数值分析逆作法深基坑差异沉降规律

胡春杰，程 桦，曹广勇

（安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥　230022）

数值分析逆作法深基坑差异沉降规律

胡春杰，程 桦，曹广勇

（安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥230022）

地连墙和柱作为最重要的基坑支护结构，在深基坑开挖施工过程中，地连墙与柱的差异沉降将直接影响到整个深基坑的安全。本文采用MIDAS/GTS有限元分析软件模拟分析了基坑的整个逆作法开挖过程，分析了地连墙与立柱的沉降规律。研究表明：地连墙与柱之间的最大差异沉降大于相邻柱之间的沉降，地连墙与柱之间最大沉降差异值为4.09 mm，小于规范20 mm以及1/400柱距；随着开挖的进行地连墙与柱是先隆起再沉降。计算结果对基坑施工中地连墙与立柱的沉降控制提供了宝贵的依据，有助于提高整个基坑施工的安全。

差异沉降；逆作法；深基坑；有限元分析

0　引　言

随着大型建筑在中国各大城市的崛起，建筑深基坑工程呈现出在规模和深度上逐渐增大的趋势。采用传统的顺作法施工技术难以满足工程施工的要求，而采用逆作法施工技术就具有独特的优势。相比顺做法，逆作法具有缩短施工总工期、对相邻建筑物影响小、保护环境等优势［1］。

逆作法施工早已受到许多专家学者的关注，目前主要研究的问题有：逆作法施工对周围建筑的影响，地连墙的变形规律，立柱与地连墙的差异沉降等。刘洋运用PLAXIS软件通过对超深基坑支护结构的数值模拟，分析了基坑开挖、土体卸载、支撑安装对基坑变形的影响［2］。孙杨波采用ANSYS数值分析软件分析了基坑开挖过程地下连续墙随着施工进展的水平位移变化［3］。谢小松、游建平等通过数值模拟分析，得出立柱的隆沉与基坑土体的回弹有密切的关系，距地连墙越远，立柱的沉降量越小［4］。目前，逆作法在东部沿海地区应用较广泛，而在合肥应用较少。合肥地区土质多为膨胀土，与东部地区软土有较大差别，施工过程中差异沉降规律也会不同。本文以合肥某紧邻地铁车站的大型深基坑为背景，采用MIDAS/ GTS有限元分析软件对基坑的整个开挖过程进行了数值模拟，分析了基坑在开挖过程中地连墙与柱以及相邻两柱之间的差异沉降规律。

1　工程实例

1.1工程概况

本工程基坑西侧、北侧与轨道1、2号线地铁站围护结构紧邻，地下结构与2号线地铁车站基坑深度基本相同，比1号线地铁车站基坑浅约6 m。基坑与西北向高29层的大楼相距约46 m，与东侧的高18层建筑的净距12 m，与南侧4层、7层居民楼近点相距5-8 m。围护结构均采用地下连续墙、十字钢板接头，盖挖逆作法施工。基坑南侧地下连续墙内、外侧采用三轴搅拌桩加固，东侧地下连续墙桩间采用高压旋喷桩止水帷幕加固，地铁1号线与2号线地连墙紧密相连，在接合面均采用注浆加固。总占地面积为8468 m²，总平面布置图如图1所示。

1.2工程地质

根据现场的钻探，原位测试及室内土工试验结果，按地层沉积年代，成因类型，将勘察最大深度60 m范围内的地层划分为人工堆积层，第四纪全新世冲洪积层和白垩纪基岩层共3层地层。各土层的岩土岩性如表1所示。

表1　岩土岩性参数

1.3围护结构

该大厦基坑的地连墙深约34.6 m，墙厚1 m，地连墙材料为C40混凝土；基坑开挖深度约23.6 m；水平支撑为各层浇筑的楼板，B0板厚度为400 mm，B1—B4板厚均为250 mm，底层底板厚为1000 mm；梁截面主要为800 mm×900 mm、900 mm×1000 mm；桩主要为直径为2 000 mm和直径为1400 mm圆柱桩；柱主要为直径为550 mm壁厚20 mm和直径为550 mm壁厚16 mm的钢管柱。

2　数值模拟

2.1计算假定

①：所用材料都认为是均质、各向同性的

②：地连墙、楼板、桩、柱都处于理想的弹性工作状态。

③：每次降水都在开挖面以下，忽略降水对模型计算的影响。

④：忽略支护结构施工对土体的扰动作用。

⑤：用在地连墙内增加内墙的方式来替代搅拌桩的加固效果。

2.2模型建立

根据该基坑工程的实际情况，以及相关的理论资料可知，基坑开挖的影响深度为开挖深度的2-4倍，影响宽度为开挖深度的3-4倍［5-6］。据此，取数值模型的长为300 m，宽为250 m，高为90 m。土体采用实体单元，梁、柱、桩采用梁单元，地连墙、楼板采用板单元。模型的地表面为自由面，底面采用三个方向（x、y、z）的约束，四周只在水平方向添加约束，由于基坑周围分布着大量的建筑，所以在基坑外还施加20 kPa的均布荷载。数值模型如图2所示。

图2　数值分析模型

2.3开挖过程模拟

在模拟基坑开挖过程中，MIDAS/GTS NX软件主要通过“激活”与“钝化”功能，主要的开挖模拟步骤如下：

（1）：采用明挖法开挖覆土层和负一层，覆土层层厚约1.5 m，负一层开挖深度为5.3 m，挖至负一层底时，施作负一层和负二层的顶板和梁。

（2）：暗挖负二层，负二层开挖深度为5.3 m，挖至负二层底时，施作负三层的顶板和梁。

（3）：暗挖负三层，负三层开挖深度为5.3 m，挖至负三层底时，施作负四层的顶板和梁。

（4）：暗挖负四层，负四层开挖深度为3.9 m，挖至负四层底时，施工负五层的顶板和梁。

（5）：暗挖负五层，负五层开挖深度为4.9 m，挖至负五层底时，施作负五层的底板。

3　数值计算结果分析

整个开挖过程可分为六个工况，工况一为覆土层开挖，工况二为负一层开挖，工况三为负二层开挖，工况四为负三层开挖，工况五为负四层开挖，工况六为负五层开挖，随着基坑的开挖以及围护结构的施工，土体和围护结构的受力发生变化，柱与地连墙的竖向位移也发生变化，其竖向位移云图如图3-8所示。

图3　工况一

图4　工况二

图5　工况三

图6　工况四

图7　工况五

图8　工况六

根据数值模拟计算的结果选取其中一条轴线的地连墙和柱作为分析对像，所选的地连墙与柱如图9所示。

图9　所选立柱的位置

表2　墙柱隆沉量/mm

图10　墙柱沉降量

由表2和图10可知：

（1）立柱的隆沉曲线呈现两种形状，在覆土层开挖阶段呈现为帽子状，在随后的施工阶段均呈现出“W”状。

（2）在覆土层开挖阶段，地连墙与柱均表现为隆起，且越接近基坑中心处柱的隆起越大，这是由于土体开挖造成了坑底土体的隆起，且基坑中心处的土的隆起比基坑周边大。同时，柱5和柱6都最靠近取土口，在取土口处，柱的密度低，对土的隆起限制作用较小，这就是覆土层开挖墙柱隆沉曲线呈帽状的原因。

（3）随着基坑的开挖以及楼板的浇筑，开挖负一层到负四层时，地连墙与柱均变现为沉降状态，可见上部的施工荷载和楼板的重力荷载在施工过程中对地连墙与柱的隆起阻碍作用明显，由上部荷载引起的柱的下沉量大于土体卸载引起的柱的隆起量，同时由于基坑中心处的土的隆起偏大，所以在上部荷载的作用下柱5与柱6的总沉降值相比于其他柱偏小，这就是负一层到负五层墙柱隆沉曲线呈“W”状的原因。

（4）开挖负五层时，柱3的沉降量最大，为12.88 mm，在立柱的隆沉曲线中，可以明显的看出在负五层开挖时，柱的沉降量增量相比于负四层偏大，这是因为负五层底板作用的效果，施做底板后可以有效地阻止底层土体的隆起。

由表3和图11可知：

（1）相邻柱之间的最大差异沉降发生在柱4与柱5之间，且随着工程施工的进行，该沉降差异值也随着增大，但在工况六时，该沉降差异值有所减小，最大的沉降差异发生在工况五，最大沉降差异值为1.8 mm，可见出土口的设置对相邻两柱之间的差异沉降产生了重要的影响。

表3　差异沉降值/mm

图11　墙柱沉降差异

（2）在工况六，柱4与柱5之间的沉降差异值减小到1.56 mm，可见底板的施工有助于减小柱之间差异沉降。

（3）从工况一到工况六，地连墙与相邻柱之间的差异沉降逐渐增大，地连墙与相邻两柱之间的差异沉降发生在墙9与柱8之间，为4.09 mm，远小于20 mm及1/400柱距［7］。

（4）从工况二到工况六，墙1与柱2之间的差异沉降都小与墙9与柱8之间的差异沉降，主要是因为墙9后是地铁基坑，墙9处的整体结构的水平刚度低于墙1处，墙1处的土体对差异沉降起到调节作用。

4　结论

本文以合肥某紧邻地铁车站的大型深基坑为背景，采用有限元分析软件MIDAS/GTS，用数值模拟的方法分析了深基坑开挖地连墙与柱以及相邻两柱之间的差异沉降情况，得出以下结论：

（1）采用逆作法施工时，地连墙与柱以及相邻两柱之间的差异沉降量都较小，最大差异沉降值也远小于20 mm。可见逆作法的施工工艺对竖向结构之间的差异沉降起到很好的控制作用。合肥地区多为膨胀土，与上海地区的软土有明显的差别，差异沉降规范限值仍需大量的工程实际数据作为参考。

（2）差异沉降与结构刚度有密切的联系，结构刚度越小，则差异沉降量越大。施工过程中应充分重视出土口处和地铁基坑侧的柱的沉降，必要时可适当增加支护，有利于减小差异沉降。

（3）本文仅对该深基坑工程作了数值模拟分析，数值模拟与工程实际可能存在偏差，施工过程必须根据施工现场的实际工况采取相应的施工措施，才能避免工程事故的发生。

［1］高广臣.青岛市地下街逆作施工过程及对周边建筑影响分析［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学,2010.

［2］刘洋.逆作法超深基坑支护体系有限元分析及应用研究［D］. 天津：河北工业大学,2007.

［3］孙洋波.软土地区深基坑工程逆作法数值分析及实测研究［D］.上海：同济大学,2006.

［4］谢小松, 游建平, 徐伟. 超大型深基坑工程部分逆作法施工过程三维有限元模拟［J］. 岩土工程学报, 2008（S1）：46-49.

［5］李辉,杨罗沙,李征,等.基于MIDAS/GTS对地铁车站超深基坑空间效应的研究［J］.铁道建筑,2011, （4）：83—85.

［6］刘建航,侯学渊.基坑工程手册［M］.北京：中国建筑工业出版社,1997.

［7］DGTJ61—2010,上海基坑工程技术规范［S］.

The Laws of Differential Settlement in Top-Down Construction Method of Deep Foundation Pit Analyzed with Numerical Simulation

HU Chunjie， CHENG Hua， CAO Guangyong
（School of Civil Engineering， Anhui Jianzhu Univerity，Hefei,230022，China）

The diaphragm wall and upright column areconsidered as the most important supporting structures of foundation pit, and the safety of deep foundation pit was directly infuenced by the different settlement among diaphragm wall and upright column during the pit excavation. Finite element software MIDAS/GTShas been applied to conduct a simulation analysis of the pit excavation with Top-Down method and to research the settlement laws of diaphragm wall and upright column. Analysis shows that the maximum differential settlement between diaphragm wall and upright columnhas been larger than the one between columns. The maximum differential settlement was 4.09mm, which is smaller than 20mm or 1/400 column spacing in the code, and the diaphragm wall and columns are frst uplift and then settledas the excavation proceeds. The results provides a valuable basis for the control of settlement of the diaphragm wall and upright column and can help to improve the security in the construction of foundation pit.

Differential settlement；Top-Down method；deep foundation pit；simulation analysis

TU473.2

A

2095-8382（2016）04-040-05

10.11921/j.issn.2095-8382.20160409

2015-12-10

胡春杰（1989—），男，硕士研究生，主要研究方向：地下结构工程。