软弱地基下深基坑工程的围护结构效应研究

李志成，王飞龙，张雪松，黄林冲

(1.长沙中大建设监理有限公司，湖南 长沙 410075；2.广州番禺职业技术学院，广东 广州 511483；3.中山大学 工学院，广东 广州 510275)



软弱地基下深基坑工程的围护结构效应研究

李志成1，王飞龙1，张雪松2，黄林冲3

(1.长沙中大建设监理有限公司，湖南 长沙 410075；2.广州番禺职业技术学院，广东 广州 511483；3.中山大学 工学院，广东 广州 510275)

软弱土地基下的深基坑工程具有较强的不确定性和综合性，其支护结构和围护结构的效应经常由各种因素综合影响而难以准确计算及测量。围绕软土深基坑工程的围护结构效应问题，根据在不同理论分析方法下对基坑开挖各个施工工况下围护结构的变形和弯矩进行分析，并引用正在开挖的一起软土深基坑工程案例，介绍基坑开挖过程中变形和弯矩的大小以及分布状态，通过与该工程的实际监测数据进行对比，得出基坑开挖不同工况下围护结构效应的相关特点，并强调对于软弱土地基的基坑工程需通过多种计算分析手段进行多重复核的观点，并以此结果来指导、预测以及评价基坑工程的变形和内力情况以及安全性等。

软土地基；深基坑；数值模拟；围护结构

随着经济的不断发展，城市规模不断扩大，即使繁忙的城市中心地区也仍不断有高楼拔地而起，因此基坑工程也相应随之增多，对基坑支护结构的安全性要求也越来越严格。因此，基坑工程的安全性评价由之前的强度控制逐渐转变为现如今的以变形控制为主[1]。然而，由于地表土层的复杂以及多样性，特别是软弱地基下，常常导致基坑围护结构在使用过程中由于变形过大而险情频出，基坑工程事故造成了巨大的经济损失和人员伤亡[2]。因此，如何使用静力解析和有限元数值分析等方法对基坑开挖过程进行模拟以获得围护结构变形和弯矩的大小以及分布特点等情况，对于预测基坑实际开挖过程中应力应变情况进行掌握以及作为安全性的评价依据具有重要意义[3-5]。

本文以佛山某正在开挖过程中的大型软土深基坑工程为项目背景，以开挖过程中的实际监测数据为依据，对地下连续墙和内支撑进行模拟研究，分别采用GEO5解析软件和MIDAS/GTS数值分析软件对基坑开挖得各个施工工况进行模拟[6]，比较不同设计方法下结构的位移变形和弯矩变化及分布情况，与实际监测数据进行分析比较，总结出地下连续墙在不同施工工况下变形和弯矩的变化特点。

1　工程概况

该大厦基坑占地面积约110×70 m2，位于佛山市新桂路东侧，振华路南侧，建设路北侧，拟建酒店及商住楼各1栋，24～28层(楼高约80～100 m)，框剪结构，裙楼4层，框架结构，拟采用桩基础；设有地下室4层，底板设计标高约为相对高程-14.90 m。各层土质情况见表1：

表1　土层及基本力学参数

由上述土层参数表可知该工程所在场地土质稍差，淤泥质土占据比例比较大，属于软土深基坑工程典型案例，在这种土质中进行深基坑设计及开挖，必须使用多种设计分析手段，综合的对该深基坑进行安全性评价和危险性评估，本文对该软土深基坑通过有限元软件和静力分析方法等多种方法，并根据实际监测数据与模拟分析的结果进行对比，达到多重手段综合使用，综合分析的效果。

2　深基坑计算分析模型的建立

2.1GEO5静力解析法

GEO5深基坑是国外的一款优秀的深基坑设计和分析软件，拥有较多的岩土问题模块，该软件一目了然地操作方式和全面的土质本构模型，使其在深基坑工程上的应用相当广泛[7-8]。

以本工程典型土层B～D阶段的钻孔ZK15～ZK19为例建立静力分析模型，采用弹性地基梁法进行计算，土层力学参数均按表1取值，并考虑地面超载20 kPa作用。地下连续墙加内支撑静力解析法的计算模型见图1所示。本计算模型将地下连续墙简化为竖直的弹性地基梁模型，并采用m法计算，基底以上墙体简化为受土压力作用的弹性梁支撑，支撑结构考虑弹性变形，内力用增量法累积。

图1　GEO5静力解析模型Fig.1 GEO5 static analysis model

2.2MIDAS/GTS有限元分析

本文针对该软土深基坑工程进行三维有限元数值模拟分析，采用MIDAS/GTS有限元软件建立三维数值模型。

模型单元选择：土体采用实体单元，土体参数按表1取值；地下连续墙采用板单元，截面宽度为800 mm，材料为钢筋混凝土；内支撑(1 000 mm×1 000 mm)、圈梁/冠梁(800 mm×1 000 mm)和立柱(700 mm×700 mm)均采用线单元，单元类型选用梁单元模拟，材料为钢筋混凝土单元。为简化计算，将土体材料模型简化为摩尔-库仑模型，支护结构计算模型为弹性模型[4]。

模型网格划分：在保证计算精度的前提下，此大型深基坑按照5 m的间距划分网格，便可达到计算精度的要求，计算边界取基坑在该方向上的3倍距离即可如图2所示，土体与支护结构要注意网格计算耦合的问题，网格划分如图3所示。

图2　有限元数值分析模型俯视图Fig.2 Finite element analysis model

图3　基坑MIDAS/GTS三维模拟图Fig.3 MIDAS/GTS 3D simulation model

2.3施工工况设置

对模拟该基坑的2种不同计算模型均采用施工阶段过程分析，设置相应的施工工况。具体施工步骤如下：

第1步：清除初始地应力的影响，使其在自重应力状态下应力应变为0。

第2步：模拟第1层土体开挖和第1道支撑系统架设的过程，即钝化第1层要开挖的土层，激活第一层内支撑和圈梁，由此计算土体和基坑的应力应变等情况。

第3步：模拟第2层土体开挖和第2道支撑系统架设的过程，即钝化第2层要开挖的土层，激活第2层内支撑和圈梁，在第2步的基础上计算土体和基坑的应力应变等情况。

第4步：模拟第3层土体开挖和第3道支撑系统架设的过程，即钝化第3层要开挖的土层，激活第3层内支撑和圈梁，在第3步的基础上计算土体和基坑的应力应变等情况。

第5步：模拟第4层土体开挖的过程，即钝化第4层要开挖的土体，得到最终应力应变等情况。

3　计算结果

通过对GEO5静力解析法和GTS有限元数值分析法的计算结果做对比，并以实际监测报告做基准验证模拟的准确性。

3.1变形分析

静力解析法计算出的各个施工工况下地下连续墙的墙身位移如图4(a)所示。用有限元数值分析计算的各个施工工况下墙身位移如图4(b)所示(模拟工况第一步的清除初始地应力不体现在图中)。选取实际监测报告中具有典型代表性的ZK18～19号位置的CX10孔的测斜监测数据为依据，其墙身实际变形如图4(c)所示。

CX10孔位置处的墙身位移在不同工况下的数值变化不一样，表2为各个工况下静力计算方法、有限单元数值分析法和实际监测的变形最大值及其最大值分布位置的对比。

表2墙身最大位移和分布位置

Table 2 Wall maximum displacement and location

m

由以上曲线可以发现3种数据的变形发展趋势大致相同，皆为手册所述的鼓肚子类型曲线[7]，且随着每个工况的进行，最大变形位移逐渐增大[8]，其位置也随之往下移动，最终定位在地下连续墙深度16～18 m区间的距离，这也与手册所述的有支护结构类型的侧向变形最大点发生在基坑底部1～2 m左右是相符的。提取各个施工工况结束时的地下连续墙最大位移值及其出现位置整合于如图5所示的曲线图之中，可清晰看到，随着基坑开挖深度的加大而变形也慢慢增大，且变形曲线斜率也大致相同，说明解析法和数值模拟法均可较为真实的模拟基坑开挖的变形趋势。

(a)实际监测；(b)解析法；(c)数值分析图4　地下连续墙的变形曲线Fig.4 Underground diaphragm wall deformation curve

图5　最大变形值及位置比较Fig.5 Comparison of maximum deformation and location

但对比3组数据可以发现静力解析法的变形偏小，数值模拟法次之，以实际监测变形为最大，且最大值的位置也不大一样，出现此结果的原因是因为在计算机模拟计算中没有考虑土体应力路径的问题，也没有考虑不均匀开挖、不均匀堆载以及在整个开挖过程中地下水位的涨落的影响，再者在深基坑开挖的漫长过程中多变的天气因素也对其侧向变形的影响是相当大的，因此计算的变形结果比实际的小，所以在基坑工程设计中，应充分考虑以上不利情况，对围护结构做足够的安全预留空间。

综合上述墙身变形曲线，在各个开挖工况下，由两种方法模拟的结果基本与实际相呼应，变形最大值以及变形分布特点基本相似，3种曲线均在坑底位置处出现“鼓肚子”变形，说明变形最大值均出现在坑底左右。而在坑底以下的变形都较小，因为坑底以下地下连续墙有较长的嵌固深度，且墙内外测都有水土压力，因此变形较小。区别较大的是解析法和数值模拟法在工况4时墙身不出现正位移，而实际监测的墙身在工况4时出现正位移，也就是俗称的墙身“后仰”，产生此现象是因为墙身刚度较大，墙身在坑底位置处出现“鼓肚子”(大负位移)时，由于墙身的连续性使得坑底以上墙体必须往坑外土体移动，墙身出现内力重分布并由此来减小自身的内力。而静力解析法和数值模拟法均在理想的计算模型中进行计算，只考虑墙身在主动土压力作用下的效应，所以在此结果上有所区别。但这并不影响以上两种计算方法在基坑开挖过程中围护结构变形计算的正确性。

3.2弯矩分析

GEO5静力解析法求解的在ZK18～19号位置的CX10孔处的墙身弯矩如图6(a)所示；用MIDAS/GTS分析模拟计算的墙身弯矩如图6(b)所示；有限元法计算的整个连续墙弯矩的分布云图如图7所示。

(a) GEO5；(b) GTS图6　地下连续墙的计算弯矩Fig.6 Underground diaphragm wall moment result

图7　围护结构的弯矩分布云图Fig.7 Bending moment nephogram of retaining structure

由图6可以看到不同计算方法下，墙身的弯矩分布情况基本相同，并与有限元法的整体支护结构弯矩分布云图相对应；但比较二者的计算结果可以发现静力解析法求解的结构弯矩比有限元数值分析法求解的弯矩小。

地下连续墙的墙身弯矩在工程上比较难以准确测得，但其大小及其分布可以比较吻合的反映深沉土体位移，并通过墙身侧向变形体现出来。综合以上分析结果，绘制弯矩分布曲线如图8所示，采用解析法的墙身最大弯矩出现在开挖面处，并随开挖面的加深而渐渐下移，最终停留在开挖面附近处；采用数值分析法的墙身最大弯矩出现在开挖面以下1～2 m左右，也随着开挖过程而渐向下移动，最终最大弯矩停留在坑底下1 m左右。各个施工工况不同计算方法下的弯矩曲线如图8所示。

(a)工况1；(b)工况2；(c)工况3；(d)工况4图8　各个工况下墙体的弯矩图Fig.8 Underground diaphragm wall moment result at each stage

4　结语

1)在进行深基坑支护结构设计时，采用计算机软件对结构进行模拟，应充分考虑基坑在不同施工条件下的变形情况，在经济的基础上预留足够的安全空间。

2)在基坑开挖时，应尽量按模拟的计划进行开挖，让结构的弯矩变化在模拟的预测范围之内，尽量减少由于不均匀开外而引起的土层附加位移。

3)采用GEO5基坑设计软件和MIDAS/GTS有限元分析软件均可以较为真实的模拟深基坑在不同工况下的变形和弯矩分布情况，但对具体结果还需根据工程经验做进一步的判断和调整。

[1] 李建.深基坑变形监测及变形机理与规律分析研究[D].西安：长安大学,2012.

LI Jian. The deformation monitoring and the research of the deformation mechanism and law for deep foundation pit [D]. Xi’an: Chang’an University, 2012.

[2] 黄茂松,王卫东,郑刚. 软土地下工程与深基坑研究进展[J]. 土木工程学报,2012(6):146-161.

HUANG Maosong, WANG Weidong, ZHENG Gang. A review of recent advances in the underground engineering and deep excavations in soft soils [J].China Civil Engineering Journal, 2012(6):146-161.

[3] 李云安,葛修润,张鸿昌. 基坑变形影响因素与有限元数值模拟[J]. 岩土工程技术,2001(2):63-68+85.

LI Yunan, GE Xiurun, ZHANG Hongchang. Factors influencing deformation of excavation pits and numerical simulation with finite element method [J]. Geotechnical Engineering Technique, 2001(2):63-68+85.

[4] 陈湘桂，张雪松，黄林冲. 连续基坑群开挖的影响效应研究，铁道科学与工程学报，2014, 11(1):87-92.

CHEN Xianggui, ZHANG Xuesong, HUANG Linchong. Effect research on the group foundation pits excavation [J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2014, 11(1): 87-92.

[5] 王石光, 黄林冲, 彭立敏, 等.软弱泥质页岩隧道衬砌受力特征探讨[J]. 铁道科学与工程学报，2005,2(3):61-65.

WANG Shiguang, HUANG Linchong, PENG limin, et al. Discuss of mechanics characteristic of tunnel lining at softening shale stratum [J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2005, 2(3):61-65.

[6] 孙景凤. 地铁车站基坑支护结构模拟分析及优化研究[J]. 市政技术,2012(3):131-133+136.

SUN Jingfeng. Research on simulation analysis and optimization of pit supporting structure for metro station [J]. Foundation & Structure Engineering, 2012(3):131-133+136.

[7] 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. 183-226.

LIU Jianhang, HOU Xueyuan. Excavation engineering manual [M].Beijing: China Architecture & Building Press, 1997. 183-226.

[8] 成琨,朱继文,戴慧丽. 宁波地铁深基坑的变形规律研究[J]. 中国市政工程,2013(4):80-82+98.

CHENG Kun, ZHU Jiwen, DAI Huili. A Research of deformation rules of metro deepfoundation pit in Ningbo [J]. China Municipal Engineering, 2013(4):80-82+98.

Effects of retaining structure at deep excavation engineering of soft ground

LI Zhicheng1，WANG Feilong1，ZHANG Xuesong2，HUANG Linchong3

(1.Changsha Central South University Construction Supervision Co., Ltd, Changsha 410075, China;2.Guangzhou Panyu Polytechnic, Guangzhou 511483, China;3. School of Engineering, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China)

The effects of the supporting and retaining structure of deep foundation pit engineering in soft soil foundation is difficult to be calculated and measured accurately，with its uncertainty and complexity. According to the analysis under different theoretical methods for various excavation procedures, this paper proposed the deformation and bending moment effects of the supporting structure, through a big soft ground deep excavation project, which is under construction. Together there was a comparison study with the site monitoring data. The structure characteristics in different excavation conditions were studied. The paper emphasized that the calculation of the deep foundation pit in soft ground needs to be analyzed through comprehensive methods and calculated, with different professional software programs. The results of this paper can be used as a guide, to forecast the deformation and internal forces, as well as the evaluation of safety and excavation projects.

soft foundation; deep foundation pit; numerical simulation; retaining structure

2015-12-19

国家自然科学基金资助项目(51108472，51678578)；广东省自然科学基金资助项目(2016A030313233)；广东省科技计划资助项目(2015A0202170004)

黄林冲(1980-)，男，湖北咸宁人，副教授，博士，从事土木工程安全与防灾方面的研究；E-mail: hlinch@mail.sysu.edu.cn

TU470

A

1672-7029(2016)09-1737-06