深基坑围护结构侧向变形空间效应分析

刘继军

(中设设计集团股份有限公司 南京市 210014)

0 引言

深基坑是一个具有长、宽和深尺寸的三维空间结构。传统二维平面应变设计方法并未考虑围护结构纵向空间效应的影响。大量文献研究成果表明，深基坑连续墙中央范围的土压力和位移值均大于基坑端部一定范围的土压力和位移值，基坑两侧边的侧向变形存在明显的三维空间效应，抑制了基坑端部区域的土压力和位移的发展。

以深圳市地铁7号线上黄木岗地铁车站基坑为例，建立基坑三维数值计算模型对基坑开挖的各个阶段进行模拟，分析基坑在纵向和深度方向上的侧向变形空间效应特点，通过样条插值方法计算全深度范围内侧向变形分布不均匀系数。为支护结构设计提供参考。

1 工程概况

1.1 工程概况

黄木岗站为深圳市地铁7号线工程的中转站之一，本站为地下三层岛式站台车站，采用明挖顺作法施工，总长约200m。车站围护结构基坑主体标准段开挖深度约26m，宽度约20m。

1.2 工程地质与水文情况

经勘查拟建场地土的类型为软弱土～岩石。按成因类型、土层结构及其性状特征共划分为6层，各土层厚度及物性参数见表1。

表1基坑土体物理力学指标

1.3 围护结构设计方案

围护结构采用厚度为800mm的地下连续墙围护结构，由于连续墙嵌固深度内土质较好(微风化岩)，嵌固深度为基坑设计深度以下6m，基坑所处地区地下水位较浅，考虑到地下水主要集中在上部素填土中，水量较小可以疏干，对基坑影响较小。基坑共6层内撑，各层内撑的竖向间距分别为1m、6m、5m、5m、3m、3m，混凝土支撑水平间距为6m，钢支撑水平间距为3m。支撑与锚杆系统采用的是对撑、角撑结合边桁架支撑形式。

2 有限元模型建立

2.1 模型概述

基坑采用FLAC3D有限元软件模拟，其三维有限元模型考虑了土层的分层情况、开挖的工况以及墙土接触面等。有限元三维模型尺寸为200m×110m×112m，如图1所示。

计算模型在x=200m、y=110m、z=0m处均只约束边界面的法向自由度，z=112m处为地表。由于采用的是人工对称切断面边界，计算前必须对模型设置一个初始条件来使模型网格单元在初始状态下就获得初始地应力。土体采用8节点6面体(brick)单元模拟，开挖过程利用空模型(null)来实现。土体本构模型采用适合场地开挖模拟的弹性-理想塑性模型(材料刚度为常数)Mohr-Coulomb(MC)。

2.2 支护参数

连续墙也采用8节点6面体单元模拟，水平梁支撑采用梁(beam)单元模拟。考虑到工作状态下的微裂缝影响，将C30混凝土刚度乘以0.85的折减系数后带入计算，坑边x=100～100.8m和y=10～10.8m处为两道连续墙。6层内撑中第1层为1m×0.8m的C30钢筋混凝土支撑，其他5层为Φ609mm×16mm的钢管支撑，Q235强度，钢支撑的预加轴力取初次计算轴力的60%。支护结构状况如图2所示。

2.3 接触状况与工况说明

计算过程中为了能够更好地反映连续墙的侧向变形需要考虑连续墙与周围土体的接触状况。模型中分别建立了连续墙与基坑内外及底部土体之间的接触，接触参数如表2所示。

表2 墙土接触面参数

3 基坑侧向变形计算结果与分析

3.1 深度方向侧向变形空间效应

模型的水平和深度方向位移主要集中在连续墙以及连续墙背后的土体区域，远离基坑的区域位移值较小。

从图3中可以很明显地看出连续墙在长边上发生了不均匀变形，在中间位置有较大的向坑内凸起的趋势，而在基坑端部这种趋势较弱(这是由于基坑拐角刚度强化效应有效限制了基坑角点连续墙的侧向变形)，最大侧向变形为-8.63 mm。同样从图4中可以看出连续墙短边也有类似的变形趋势，侧向变形空间效应显著，最大侧向变形为-4.08 mm。

3.2 纵向侧向变形空间效应

图5和图6分别是连续墙长边和短边在各自全长上的侧向变形曲线。从图5可以看出每条曲线的共同特点是在基坑中部先维持一段长度的近似直线段后在基坑端部转变为曲线，然而图6中各图线除了中央一小部分区域外基本上都处于曲线状态，这表明长边和短边变形规律存在差异，在基坑纵向上连续墙的侧向变形更接近平面应变假设。同时以图10中深1 m和深15 m的曲线为例，深1 m时直线段大约维持80 m，深15 m时直线段大约维持65 m。由此可见基坑长边长度和连续墙深度都会对基坑纵向侧向变形空间效应影响。

3.3 不均匀系数分析

3.3.1不均匀系数概念

为了对空间效应影响范围作出准确描述，现定义侧向变形不均匀系数k为侧向变形曲线段对应的连续墙长度与连续墙总长(这里的总长针对的是1/4模型)的比值，并以此反映某深度下侧向变形空间效应程度。

k=ls/l

其中：ls为变形曲线段长度；l为连续墙总长。

表3是根据图5和图6中曲线段对长边和短边计算得到的k值。

表3 长短边部分深度位置k值

3.3.2三次样条插值

由于表3中只代表了部分深度下的k值，对于其他位置，例如各横撑处、坑顶、坑底、对应主体结构各楼板处等位置k值大小我们也需要了解。如果在计算时在以上各个位置均设置一排监测点则显得过于麻烦。这里采用三次样条插值方法(这种方法细节这里不作介绍)，以表3中的数据作为插值点，采用自然边界条件计算不均匀系数k与基坑深度h之间的关系，长边计算结果如上述公式。对于短边计算方法相同。

至此我们可以对基坑全深度范围内的不均匀系数进行计算并依此反推出变形曲线段(空间效应影响区域)长度为100×k(h)。例如在第四道横撑处h=17.5，将h带入k(h)的h∈[15,20]段可以计算出k(17.5)=0.413，由此可以反推出基坑两端变形曲线段长度为100×0.413=41.3 m，也就是说基坑在第4道撑处有必要对基坑两端各41.3 m范围内的支护参数和形式进行调整以更好适应侧向变形。类似的我们还可以求出坑顶、坑底、刚性铰、其他横撑处的影响区域长度。根据此计算结果可以为支护结构提供设计参考。

4 结论

结合实际工程通过三维数值模拟的方法来研究深基坑围护结构侧向变形空间效应问题，取得了一定成效。具体如下：

(1)侧向变形在纵向和深度方向上均存在空间效应，长边和短边的空间效应效果不同。

(2)深基坑由于侧向变形空间效应的影响，基坑工程侧向变形监测时须明确变形的大小、监测位置以便更好地进行支护结构和参数的设计、施工。

(3)长大深基坑在纵向存在空间效应，可采用样条插值法计算不同位置不均匀系数k，再反推出基坑两端空间效应影响区域长度。当计算结果相对连续墙总长较小时可以采取单一支护参数。当计算结果不可忽略时建议对端部附近区域的支护参数和支护形式进行单独设计。