砂卵石地层深基坑开挖数值模拟研究

赵 涛，梁庆国，艾胜军，姜怀祖，马晓文，景文琪

(1. 兰州交通大学 土木工程学院，兰州 730070；2. 陕西铁路工程职业技术学院 城轨工程学院， 陕西 渭南 714000；3. 中铁二十一局集团轨道交通工程有限公司，济南 250000)

为了适应地下空间开发与交通隧道建设行业的发展需求，城市轨道交通工程的建设得到大力发展.目前，结合勘察设计、施工监测和开通运营情况，对车站深基坑开挖的安全及稳定性研究有了更加深刻的认识：基坑围护结构的水平位移、地表沉降和坑底隆起是现场施工中的重点监测内容[1-2].基坑开挖与临近构筑物之间的相互作用非常复杂，通过现场监测结果与数值模拟结果相互对比，能够有效地评价基坑安全稳定性[3-7].然而现场监测工作受限于复杂的施工因素，而且现场施工与设计之间往往也会存在一定差别，这给基坑开挖带来较高的风险与挑战.

当前，在深基坑开挖的安全稳定性研究方面，由于有限元法能适用各种非均质、各向异性材料以及众多复杂边界条件，可以借助其更好地解决非线性问题，因此有限元法在基坑开挖分析方面得到了广泛应用且取得了诸多重要成果[8-10].砂卵石地层结构因其颗粒间空隙大而无粘聚力、地层反应灵敏等特点，与粘性土地层相比，砂卵石地层结构的力学性质不够稳定[11-13]，可见砂卵石地层深基坑的工程特性研究对其周边构筑物安全意义重大.李建伟等[14]采用均匀设计与有限元相结合的方法，对砂卵石深基坑工程进行了实例验证，并证实了该方法对参数的可辨识性.由于基坑开挖是地层结构损失的一种形式，引起基坑支护结构变形及地面沉降等具有偶然性，会给砂卵石地层带来巨大的施工安全风险.鉴于此，本文基于MIDAS GTS NX软件，开展砂卵石地层深基坑的开挖及支护的数值模拟，分析基坑开挖过程中的地层位移、支护结构的变形及内力分布特性，以期为基坑开挖及支护安全施工提供理论支撑.

1 工程概况

该地铁车站总长613.1 m，标准段宽21.3 m，顶板覆土厚2.8～3.5 m，基坑深度17～19 m，主体沿南北向敷设，道路宽约40 m.车站西侧主要有住宅楼、五斗渠和电力隧道等.车站共设4个出入口，2个消防疏散口，4个风亭组，车站两端设置双线盾构始发井.

1.1 工程地质及水文地质

表1 土层分布情况

地勘资料显示场地地下水主要为：赋存于黏性土层之上填土层中的上层滞水、第四系砂、卵石层的孔隙潜水和基岩裂隙水等.在丰水期～平水期进行的详勘表明：地下水位埋深为5.5～7.5 m.

1.2 基坑开挖及支护结构

深基坑现场专项施工方案已经过专家组充分论证符合规范标准要求，基坑开挖及支护遵循“分层分段开挖、随挖随撑、支挖结合”的原则.基坑周边围护结构选用Φ1.2 m @1.5 m的钻孔灌注桩，埋入坑底深4 m，总长21.7 m.横向内支撑包括1道混凝土支撑和2道钢支撑，其中第一道混凝土支撑截面为1.0 m×1.0 m，第二、三道钢管支撑截面为Φ609 mm、

t=16 mm.各道内支撑跨中处设置0.8 m×0.8 m钢立柱，埋入坑底深8 m，总长24.7 m，纵向由钢筋混凝土系梁连接.基坑共分7次开挖，放坡系数为1∶1，距离基坑边缘3 m.先由机械开挖至槽底设计标高500 mm以上，然后采用人工(或人工加机械)清土至要求基底标高，采用挖掘机直接挖土装车外运，依次进行，最后进行验槽.

2 模型建立

2.1 模型尺寸

选取车站基坑21.3 m标准宽度，由钻孔剖面图获悉该处土层呈倾斜分布，基坑有限元模型如图1所示，共包括9 056个单元，8 714个节点，基坑开挖深度为17.7 m.考虑模型尺寸大小受边界效应的影响，根据有关基坑开挖影响范围经验值及相关研究的建议[15-16]：模型左右宽度各取3倍开挖深度，即54 m，总宽度为129.3 m；土层深度方向取2倍开挖

深度，即36 m，模型总高度53.7 m.在已划分完成的土层2D网格上采用“析取”功能建立钻孔灌注桩、立柱及支撑等1D梁单元.土层开挖通过“钝化”网格来完成，钻孔灌注桩等的施加是通过“激活”如上析取的1D梁单元来实现的.考虑岩土计算空间假定为半无限空间，边界条件为底部设置水平和竖直方向约束，两个侧面设置水平方向约束.

图1 有限元模型(单位:m)Fig.1 Finite element model (unit:m)

2.2 材料参数

表2 土层物理力学参数

2.3 计算工况

结合基坑开挖和支护施工过程中所有工序，模型中土层开挖及支护结构施作过程如下：

工况1：初始地应力平衡，位移清零.

工况2：施作钻孔灌注桩.

工况3：全断面开挖至-1 m，施作第一道混凝土支撑和立柱；同时放坡拉槽开挖中间土层至-3.5 m.

工况4：开挖工况3剩余两侧土体，同时放坡拉槽开挖中间土层至-6 m.

工况5：开挖工况4剩余两侧土体，同时放坡拉槽开挖中间土层至-8.3 m.

工况6：开挖工况5剩余两侧土体，施作第一道钢支撑；同时放坡拉槽开挖中间土层至-10.8 m.

工况7：开挖工况6剩余两侧土体，同时放坡拉槽开挖中间土层至-13.3 m.

工况8：开挖工况7剩余两侧土体，施工第二道钢支撑；同时放坡拉槽开挖中间土层至-15.8 m.

工况9：开挖工况8剩余两侧土体，放坡拉槽开挖中间土层至-17.7 m.

工况10：开挖工况9剩余两侧土体至标高-17.7 m，施作底板.

表3 支护结构材料参数

3 数值结果分析

3.1 基坑模型位移分析

3.1.1 地层竖向位移

提取基坑开挖各工况下竖向位移云图如图2所示，位移最大值随工况的变化棉棒图如图3所示，其中，(+)代表位移向上，(-)代表位移向下.由云图2和棉棒图3可知，钻孔灌注桩的施作使得桩周土体沿着竖直方向有2.5 mm的竖向沉降；在各工况下，竖向位移最大值出现在坑底，表现出坑底隆起现象.且随着基坑开挖深度的增加，坑底隆起不断增大，最后一层土中间拉槽开挖完成后隆起值达到28.9 mm，之后施作1 m厚的底板，坑底隆起有所降低.图3中的转折点足以说明，砂卵石地层基坑开挖至设计标高后及时有效地施作底板对于抑制坑底隆起具有重要作用.

图2 基坑竖直方向位移云图Fig.2 Vertical displacement cloud diagrams of foundation pit

图3 竖向位移最大值随工况变化棉棒图Fig.3 Cotton stick diagram of the maximum vertical displacement changing with working conditions

3.1.2 灌注桩水平位移

灌注桩桩身的水平方向位移可反映基坑横向净空间大小和基坑安全性，提取各工况沿桩身方向的水平位移，左侧钻孔灌注桩水平位移如图4所示，右侧钻孔灌注桩水平位移如图5所示.由图4和图5可知，左右侧钻孔灌注桩的水平位移曲线表现出较好的对称性，随着基坑开挖深度的增加，围护桩桩身的水平位移值不断增大.同时桩身水平位移最大值点随开挖深度而下移，基坑开挖完成后，最终位移最大值约位于桩长的二分之一处，左侧灌注桩的水平位移最大值为2.25 mm，位于桩身埋深11.8 m处；右侧灌注桩的水平位移最大值为2.94 mm，位于桩身埋深10.8 m处，出现上述左右侧桩水平位移值不相等的原因，在于模型地层是一种倾斜层状结构，基坑右侧土体较左侧相对密实，因而施加在右侧灌注桩的土压力相对较大，导致右侧桩的水平位移值相对左侧桩较大.

图4 左侧钻孔灌注桩水平位移Fig.4 Horizontal displacement of the left bored pile

图5 右侧钻孔灌注桩水平位移Fig.5 Horizontal displacement of the right bored pile

3.2 基坑模型应力特性分析

基坑开挖完成后土层的Mises应力云图如图6所示，总剪应力云图如图7所示.由图6可知，开挖后土层的Mises应力有成层分布特征，地表及基坑底部Mises应力数值相等，为1.21 kPa.由图7可知，基坑开挖完成后总剪应力在基坑两侧坡脚出现剪应力集中分布现象，且左右两侧对称，最大值为105.85 kPa，同时由云图可以看出在电力隧道的两侧拱肩及两侧拱脚均出现剪应力集中分布，五斗渠水工结构未表现出类似现象.根据以上分析，基坑结构设计和施工时，应重点考虑基坑开挖后剪切应力对基坑两侧边缘、电力隧道的两侧拱肩及拱脚的影响.

图6 基坑开挖完成后Mises应力云图Fig.6 Cloud diagram of Mises stress after foundation pit excavation is completed

图7 基坑开挖完成后总剪应力云图Fig.7 Cloud diagram of total shear stress after foundation pit excavation is completed

提取基坑土层的塑性状态分布如图8所示，等效塑性应变云图如图9所示.由图8可知，基坑开挖完成后，土层的塑性状态主要分布于基坑两侧及坑底局部范围，且左右对称分布，从地表距基坑边缘一定距离呈滑弧至基坑底部，同时在电力隧道附近有个别区域土体进入塑性状态.在进行基坑开挖施工过程中，应避免在地表基坑边缘一定范围内长时间集中堆放重物或大型重载机械活动甚至有高频振动施工作业，防止进入塑性状态的土体因附加荷载的施加而达到破坏极限，以至整体发生失稳破坏.同时应当重点监测灌注桩、立柱与坑底交界面处土体的应变状态，以确保基坑施工安全.由图9可知，等效塑性应变在灌注桩、立柱与坑底土体交界面附近达到最大，其数值为7.73e-3，这可能与混凝土结构材料和土体结构材料的刚度差异较大有关.

图8 塑性状态分布图Fig.8 Distribution of plastic status

图9 等效塑性应变云图Fig.9 Cloud diagram of equivalent plastic strain

3.3 基坑支护结构内力分析

基坑支护结构的轴力、弯矩、最大弯曲应力(组合)云图如图10～12所示.由图10可知，钻孔灌注桩、三道横向内支撑均承受轴向压力；立柱在底板以上受轴向压力呈梯形分布直至底板压力值达到最大，随着立柱埋入坑底其轴向压力不断减小直至变为轴向拉力(抛物线形分布)，轴向拉力最大值为1 241.5 kN.由图11可知，基坑支护结构的弯矩图对称分布，第一道混凝土支撑的弯矩值较二、三道钢支撑大，最大负弯矩值达-1 402.8 kN·m，位于立柱与第一道支撑连接处；最大正弯矩值为806.1 kN·m，位于第一道支撑两端.由图12可知，支护结构组合形式的最大弯曲应力云图也表现出对称性，最大组合弯曲应力在第二、三道支撑的四分之一跨处达到最大，数值为32.0 MPa.综合上述支护结构内力分布云图可知，支护结构设计时立柱埋入坑底土体段，因受轴向拉力需要配置相应的抗拉构件，施工中底板以下的抗拔桩应满足抗拉要求.针对第一道支撑两端、跨中与立柱连接部位弯矩较大，应重点设置抗弯构件.

图10 支护结构轴力Fig.10 Axial force of support structure

图11 支护结构弯矩Fig.11 Bending moment of support structure

图12 支护结构最大弯曲应力(组合)Fig.12 Maximum combined bending stress of supportstructure

4 结论

1) 深基坑先拉槽中间再放坡开挖两侧时，竖向位移最大值出现在坑底，且有坑底隆起现象.随着分层开挖深度的增加，坑底隆起不断增大，同时灌注桩身水平位移最大值位置随着开挖深度的增加而下移，基坑开挖完成后，最终位移最大值约位于桩长的二分之一处.

2) 基坑开挖完成后，土层的塑性状态区主要分布于基坑两侧及坑底局部土体，呈现出左右对称分布，从地表距基坑边缘一定距离呈滑弧至基坑底部.施工中应当重点监测灌注桩、立柱与坑底土体交界面处土体的应变状态，以确保基坑施工安全.

3) 基坑立柱埋入坑底段，因受轴向拉力需配置抗拉构件，施工需重点关注底板以下的抗拔桩应满足抗拉强度要求.针对第一道支撑两端、跨中弯矩较大的特点，应考虑抗弯构件的设置，在施工中着重开展受力变形监测.

鉴于砂卵石地层土体具有颗粒大且粘聚力微弱的特性，围护桩和立柱结构的施工需深入地层足够深度，如遇到大的孤石会给桩和立柱结构施工带来巨大困难，施工中应做好相应的专项应急方案.考虑砂卵石地层的颗粒化特性，采用离散元方法开展卵石地层基坑开挖及支护数值模拟分析，并与有限元计算结果进行对比探讨.同时，地下水渗流是影响基坑开挖过程及支护结构设计和施工的重要影响因素，进一步考虑地下水渗流作用对基坑的影响，将对基坑工程的安全稳定具有重要工程价值.