侧A点最大水平变形值为41 mm，西侧B点挡墙最大水平变形值为38 mm，南侧C点最大水平变形值为29 mm，位移曲线均呈抛物线形.

1.5 坑外地表变形监测结果

本基坑外地表沉降监测结果如图5所示.地表沉降形态总体接近凹槽形，但在1倍基坑深度以外，靠近周边建筑物的位置，变形差异较大.

2 基坑工程变形数值模拟分析

Plaxis程序计算工况如下：

（1）形成开挖前初始平衡状态，建立开挖前模型；

（2）降水开挖表层土至第1道支撑底，施工第一道水平支撑；

（3）降水开挖至第2道支撑底，施工第2道水平支撑；

（4）降水开挖至第3道支撑底，施工第3道水平支撑；

（5）降水开挖至坑底.

图4 支护挡墙实测水平位移图Fig.4 Measured horizontal displacement of retaining wall

图5 坑外地表沉降图Fig.5 Ground surface settlement outside the pit

2.1 仿真模型下基坑工程A点支护结构及环境变形数值模拟分析

目前，基坑周围地面的沉降计算更多的是根据积累的一些工程经验数据进行分析［6］.关于坑边地表沉降，根据上海地区实际工程经验，内支撑板式支护基坑坑外地表沉降为凹槽形，最大沉降值发生在0.7H（H为基坑深度）附近，影响范围在4H以内［3］，沉降主要影响区在2H范围内.

本文以基坑A点的支护条件建立计算模型并结合实际监测结果进行参数调整.图6为A点基坑及周边环境有限元数值分析模型计算的变形结果，其中基坑支护挡墙计算变形最大值为35 mm，地表沉降最大值为26 mm，建筑物最大变形为32 mm.

通过有限元数值模拟计算可见：

（1）计算结果中反映的基坑支护结构变形曲线形态基本一致，计算变形最大值与实测结果相比略小，但接近于2011年12月25日监测结果，此时开挖已到达坑底，垫层已浇筑完成，支护结构实测最大变形为33 mm，故在不考虑开挖到坑底以后时间效应［5］影响的情况下，本模型计算结果与实测数据吻合较好.

图6 开挖到坑底时的变形网格图Fig.6 Mesh plot when excavating to the bottom

（2）计算结果中反映的基坑外地表变形趋势和实测结果及常规地表变形曲线有一定差异，当基坑周边存在建构筑物时，基坑外地表变形受建筑物结构刚度及设备超载影响，地表变形性状会有一定差异.

2.2 简化模型下基坑工程A点支护结构及环境变形数值模拟分析

为更直接地针对基坑工程的变形进行分析，本文参照A点建立一个简化有限元模型，模型中取消周边建筑物，排除建筑物结构刚度及超载的影响，再进行有限元数值分析.计算的变形结果如图7所示.

图7 简化模型开挖到坑底时的变形网格图Fig.7 Mesh plot when excavating to the bottom in the simplified model

计算结果分析如下：

（1）计算结果中反映的基坑支护结构变形形态和有邻房的计算结果比较接近，最大变形值略小，为32 mm，这是取消邻房影响的结果.由计算比较看，二层邻房对基坑支护结构的变形影响不大，故对支护结构变形影响有限.

（2）计算结果中反映的基坑外地表变形接近抛物线形，最大变形为30 mm，位于距基坑10 m处，这与上海地区的实际工程经验统计结果［7-8］一致.

2.3 增加支护挡墙结构刚度后简化模型下基坑工程数值模拟分析

在标准有限元模型的基础上，试将计算模型中地墙改为1 m厚进行计算分析，各项计算变形值如表3所示.

表3 三种厚度地墙数值分析变形结果对比Tab.3 Comparison of deformation results by simulating the three types of thickness wall

相比0.8 m地墙，1 m的地墙厚度增加25%，抗弯刚度EI值增加95%，增幅较大，围护挡墙抗变形能力显著增大，地墙侧向变形、坑外地表变形都明显减小，地墙侧向变形减少19%，地表最大沉降减小13%.

同时因地墙刚度增大，导致地墙墙身弯矩略有增大，各层支撑轴力略有变化，实际计算配筋发现，混凝土量增加20%，箍筋增加10%，地墙计算纵筋量没有增加，甚至略为减少.对于环境保护要求较高的地段，考虑对环境影响的显著作用，地墙刚度的提升是非常值得采用的基坑加强措施.

为了进一步分析增加支护挡墙结构刚度对控制支护结构及周边环境变形的影响，本文对1.2 m地墙也做了有限元数值模拟计算，计算结果见表3.

当采用1.2 m的地墙时，地墙水平变形和坑外沉降值均有进一步降低，降低比例略小，与1 m地墙相比，地墙侧向变形及地表最大沉降减小12%，基坑强化效果依然显著.

在基坑工程方案比选中，应考虑适当增加挡墙刚度并进行综合分析，当基坑环境保护要求较高时，考虑对环境保护的显著作用，地墙刚度的提升是值得采用的加强措施之一.

2.4 加固被动区土体后简化模型下基坑工程数值模拟分析

在标准有限元模型的基础上，在计算模型中增加水泥土加固体进行计算分析，水泥土加固体采用宽为8 m、深为5 m的裙边加固形式，坑底以上考虑低掺量加固体.计算变形结果如图8所示.

与未进行被动区加固的计算模型相比，地墙侧向变形减少9%，地表最大沉降减小7%.为进一步分析被动区加固对控制支护结构及周边环境变形的影响，分别对不同宽度的加固范围作了有限元数值模拟计算，计算结果如表4所示.

工程中常用的被动区土体加固宽度一般在5～8 m之间，本文模拟了由5～15 m宽不同加固体情况下，基坑支护结构和坑外地表的变形量.由一系列有限元数值分析发现：随着坑内被动区加固体宽度的变化，基坑支护挡墙变形和坑外沉降都会减小，减小趋势接近线性，这说明被动区土体加固对控制基坑自身及周边土体变形是直接有效的.

图8 被动区加固后开挖到坑底时的变形网格图Fig.8 Mesh plot when excavating to the bottom considering the reinforcement in the passive zone

表4 5种被动区加固方式数值分析变形结果对比Tab.4 Comparison of results of simulating five reinforcement methods in the passive zone

2.5 监测结果分析

本工程实测地墙水平变形和坑外地表沉降最大值对比情况如表5所示.A、B点的实际监测变形数据比较充分证明了加厚地墙的显著作用.A点墙厚为0.8 m，B点墙厚为1 m，其他条件无明显差别，A点最大水平变形值为41 mm，坑外沉降最大值为25 mm；B点挡墙最大水平变形值为38 mm，坑外沉降最大值为20 mm.B点地墙比A点厚20%，挡墙最大水平变形减小10%，坑外地表变形较A点减小20%.可见增加基坑支护结构自身刚度对控制基坑及周边土体的变形都能起到明显的作用.

表5 变形监测结果对比Tab.5 Comparison of the results of deformation monitoring

本工程B、C点的监测变形数据验证了被动区土体加固的作用.B、C点地墙厚度同样为1 m，但C点坑内被动区采用加宽的三轴搅拌桩裙边加固，加固宽度最小处为11.6 m，比B点处宽4 m，实测C点挡墙最大水平变形比B点减小24%，坑外地表变形较B点减小15%.

对基坑被动区土体进行加固是通过提高坑内土体抗变形能力，控制基坑变形的有效措施.实际工程中可以根据需要调整加固土体的范围，以达到相应的变形控制目标.实践表明：坑内加固一般可以减小基坑自身和周边环境变形10%～30%.

3 结 论

通过对多种支护挡墙厚度和坑内加固形式对基坑变形的影响进行有限元数值分析，并与实测变形结果对比，得出不同挡墙厚度和被动区土体加固形式与控制基坑支护结构及周边环境变形效果之间的数值关系.

（1）当支护挡墙厚度增大20%～25%时，可使基坑及周边环境变形减小10%～20%.

（2）设置坑内被动区土体加固相比未设置的情况，基坑及周边环境变形可减小10%左右，且随着加固体宽度增加，控制变形效果也增强.

以上分析结果可为类似基坑工程提供参考.

［1］ 俞建霖，赵荣欣.软土地基基坑开挖地表沉降量的数值研究［J］.浙江大学学报（自然科学版），1998，32（1）：95-101.

［2］ 易坤津.上海地区与宁波地区软土工程特性分析［J］.浙江建筑，2012，29（5）：30-32.

［3］ 刘国彬，王卫东.基坑工程手册［M］.2版.北京：中国建筑工业出版社，2009.

［4］ 李佳川.软土地区地下连续墙深基坑开挖的三维分析及实验研究［D］.上海：同济大学，1992.

［5］ 贾坚.软土时空效应原理在基坑工程中的应用［J］.地下空间与工程学报，2005，1（4）：490-493.

［6］ 张宇捷，李俊才，陈志宁，等.软土基坑中被动区加固对周围环境的影响［J］.施工技术，2009，38（11）：91-93.

［7］ 徐中华.上海地区支护结构与主体地下结构相结合的深基坑变形性状研究［D］.上海：上海交通大学，2007.

［8］ 王卫东，徐中华，王建华.上海地区深基坑周边地表变形性状实测统计分析［J］.岩土工程学报，2011，33（11）：1659-1666.

（编辑 俞红卫）

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

刘立东（1978-），男，高级工程师，主要研究方向为岩土工程与结构工程的设计与研究.E-mail：icedriver＠126.com