深基坑中新型双排复合支护结构的三维空间有限元分析

仇建春+房彬+曹睿哲+周明明+田始光

摘要：将两种或两种以上的支护结构组合成复合支护结构，应用于复杂软土地基深基坑工程已受到许多研究与设计人员的关注，以确保工程的安全、稳定及经济性。针对目前关于将地下连续墙与钻孔灌注桩及高压旋喷桩联合成新型双排复合支护结构的研究较少，本文以某软土深基坑工程为例，设计采用了该新型双排复合支护结构，基于三维弹塑性有限单元法对深基坑工程的分层土体开挖与降水展开数值模拟，通过分析该新型双排复合支護结构的结构性能及深基坑开挖对周围环境的影响，验证设计方案的有效性，为该类型的复合支护结构在深基坑工程中的应用和推广提供有益帮助。

关键词：复合支护结构；钻孔灌注桩；地下连续墙；高压旋喷桩；有限单元法；位移

中图分类号：TU432文献标识码：A文章编号：

16721683（2017）06015708

Abstract：The composite supporting structure which consists of two or more kinds of supporting structures has received much attention from researchers and designers，and has been applied in complex softsoil deep excavation engineering to ensure the safety，economy，and stability of the engineeringConsidering there are few studies on the newtype doublerow composite supporting structure which consists of diaphragm wall，bored pile，and high pressure jet grouting pile，we took one soft foundation pit engineering as a case study，and designed the newtype doublerow composite supporting structureUsing the threedimensional elastoplastic finite element method，we conducted numerical simulation of the stratified excavation and precipitation of the engineeringThrough the analysis of the structural performance of the newtype doublerow composite supporting structure and the influence of excavation on the surrounding environment，we verified the validity of the designThis research can provide help to the application and popularization of the newtype composite supporting structure in deep excavation engineering

Key words：composite supporting structure；bored pile；diaphragm wall；high pressure jet grouting pile；finite element method；displacement

随着沿海城市经济与社会的发展，高层建筑、地铁、隧道、水利工程等迅速发展，其中，软土深基坑开挖与支护工程受到广泛的关注和研究[13]。由于强度低、含水量大、压塑性和流变特性显著的特点，软土深基坑工程中支护结构的设计不当将导致支护结构变形过大、周围地表或建筑物变形过大等情形，影响着基坑工程乃至周围环境的安全与稳定性，甚至造成人民生命和财产的损失。常用的支护结构包括地下连续墙、灌注桩、钢板桩、土钉墙、锚杆或喷锚等，考虑到软土深基坑工程的特点，单一的支护结构型式可能无法满足实际工程的需要，将两种或两种以上支护结构组合成最佳的复合支护结构体系已逐渐受到研究和设计人员的广泛关注，以达到软土深基坑工程安全稳定、经济和技术合理的目的[48]。截至目前，关于地下连续墙与钻孔灌注桩加高压搅拌桩的联合双排复合支护结构在深基坑工程中应用研究较少，设计研究认为该种复合支护结构不仅具有不需内支撑、节省地下空间资源和缩短施工周期的作用，还兼具止水和围护的双重功效。某河道地处软土地区，工程地质与环境复杂，且地下水位较高，现拟建一座大型景观水闸，面临着深基坑降水与开挖工程问题，基坑最大开挖深度达到136 m，且深基坑工程附近存在多幢高层建筑。由于基坑开挖平面尺寸较大，且开挖完后进行闸室段施工，内支撑的支护结构型式不适合该深基坑工程。综合工程现状，且地下水位较高，研究人员在基坑南侧（该侧有多幢建筑高楼）设计采用该种新型双排复合支护结构，在满足基坑工程安全与稳定性的基础上，希望通过该种新型双排复合支护结构的应用以丰富工程经验并进行推广。工程施工开挖前，需研究并探讨支护结构的设计合理性，本文基于三维弹塑性有限单元法[911]，通过模拟工程中的分层开挖与降水[12]，研究分析该新型复合支护结构的结构性能及深基坑开挖对周围环境的影响，以此对设计方案的有效性作先期检验与校正。第15卷 总第93期·南水北调与水利科技·2017年12月

仇建春等·深基坑中新型双排复合支护结构的三维空间有限元分析

1数值模型

11工程概况endprint

某地准备修建一座景观闸，该地为软土地区，修[HJ]建前闸室段面临深基坑开挖问题，基坑开挖平面尺寸为350 m×600 m，其中横河向长度为600 m，顺河向长度为350 m。由于工程采用底轴下卧式闸门，闸室段分低侧与高侧两段，两段顺河向长度均为175 m。闸室段低侧基坑底高程为-06 m，闸室段高侧基坑底高程为15 m，由于基坑顶侧土体高程为130 m，故最大开挖深度达136m。整个水闸工程中基坑开挖段设计长度较大，包括闸室段、上游连接段及下游连接段，其中闸室段先开挖后即进行闸室的相关施工，为此本文分析闸室段基坑开挖对支护结构的结构性能及周边环境的影响，图1给出了基坑开挖线图。该基坑工程地下水位较高，水位达90 m，考虑基坑开挖深度较大，且基坑南侧有多幢高层建筑，分别为2层、6层、7层、11层高楼。为保证深基坑工程及周围环境的安全与稳定性，基坑南侧设计采用了联合地下连续墙与钻孔灌注桩及高压旋喷桩的新型双排复合支护结构，图2和图3分别为该复合支护结构平面图及纵向剖面图。闸室段近基坑侧第一排支护结构为钻孔灌注桩与高压旋喷桩的组合结构，该段高程70 m至90 m浇筑成整体式冒梁结构，以增强该部位的整体性与结构强度。高压旋喷桩打入到基坑底部以下3～4 m深度至高程-45 m，与钻孔灌注桩结合可发挥钻孔灌注桩的挡土功能及高压旋喷桩的止水功效，有效地节省了材料与工程费用。在此基础上，通过隔墙将第一排支护结构与第二排地下连续墙连接，整个双排复合支护结构与其内部的土体形成半重力式结构，加上地下连续墙的较好的防渗效果及高压旋喷桩的止水功能，该新型双排复合支护结构可以依靠自身承受基坑施工过程坑内外的水土压力，且具有整体刚度大、抗渗性能好、有效降低基坑变形的特点。基坑北侧设计采用锚拉地下连续墙的支护结构，本文仅对新型双排复合支护结构作研究，故不作介绍。

12模型简介

为验证设计方案的有效性及合理性，考虑到三维弹塑性有限单元法可模拟复杂软土地基下深基坑工程的施工过程，本文首先基于大型有限元建模软件Hypermesh软件建立该深基坑工程模型，然后采用大型商业有限元软件ABAQUS展开数值模拟分析。研究发现软土深基坑中坑外土体沉降最大影响范围达4倍基坑开挖深度，由于基坑开挖最大深度达136 m，且基坑南侧有多幢建筑高楼，为此，自支护结构向南侧延伸830 m，向东侧、西侧、北侧、下侧延伸550 m，模型尺寸为300 m×210 m×78 m，基坑数值模拟的网格图见图4，图中可见深基坑位置及南侧多幢建筑高楼。由于钻孔灌注桩为圆形且直径为1 m，为简化模拟，按照刚度等效的原则将钻孔灌注桩模拟为边长为0876 m的正方形钻孔灌注桩，图5为该工程采用的新型复合双排支护结构的数值模拟图。整个基坑工程数值模型，由227 767个单元组成，其中土体、地下连续墙、钻孔灌注桩及高层建筑均用三维八节点单元C3D8模拟，模型四周施加水平约束，底边界施加固定约束[1315]。

13本构模型及力学参数

对于土体的模拟，本文采用理想弹塑性MohrCoulomb本构模型，对于各土层的弹性模量，表1列出了《岩土工程手册》中的弹性模量与压缩模量经验关系表，以此为参考，基于各土层的压缩系数，确定各层土的弹性模量与压缩模量的比例关系，则各层土的勘测参数和物理力学参数见表2。地下连续墙、钻孔灌注桩、高层建筑的刚度较土体刚度大多个数量级，本文采用线弹性模型展开模拟。地下连续墙及钻孔灌注桩的强度等级为C30，考虑到刚施工不久，为安全考虑其影响，其弹性模量乘折减系数08，取为24 GPa，泊松比为02。多幢建筑高楼按照实体材料进行模拟，按混凝土强度等级C25考虑，弹性模量取为28 GPa，泊松比为02，高楼的载荷大小按照设计方考虑，取每层楼20 kmm2大小考虑。高压旋喷桩不仅发挥着止水的功效，且对土体具有加固作用，而设计及施工中高压旋喷桩[1617]的抗压强度Fcu=3 MPa，则对应加固土体部位的弹性模量取Fref=126Fcu=378 MPa，泊松比取为02。

此外，钻孔灌注桩、地下连续墙、建筑高楼与土体在材料属性上有较大的差异，随着基坑开挖与降水的进行，墙土间可能会发生相对较小的移动，有必要考虑两者间的接触问题并展开模拟[1820]。ABAQUS软件中有面面接触模型模拟墙土间的接触特性，包括两个主要特性，即接触面间的法向特性与接触面间的切向特性。本文采用理想硬接触算法模拟墙土间的法向接触，不允许墙土间发生穿透位移。

墙土接触面间切向摩擦采用理想弹塑性库伦摩擦模型模拟，在墙土接触面产生相对滑动前，接触面上的总剪切应力

τd=[KF（]τ21+τ22[KF）]（2）

式中：τd为总剪切应力；τ1及τ2分别为接触面上两个相互垂直方向上的剪切应力。

而接触面间的滑动摩阻力τh与法向接触应力p成正比：

τh=μp（3）

式中：μ为墙土接触面间的摩擦系数。

当接触面上的总剪切应力超过滑动摩阻力时，墙土间即会产生相对滑动。对于滑动摩阻力与接触面间相对位移的关系，本文采用罚函数法实现接触面间的切向接触，该算法允许墙土接触面间出现较小的相对滑动。

对于墙土接触面间的摩擦系数及允许相对滑动，参考地质资料及国家建筑桩基技术规范取值，见表3。而墙土接触面间的相对滑动较模型的单元尺寸小许多，对计算结果影响较小，本文允许相对滑动取为10 mm。

14模拟方案

为确保基坑工程的安全，需研究该深基坑工程在不同开挖深度下支护结构的变形、墙后地表沉降及高楼沉降等，以与实际施工过程中进行比较分析并反馈设计与施工人員。对于基坑工程中地下水位，由于地下连续墙及高压旋喷桩的防渗性能，加上实测监控墙后地下水位并可及时采取措施，墙后地下水位保持90 m。每次开挖前，对坑内进行降水处理，为保证顺利开挖，水深降至对应开挖步以下05 m。考虑到基坑最大开挖深度达到136 m，且河道型基坑呈凹形，综合设计与施工要求，对该深基坑分四次开挖，各层土体开挖厚分别为45 m、30 m、30 m、31 m，对应开挖土层底高程分别为85 m、55 m、25 m、-06 m。endprint

支护结构上的水土压力采用目前常用的水土分算方法[12]，该方法中作用在支护结构上的侧向压力由土体的有效应力及孔隙水压力组成，地下水位以下的土体取浮容重，地下水位以上的土体采用饱和容重，作用在支护结构上的水压力通过直接施加三角形分布荷载模拟。

2计算结果

21支护结构位移分析

支护结构的位移是评判其力学性能的重要指标，由于开挖卸荷的影响，支护结构将产生向基坑方向的水平向位移，且随着基坑开挖深度的增大而逐渐增大，图6为基坑开挖至底部时支护结构的水平向位移。由于该双排复合支护结构的空间特性及在深基坑中的位置，可看到第一排灌注桩的最大水平向位移位于基坑中部位置，达448 mm，第二排地下连续墙的水平向位移最大达449 mm。随着距主基坑段的距离加大，支护结构的水平向位移逐渐减小。由于隔墙的连接作用，支护结构隔墙两端（高程90 m）的灌注桩及地下连续墙的水平向位移相差较小。

由于基坑开挖过程中未设置内支撑体系，依靠结构自身抵挡坑内外水土压力，因此该复合支护结构的水平向位移类似于悬臂梁变形，最大水平向位移位于支护结构顶部。图7及图8分别为第一排灌注桩断面A及第二排地下连续墙断面B的在不同开挖深度下的水平向位移，由图可见纵墙变形整体倾斜趋势，且水平向位移随基坑开挖深度增大而增大，最大水平向位移均位于墙顶位置，断面A与B的水平向位移最大值分别为448 mm和449 mm。在纵向方向上，地下连续墙水平向位移随着高程的降低而逐渐减小，由于隔墙增大了支护结构上部的刚度，支护结构上部位置水平向位移减小的趋势较小，而下部位置水平向位移减小的趋势较大。

对于支护结构的竖直向位移，由于开挖卸荷的影响，基坑会发生回弹现象，地下连续墙也将发生竖直向的位移，其中断面A与断面B的竖直向位移最大，图9为所示断面在不同开挖深度下的竖直向位移。开挖深度在105 m前，由于基坑回弹两断面的竖直向位移逐渐增大，开挖最后一层土体时，由于其水平向位移增大及支护结构整体向基坑倾斜的作用，断面A 的竖直向位移有一定的减小，而结构的整体变形协调导致断面B的竖直向位移继续增大，最大竖直向位移达134 mm。

参照《GB 504972009建筑基坑工程监测技术规范》，结合该深基坑工程，该支护结构的最大允许水平向位移及最大允许竖直向位移分别为40～50 mm、25～30 mm，因此支护结构的位移均在规范允许范围内。

22墙后地表沉降分析

基坑开挖卸荷不仅导致双排复合支护结构水平向位移，还将引起坑内土体回弹隆起的现象，在支护结构侧向变形及土体回弹隆起的共同作用下，墙后土体也将发生变形，其中墙后土体沉降是评价基坑开挖对周围环境影响的重要指标。研究认为[21]，墙后地表沉降分为三角型和凹槽型两种形态。后续开挖引起的支护结构下部水平向位移增大较快时，墙后地表往往表现为凹槽型沉降，而前期开挖产生的水平向位移较大而后期产生的水平向位移较小时，墙后地表发生三角型沉降。为此，本文取图6所示的墙后地表3个断面作分析，图10至图12分别为墙后地表3个断面在不同开挖层次下的沉降曲线，三个断面墙后地表沉降均呈凹槽型。由图可见，地表沉降随着开挖深度的增大而逐渐增大，当基坑开挖至底部时，沉降达到最大，三个断面的沉降最大分别为-203 mm、-177 mm、-170 mm，其中墙后地表11断面沉降最大，且最大沉降位于墙后127 m，证明了附近高楼荷载对加大地表沉降存在着影响。参照《GB 504972009建筑基坑工程监测技术规范》，墙后地表沉降允许值为25～30 mm，因此墙后地表沉降在安全范围内。

23高楼位移分析

墙后地表的水平向位移及沉降将进一步带来附近高楼产生位移，过大的高楼位移将对附近居民的生命财产安全造成危害性的影响，因此对高楼位移展开数值模拟对确保及验证支护结构的安全有着重要的意义。考虑到离主基坑最近为11层高楼，且该建筑高楼最高，势必位移最大，也最具危险性，因此对其展开位移分析极具代表性。如图6所示，取11层高楼4个角点，表4、表5列出11层高楼角点J1至J4在不同开挖深度下的横河向位移及竖直向位移，可看出11层高楼4角点随着基坑开挖深度的增大而逐渐增大，其中角点J1的横河向位移最大达到2053 mm，沉降最大達到1600 mm。参照《GB 50497-2009 建筑基坑工程监测技术规范》，墙后地表沉降允许值为10～60 mm，且最大不均匀沉降允许倾斜为02%，由于J1与J2的距离为156 m，且两位置处沉降分别为160 mm、103 mm，则其倾斜度为1497 mm156 m=0096%，因此在安全允许范围内。endprint