软土厚度对基坑与连续墙变形影响研究

杨 斌 周艳红

（中国水利水电第九工程局有限公司，贵州 贵阳 550081）

0 前言

软土的空间分布是影响基坑开挖变形的重要因素。许多学者针对软土与基坑开挖变形进行了相关研究。王立新等人[1]借助MIDAS GTS NX有限元软件研究了基坑开挖过程对附近地铁车站的影响。研究结果表明，双排桩结构能有效约束基坑变形，车站与基坑结构的位移呈“内凸型”，车站中部出现最大水平位移和竖向位移。张鑫全等人[2]以湖南某基坑工程为研究对象，采用有限元分析方法研究了深基坑再开挖过程对附近建筑及土体的影响。研究结果认为沉降主要发生在靠近基坑一侧，建筑会逐渐由南向北倾斜，数值模拟结果与监测结果基本保持一致。唐军平等人[3]用数理统计的方法分析了佛山软土的指标变异性和相关性。研究结果表明，该地区软土的土粒比重、饱和度和天然密度基本保持稳定，且该软土在塑形图上呈条带状分布。王闯[4]以某小区为实例，通过迈达斯GTS NX软件模拟了富水软土地层基坑支护过程。结果表明，半逆作法施工前准备的土体可发挥出一定的支护效果，亦可在一定程度上降低结构的侧向压力。

但现有研究大多针对基坑开挖方式对基坑变形及支护结构的影响[4-5]，少有学者从软土的空间分布特征角度对基坑变形以及连续墙位移进行研究。该文以Flac3D有限元软件，依托贵州省黔南州中共贵定县委党校迁建项目开挖基坑，研究软土厚度对基坑土体及连续墙位移的影响。

1 工程概况与数值模拟方案

1.1 基坑工程概况

贵州省黔南州中共贵定县委党校迁建项目位于贵州省黔南自治州贵定县城关镇姜家庄，建筑面积为18771.66m2。该项目包括接待中心、人才公寓、会务中心、综合教学楼、学员宿舍、综合食堂以及附属设施等均为框架结构，抗震等级为二级，设计使用年限为50年，抗震设防类别为乙类，混凝土采用商品混凝土。

开挖基坑自上而下主要由碎石填土、粉质黏土、黏性软土和中等风化灰岩组成。通过室内试验测定以及工点地质勘察报告，确定4种成分的物理力学参数，见表1。

表1 基坑成分物理力学参数

基坑设计开挖分4步完成，每步开挖均沿基坑竖直方向开挖5m。每步开挖结束后，立即施加内支撑，第一道支撑设计为混凝土支撑，其余三道支撑设计为钢支撑。基坑内的连续墙以及内支撑的具体材料参数见表2。

表2 基坑支护结构物理力学参数

1.2 数值模拟方案设计

软土地层是影响基坑变形的主要组成成分，为模拟研究不同软土空间特征对基坑变形的影响，该文设计9组数值模拟方案来研究软土厚度对基坑开挖变形的影响，如图1所示。基坑中填土厚度2m，粉质黏土6m，控制软土层中心高度位于10m处不变，设计9组不同软土厚度h的模拟试验，分别为0m、2m、4m、6m、8m、10m、12m、14m、16m。

图1 基坑开挖（左半侧）示意图

2 数值模拟与结果分析

2.1 模型建立与选择

根据嘉兴车站开挖设计图确定模型的大小、基坑开挖的深度以及内支撑的设置位置，采用Rhino.6建立实体模型，选用四面体单元建立网格，最后导入Flac3D生成数值计算模型，如图2所示。模型整体长180m，宽95m，高40m，开挖尺寸为28m×22m×70m，由于模型对称，因此只需建模计算一半。模型三侧边界采用法向约束条件，底面约束z方向位移，模型总共有16982个单元和18325个节点。

图2 数值模型图

该研究中基坑模型采用Mohr Coulomb进行计算，其中连续墙采用实体单元进行模拟，内支撑采用beam单元模拟。

2.2 软土厚度对基坑竖向变形影响分析

软土厚度为0时，沉降变形主要集中在基坑侧壁的左右两侧，最大沉降位移分别位于基坑侧壁往外侧12m（0.63倍开挖宽度）左右，数值约为14mm，整体沉降位移呈“中心发散”状，约在基坑内壁外侧46m处（2.1倍开挖宽度）不再发生沉降位移。实际工程中应重点监测基坑侧壁外0.5倍~1倍开挖宽度处的土体位移[6]。

基坑回弹变形基本发生在基坑底部，变形呈“下凸型”。最大回弹变形位于基坑底部中心点位，数值约为62mm。约在基底以下15m处（0.68倍开挖深度）不再出现回弹变形。产生较大回弹变形的主要原因是基坑的卸荷作用导致基坑底部应力重分布出现较大的竖向应力，实际工程中应加强基坑底部支护。

基坑最大沉降变形与最大水平变形随软土厚度变化趋势图如图3所示。根据图3可知，基坑最大沉降变形与最大回弹变形均随软土厚度增加而增加，其中最大沉降位移随软土厚度增加，位移数值从14mm先缓慢增加至20mm，后快速增加至25mm，最后逐渐收敛至38mm。最大回弹变形与软土厚度基本呈正比关系，原因是软土厚度直接影响了基坑底部卸荷应力的释放。

图3 基坑最大竖向变形随软土厚度变化图

2.3 软土厚度对基坑水平变形影响分析

当基坑中的软土厚度为0m时，基坑的水平变形变化规律呈现为左右对称分布，而基坑的最大水平位移分别位于基坑底部的左侧与右侧，数值约为30mm。基坑的整体变形规律呈现出从基坑顶部至基坑底部逐渐增加的趋势。产生这一现象的原因主要是基坑中内支撑起到了关键作用，基坑内支撑抵抗了较大程度的水平方向应力，而基坑底部未采取相应的支撑作用，因此基坑底部水平应力较大，导致基坑底部的水平位移也较大。

当基坑中的软土厚度为16m时，基坑的水平变形明显比软土厚度为0m时增加，最大水平位移达到49mm，增长了约63.3%。由此可见，软土厚度的增加对基坑水平变形的影响较大。主要原因是软土的物理力学性质较弱，在基坑开挖应力场重分布以后，在水平应力的挤压作用下软土会在基坑侧壁方向产生较大的法向方向变形。基于此，在实际基坑开挖过程中，应当加强基坑底部的水平位移监测，同时应针对不同软土厚度的地层采取不同支护强度的内支撑，防止基坑内壁出现较大水平变形，导致坍塌。

2.4 软土厚度对连续墙最大水平位移及位置影响分析

连续墙最大水平位移与位置随软土厚度变化的曲线图如图4所示。由图4可以看出，连续墙最大水平位移随软土厚度增加而增加，最大可达约90mm，最小有14mm，增加趋势总体表现有3个阶段：1）基坑软土厚度较小时（0m~4m），连续墙最大水平位移随软土厚度从14mm缓慢增加至25mm。2）软土厚度继续增加（4m~10m），连续墙最大水平位移快速增加，数值从25mm增加至80mm。3）随着软土厚度继续增加（10m~18m），连续墙最大水平位移逐渐收敛至90mm。

图4 连续墙最大沉降位移及位置

连续墙的最大水平位移随软土厚度变化而变化。当软土厚度小于6m时，连续墙的最大水平位移随软土厚度的增加而逐渐下降，数值从-6m下降至-20m。当继续增加软土厚度时，最大水平位移位置基本不发生变化。

综合分析图4可得，软土的厚度直接影响了连续墙的最大水平位移。在遇到软土厚度较大的地层时，应选择高强度的连续墙或增加连续墙的厚度以抵抗基坑外壁土体的推力。同时，发生最大水平位移的位置与连续墙也有较强的相关性，工程实践中应重点关注软土的厚度。可采用数值模拟的方法预测连续墙出现较大位移的区域，进而在易发生水平位移处增加支护措施。

3 结论

该文以贵州省黔南州中共贵定县委党校迁建项目开挖基坑为实例，采用有限元分析方法研究了软土厚度对开挖后基坑沉降变形、回弹变形、连续墙最大水平变形及位置的影响。研究结果表明：1）基坑的沉降位移呈对称分布，最大沉降位移位于基坑侧壁往外0.63倍开挖宽度附近，呈“发散”状，而基坑的回弹变形基本发生在基坑底部的中心位置，呈“下凸”状。2）基坑最大沉降位移与回弹位移均随软土厚度的增加而增加，其中回弹变形与软土厚度基本成正比，而最大沉降位移随软土厚度增加最终缓慢收敛至38mm。在实际工程中，如遇高厚度软土，应重点监测基坑底部回弹变形情况。3）连续墙最大水平位移与软土厚度呈正相关，在数值上先缓慢增加，后加速增长，最后逐渐收敛至90mm。连续墙最大水平位移位置（竖直方向）会随软土厚度增加而下降，具体表现为先快速下降至-20m，最后保持稳定。在工程应用中，如软土厚度较大，应增加连续墙厚度，进而限制基坑与墙体的水平位移。