软土地区深大基坑分区开挖力学效应数值模拟

沈 玉 涛

(广西大学 土木建筑工程学院， 广西 南宁 530001)

软土地区深大基坑分区开挖力学效应数值模拟

沈 玉 涛

(广西大学 土木建筑工程学院， 广西 南宁 530001)

以上海世博地下变电深大基坑工程为背景，基于ABAQUS软件，通过二维弹塑性有限元数值模拟的方法，分析深大基坑的分区开挖力学效应，监测分析围护体测斜、水平位移、垂直位移、支撑内力、分层沉降、孔隙水压力分布等随时间变化规律。研究结果表明：深大基坑开挖施工会对周边环境产生影响，至支撑拆除期间，变化量在一个可控的范围内变动而且地表位置差异沉降较小，其余各监测项目沉降数据都比较稳定未发生较大的突变，周边环境以及基坑结构自身变形均处于受控状态。研究成果可为今后类似工程提供理论指导。

深大基坑；分区开挖；力学效应；二维有限元数值模拟

随着我国社会经济的高速发展，城市化进程不断加剧，为满足日益增长的城市出行、轨道交通换乘、商业、停车等日常生活服务功能的需要，各种高层建筑物、地下车库和地铁等建筑物大规模兴建。在高层建筑数量越来越多的同时，基坑工程向“大、深、紧”方向发展已经成为一种必然趋势[1]。

在我国沿海地区深大基坑工程的支护结构进行设计时，工程设计人员首先要考虑挡墙结构形式、支撑结构参数的选取以及如何处理相关设计参数等问题。深基坑支护结构的稳定性与基坑周边的变形受到很多因素的控制，例如：支护类型、支护体刚度、支撑道数、支护墙体的嵌固深度、土体抗剪强度参数、地下水渗流以及开挖施工方式等因素[2-3]。目前，国内外学者对深大基坑工程问题进行了大量的研究，取得了丰富的成果[4-9]。但大多数研究都是规模较小的基坑工程实例，对于现阶段在沿海地区出现的深大基坑工程很少有所涉及，并且基坑工程的地域性差别非常明显，各地区土层都有其自身的特点，不同地层下的基坑稳定性又呈现出不同的表现形式[10-11]。沿海软土地区土层特性条件下的基坑工程支护结构稳定性值得进一步研究。

本文在收集一些基础性基坑勘察报告及上海、宁波、杭州等地区实际工程统计资料的基础上，借助大型有限元数值模拟方法，以上海世博地下变电深大基坑工程为背景，分析深大基坑的分区开挖力学效应和围护结构的稳定性，为软土地区基坑工程的设计和后续施工提供一定的理论参考。

1 工程概况

已建的500 kV静安(世博)变电站，工程总投资近30亿元，占地约13 300 m2。变电站建筑设计为筒形地下四层结构。筒体外径130 m，埋置深度34.5 m(如图1所示)，它是我国目前城际供电网中最大的地下变电站，其建设规模居同类工程之首，也是世界上第二座500 kV大容量全地下变电站，国际上仅有日本新丰洲变电所(直径144 m，埋深29 m，500 kV)能与之媲美。

图1上海世博地下变电基坑工程效果图

基坑开挖深度为9.67 m，采用1000@1200灌注桩围护结构，桩长为18.8 m，桩顶标高为-3.1 m。计算时考虑地面超载20 kPa。基坑设计开挖深度取9.67 m。地面超载取值：基坑东侧为30 kPa；其余各侧为20 kPa。基坑南侧和北侧的北环西路和金型二路路面标高由东向西渐高，另行考虑道路超载。土体抗剪强度指标采用固快指标，根据本工程勘察报告适当折减后取值，各土层主要物理力学性质指标见表1。

表1 各土层主要物理力学性质指标

2 二维有限元模型构建

2.1 模型几何尺寸

为了贴合实际，本次建模完全按照工程实际尺寸进行模拟，定义模型的尺寸与支撑围护结构的示意图如图2所示。根据已有文献[12]，利用二维有限元得出，支撑水平间距在正常布局的情况下对基坑变形的影响可以忽略不计[13-14]。本文中考虑基坑开挖深度大于9 m深大基坑，并考虑分区分步开挖，有限元基本模型取Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类三种，分别对应于沿海地区地下连续墙支护体系基坑的A类、B类、C类。第一道支撑在开挖深度1 m处，支撑的竖向间距为h=5 m。基本模型中基坑的平面形状60 m×20 m。在计算模型中，根据地质勘察资料将渗透系数取值定为10-6cm/s。

图2深大基坑围护结构示意图

2.2 计算参数

基坑模型中土层的厚度取上海市区滨海平原区域土层厚度的平均值[15]。为了尽可能减小模型边界条件对基坑变形的影响，根据已有相关文献[12]，基本模型的几何尺寸取60 m×20 m。对于Ⅰ类基坑，地下连续墙厚度采用1 000 mm，支撑采用钢筋混凝土。数值模型中，土体参数取值与实际工程相同(如表1所示)，支撑材料参数如表2所示。

表2 有限元支撑模型结构参数

2.3 建立数值模型及边界条件

在所构建的有限元数值模型中，左右两边采用固定约束，而底边采用上下自由左右固定的约束条件进行约束，模型采用六面体单元，建模完成后，总共有27 549个单元，土体的计算模型采用摩尔-库仑模型，对基坑的左、右边界约束其水平与垂直位移及限制其转动的约束条件。根据工程实际情况，构建所得有限元数值计算模型如图3所示。

图3有限元数值计算模型

2.4 数值模型监测内容

在最终计算结果中，本文主要提取出了围护体测斜、水平位移、垂直位移、支撑内力、分层沉降、孔隙水压力分布等数据。主要监测位置如图4所示。

图4数值模拟监测位置示意图

考虑到结构的对称性，地表沉降仅监测到坑外左侧位置10 m处，孔隙水压力布置A、B、C、D四个监测点。围护结构在靠坑边界处设置A、B、C和D四个监测点，支撑内力主要考虑上下两个位置处的支撑内力。

3 数值模拟结果分析

通过计算可知，水平和竖向位移云图分别如图5～图8所示。明显可见，在分区开挖时，由于两个基坑都存在支护和围护结构，因而中间部分土体的变形并不明显，仅在基坑底部产生隆起值，而这种隆起值较最终状态下结果要小。拆除支撑开挖完全后，在开挖完成的深大基坑底部产生较大的隆起量，坑外地表由于地下连续墙围护结构和支撑的存在，变形并不十分明显，且支撑结构的变形也并不显著。

就结构受力而言(如图9～图13所示)，支撑与围护结构受力较明显，且支撑杆位于基坑边界处时受力最大，在支撑结构中心处力反而较小，这是由于坑外覆土对支撑产生的弯矩作用所致。而地下连续墙在最深处时受力较大，整体而言两边均呈对称分布。

图5 数值模拟监测位置示意图

图6 数值模拟水平位移云图

图7 数值模拟竖向位移云图

图8 围护结构的位移云图

图9 数值模拟分区开挖水平应力云图

图10 数值模拟分区开挖竖向应力云图

图11 开挖完成后水平方向应力云图

图12 开挖完成后总应力云图

图13围护结构的总应力云图

3.1 地表沉降分析

通过计算可知，地表沉降曲线图如图14所示。由图14可见，靠近基坑左边界处的地表沉降值较大，最大值约为5.2 mm，通过查询规范可知，在1倍深度范围内的变形容许值之内，在基坑施工时该地表变形量可以被接受，在距离边界大约7 m处(即横坐标为3 m处)时，地表沉降有一个突然地减小，但距离为8.7 m时，地表位置处几乎没有地表变形存在。

图14地表沉降曲线图

对于坑边界右侧的地表，可以根据对称性可知，呈对称反向分布。各监测点的变化量均未达到报警值，直至支撑拆除期间，各监测项目沉降数据都比较稳定未发生较大的突变。在基坑底板完成后数据已稳定。

3.2 地表沉降分析

坑外地层分层沉降变化规律如图15所示。与地表沉降曲线相比，坑外地层分层沉降与之相差不大，变形趋势几乎相同。在监测的第一层位置处，该层沉降明显偏小，这是由于该层土体位于黏性土层中，变形较其他地层小。而监测位置的第2、3、4层沉降相差不大，基本上在5 mm上下波动。这与地表沉降的变化规律互相吻合，且可以推断出在施工过程中，各监测点变化表现为普遍增大，增大幅度不大，地层分层沉降监测点累计变化量位于-5.8 mm～-3.5 mm之间。基坑开挖施工时，由于坑外地面距离较近，因而产生了一定的影响。

图15坑外地层分层沉降曲线

3.3 孔隙水压力分析

孔隙水压力分布如图16。整体而言，A、B、C、D点孔隙水压力呈不规则变化，开挖完成20 min～50 min发生剧烈变化，这是由于这段时间正好处于分区分步开挖过程中，孔隙水压力呈现出不稳定状态。这也从一个侧面反映出此时对于深基坑的开挖非常不稳定，处于最危险期。当开挖形成后，可以清晰地看到4个监测点的孔隙水压力逐渐趋于平缓，最终值分别为：A监测点为41 kPa；B监测点为59.3 kPa；C监测点为63.5 kPa；D监测点为72.1 kPa。

图16孔隙水压力变化规律

3.4 支撑轴力

开挖过程中，两道支撑的轴力随时间变化规律如图17所示。在施工开始阶段，支撑由于受到土体的主动土压力作用，突然变大。同样的在20 min～50 min之间过程中存在较大波动，分区分步开挖拆除支撑后，轴力变得不稳定呈上下跳跃趋势。当开挖完成后，地下连续墙的围护作用限制了坑边土体的向下滑移，支撑所受轴力逐渐趋于稳定。将两道支撑轴力对比可见，上道支撑受力较下道支撑大，这与实际施工相吻合。施工完成后，上道支撑最终轴力大约为23 kN，下道支撑最终轴力大约稳定在17.5 kN。

图17轴力随时间变化规律

3.5 围护测斜

围护测斜随时间变化规律如图18所示。由于施工后期稳定过程中围护墙体的变形依然在不断增加，故取施工完成后若干天的整体变形趋势。由图18可以发现，在开挖完成4 d内，围护结构的变形呈不断缓慢增加的趋势，并逐渐达到最大值。从第5 d开始，围护结构的变形逐渐趋于稳定，且A、B、C、D四个监测点的变形呈现逐渐增大趋势，这与现场检测结果相吻合。达到最终状态时，A、B、C、D四个监测点的最终变形分别为3.8 mm、5.1 mm、6.5 mm和6.9 mm。变形均处于规定范围内，可见整个施工过程中基坑均处于稳定安全状态。

图18围护测斜随时间变化规律

4 结 论

本文针对上海世博地下变电深大基坑工程施工过程进行了二维有限元数值模拟研究， 重点分析了围护体测斜、水平位移、垂直位移、支撑内力、分层沉降、孔隙水压力分布等结果。主要结论有：

(1) 深大基坑开挖施工时，会对周边环境产生一定的影响，但施工中各监测点的变化量均未达到警报值，直至支撑拆除，各监测项目沉降都较稳定未发生大的突变。在基坑底板完成后已稳定。

(2) 在施工期间，变化量在可控的范围内变动且地表位置差异沉降较小，其间未发生突变。顶板完成，各项监测数据变化均较小，周边环境以及基坑结构自身变形均处于受控状态。

(3) 本次监测点的变形速率得到了较好控制，对基坑自身以及环境保护起到很好效果，根据监测结果分析，基坑开挖施工对围护结构和周围不同区域产生了不同程度影响，围护结构受施工影响较大，因此变形相对较大；周围环境受施工影响较小。

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NumericalSimulationofMechanicalEffectforDeepandLargeFoundationPitExcavationinSoftSoilRegion

SHEN Yutao

(CollegeofCivilEngineeringandArchitectureGuangxiUniversity,Nanning,Guangxi530001,China)

Based on the deep foundation pit project of Shanghai Expo underground substation, the two-dimensional elastic-plastic finite element numerical simulation method is adopted to analyze the mechanical effect of excavation in deep and large foundation pit based on ABAQUS. Monitoring and analysis of retaining inclinometer and horizontal displacement, vertical displacement and internal force of supporting structure, layered settlement and pore water pressure distribution with time variation. The results show that the construction will have an impact on the surrounding environment of excavation of deep foundation pit, to support the demolition period, the variation of changes in a controllable range of position and surface differential settlement is small, the rest of the monitoring project settlement data are more stable and not the larger mutation, the surrounding environment and the structure of its foundation pit deformation are in a controlled state. The research results can provide theoretical guidance for similar projects in the future.

deepfoundationpit;districtexcavation;mechanicaleffect;two-dimensionalfiniteelementnumericalsimulation

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.06.005

2017-06-27

2017-08-01

沈玉涛(1979—)，男，广西南宁人，高级工程师，主要从事岩土工程勘察、设计及施工工作。 E-mail:21598025@qq.com

TU47

A

1672—1144(2017)06—0023—05