某超深圆形基坑受力变形的尺寸效应分析

2021-11-15赵一行詹刚毅石钰锋梁新欢蒋亚龙祝耀东

华东交通大学学报 2021年5期

赵一行，詹刚毅，石钰锋，梁新欢，蒋亚龙，，祝耀东

（1.华东交通大学江西省岩土工程基础设施安全与控制重点实验室，江西南昌 330013；2.南昌铁路勘测设计院有限责任公司，江西南昌 330001；3.南昌轨道交通集团有限公司，江西南昌 330199；4.南昌市政公用工程项目管理有限公司，江西南昌 330025）

随着我国城市建设迅猛发展，地下空间利用率越来越大，基坑开挖尺寸也随之增大。长期的工程实践表明，其他条件相同时，越宽大的基坑稳定性越差，变形也较为明显[1]。因此，针对基坑的尺寸效应，许多学者进行了相关性研究。

王洪新[2-3]在以往基坑设计主流方法基础上，提出考虑尺寸效应的基坑稳定性安全系数计算方法；王明年等[4]通过上限法原理，提出考虑基坑几何尺寸的抗隆起安全系数计算方法；何超等[5]通过对基坑坑底隆起特性及形成机理进行分析，提出考虑坑底隆起宽度效应的基坑分类方法；黄传胜，方金霞，付立彬，徐中华，王卫东等[6-10]以实际工程为依托，通过数值模拟方法，研究了尺寸效应改变对围护结构受力变形的影响；陆培毅，王飞等[11-12]，通过数值模拟方法，分析尺寸效应对双排桩支护结构的变形影响规律；项龙江等[13]采用理论计算和数值模拟相结合的手段，分析尺寸效应对基坑土压力和变形的影响。

通过对超深圆形基坑实际工程案例进行调研后发现，施工中基坑开挖深度越来越大[14-15]，最大深度接近50 m[16]。然而，对于开挖深度60 m 以上，且平面形状为圆形的基坑相对较少。对该类工程的研究，可为相关实际工程提供参考，具有一定的实际意义。

以佛山市某超深圆形工作井基坑为依托，基于Midas GTS/NX 有限元软件，对不同尺寸影响下围护结构进行分析，探讨其受力变形规律，并与现场实测数据进行比较，验证其合理性。并进一步探讨尺寸效应对圆形基坑拱效应的影响，以期为类似圆形基坑工程提供参考。

1 工程背景

1.1 工程概况

圆形工作井外径为35.9 m，内径30.5～31.1 m，开挖深度61.97 m，共分13 层开挖，分别为2.47 m，2 至12 层各开挖4.5 m，10 m，采用地下连续墙围护+钢筋混凝土内衬墙支护，逆作法施工。地连墙采用C30混凝土，厚1.2 m，嵌固深度5.88 m；内衬墙采用C35混凝土，厚1.2～1.5 m。基坑支护剖面如图1 所示。

1.2 工程地质条件及监测点位布置

场地地层分布从上至下依次为：人工填土，淤泥质细砂，淤泥质黏土，泥质粉细砂，含有机质粉质黏土，泥质细砂，强风化泥质粉砂岩，弱风化泥质粉砂岩。

基坑开挖施工过程中，主要监测内容如下：①地连墙墙顶水平位移监测；②地连墙墙顶竖向位移监测；③地连墙深层水平位移监测；④地表沉降监测；⑤坑底隆起监测。监测点位布置如图1 所示。

图1 基坑支护剖面图（单位：mm）Fig.1 Sectional view of foundation pit support（Unit：mm）

2 模型合理性验证

2.1 模型建立

为消除不同尺寸下边界效应的影响，且考虑到基坑开挖深度对周边土体的影响，采用Midas GTS/NX 建立如下三维模型：尺寸定为400 m×400 m×150 m（长、宽、高），不考虑水的渗流影响。考虑到圆形基坑的中心对称效果，且便于查看内部围护结构，局部模型取整体模型的1/16，如图2 所示。各侧边界进行水平约束，顶部为自由面，底面为固定节点的三向约束，采用激活与钝化对基坑开挖施工工序进行模拟。

图2 局部有限元模型Fig.2 Local finite element model

2.2 本构的选取及相关参数

土体模型采用摩尔-库伦本构，地连墙、内衬墙采用线弹性本构，相关参数见表1，表2。

表2 土层物理力学参数表Tab.2 Physical and mechanical parameters of soil layer

2.3 模拟工序

1）首先对土体进行初始地应力平衡并位移清零；

2）进行地连墙施工并施加堆载，位移清零；

3）开挖至2.47 m 处，施做第一层内衬墙；

4）开挖至6.97 m 处，施做第二层内衬墙；

5）逐层开挖至基坑底部，逐层施做内衬墙。

2.4 工况拟定

以基坑直径为自变量，变化范围从35.9～105.9 m，共计8 个工况。其中，D=35.9 m 为设计工况。探讨相同条件下，地连墙水平位移、弯矩，墙后地表沉降，坑底隆起随基坑直径的变化规律。

3 计算结果分析

3.1 墙体水平位移分析

图3 为不同尺寸影响下墙体水平位移变化曲线图。

图3 墙体水平位移图Fig.3 Horizontal displacement of the wall

从图3 可知，地连墙水平位移实测最大值为16.81 mm，位于埋深33 m 处；计算最大值为15.30 mm，位于埋深33.93 m 处。且总体分布规律上，模拟值与实测值符合较好。随深度的增加，墙体水平位移逐渐增大，整体趋势表现为“弓形”。

随着尺寸的增加，墙体水平位移最大值逐渐增大。当直径小于75.9 m 时，最大位移值增加量逐渐增大，当直径大于75.9 m 时，最大位移增加量逐渐减小，整体呈现先增加后减小的趋势。当直径小于65.9 m 时，水平位移最大值位于深度约33.64 m 处，为基坑开挖深度中部靠下位置，约0.54 H（H 为基坑开挖深度）；当直径大于65.9 m 时，水平位移最大值上移至深度约30.65 m 处，为基坑开挖深度中部靠上位置，约0.49 H。

3.2 墙体弯矩分析

图4 为不同尺寸影响下墙体弯矩变化曲线图。

从图4 可知，弯矩值沿负向增大至深度13.57 m处，产生第一个反弯点。而后沿正向增大至深度20.36 m 时，发生反弯。该点为不同厚度内衬墙上下交接点，受不同厚度内衬墙刚度影响，产生反弯。至深度33.93 m 处，发生反弯，并达到最大负弯矩值。该点为侧向变形最大值处，造成较大的弯矩出现。由于下部弱风化岩的物理力学性质及嵌固作用，弯矩值沿正向增大至深度54.29 m 处，发生反弯。随着深度的继续增加，弯矩值逐渐减小。

图4 墙体弯矩图Fig.4 Wall bending moment diagram

随着尺寸的增加，最大弯矩值逐渐增大，最大弯矩增加量整体变化不大。当直径增大至65.9 m时，最大负弯矩位于深度约33.93 m 处、最大正弯矩位于深度约54.29 m；当直径大于65.9 m 时，最大负弯矩、最大正弯矩均上移，位于深度约51.21 m 处。

3.3 墙后地表沉降分析

图5 为不同尺寸影响下墙后地表沉降变化曲线图。便于图形直观表达，仅取沉降较敏感区域。

图5 墙后地表沉降图Fig.5 Ground settlement diagram behind the wall

从图中可知，随着距基坑边缘距离的增加，沉降值整体呈“勺型”分布，最大值均位于墙后10～12 m范围内，约为16.14%～19.36%的基坑开挖深度。距基坑边缘40 m 范围内，沉降值变化较大，为沉降敏感区域；40 m 后，沉降值变化较小，且随着坑边距离的继续增加，产生微小的隆起现象。

随尺寸增加至直径65.9 m 时，不同直径间最大沉降值增幅较大，均大于40%；当直径从65.9 m 增大至105.9 m 时，最大沉降值相比增幅有所减小，约为10%～40%之间。表明当直径不超过65.9 m 时，墙后地表沉降值受基坑直径影响较大；反之，影响较小。且当直径超过65.9 m 时，墙后地表最大沉降值已超过规范要求控制值。

3.4 坑底隆起分析

图6 为不同尺寸影响下坑底隆起变化曲线图。

从图6 可知，随着距基坑中心距离与基坑直径二者比值R 的增加，隆起值逐渐减少，最大隆起值均位于基坑中心处。

图6 坑底隆起图Fig.6 Uplift of the bottom of the pit

随尺寸增加至直径65.9 m 时，最大隆起值平均增幅大于20%；当直径从65.9 m 增大至105.9 m时，最大隆起值相比平均增幅较小，约为10%以内。表明当直径不超过65.9 m 时，基坑底部隆起值受基坑直径影响较大；反之，影响较小。

4 拱效应影响分析

与常规形状基坑不同，圆形基坑从结构上可以看作闭合的拱，可充分利用土的拱效应，可将作用在其上面的荷载基本上转化为地下连续墙的环向压力，可充分发挥混凝土抗压性能好的特点，有利于控制基坑变形[17]。且圆形基坑是以承受环向轴压为主[18]，故以环向应力、径向应力为指标，表示不同尺寸下拱效应效果。

图7 为不同尺寸下，环向应力、径向应力最大值曲线图。从图中可知，随基坑尺寸的增加，环向应力最大值、径向应力最大值持续增大。当直径小于55.9 m 时，环向应力最大值大于径向应力最大值；反之，小于径向应力最大值。

图7 不同尺寸下应力最大值图Fig.7 The maximum stress diagram under different sizes

综上可知，直径小于55.9 m 时，环向应力大于径向应力，具有较好的“拱效应”，有利于提高基坑的稳定性；当直径大于55.9 m，环向应力最大值小于径向应力最大值，“拱效应”减弱。且通过前文对其变形分析可知，当直径超过65.9 m 时，变形超过规范控制值[19-20]要求。综合判断该依托工程圆形基坑直径在35.9～55.9 m 范围内为宜，并采用强度折减法[21]计算所得稳定性安全系数为6，符合相应规范要求。