基坑开挖变形与支护结构稳定性研究

张永刚 雷生强 杨凌云

（1．德阳市旌合建设工程有限公司，四川 德阳 618000；2．中顾国际工程咨询有限公司，四川 成都 610000；3．中国电建集团成都院建设管理部，四川 成都 610000）

0 前言

我国软土分布广泛，受软土特殊性质影响，修建工程时通常会遇到软土下陷，变形的影响。许多学者针对工程中的软土问题开展了相关研究，张超翔等人[1]采用理论分析、现场监测、数值模拟等方法，研究了基坑开挖时，土体卸载对周边建筑的影响。研究结果表明，数值模拟结果与现场监测结果相吻合，基坑开挖对地基沉降和坡顶位移产生影响，须加强基坑侧壁水平位移监测，并加固坡顶。马玉飞等人[2]用数值模拟的方法研究了降水对基坑支护措施的影响，研究结果认为，基坑边缘一定范围内沉降显著，且增加锚索数量或提高锚索强度可有效控制基坑位移。童建勇[3]采用有限元方法，分析了基坑降水引起的变形以及其余因素对基坑变形的影响，最后得出结论，在施工过程中，地表沉降变形先变大后变小，外部孔隙水压力呈漏斗状变化，且整体变形随淤泥质软土厚度增加而增加。

现有研究主要集中在基坑的变形规律以及支护措施的理论分析，少有学者从支护结构的位移着手，研究支护措施的稳定性。该文以某软土地基开挖基坑为研究对象，采用Flac3d数值模拟软件，研究了基坑开挖后的基坑变形与支护结构的稳定性。

1 基坑工程概况

某工程位于四川省成都市。基坑大开挖深度为28m，场地内土层依次为填土、淤泥质土、粉质黏土和弱风化安山玢岩。场地内地下水为上层滞水与基岩裂隙水，主要贮存于上部填土层与基岩裂隙中，地下水位较低。基坑支护方案选型根据基坑所处的环境、工程地质、水文地质及基坑开挖深度，经计算分析、工程类比、技术经济比较，该基坑采用地下连续墙。复杂的环境条件也对支护结构的工作状态和位移提出了愈来愈严格的限制，就要求工程技术人员在不断发展、创立新的支护理论和结构系统的同时，进行严格检验与监测，以保证安全、顺利地施工。

该开挖基坑主要分布土体与地层有：填土、淤泥质土、粉质黏土和弱风化安山玢岩。根据现场试验以及室内试验测定，确定该基坑组成成分的物理力学参数，见表1。

表1 物理力学参数表

在基坑模拟开挖时，分4步设置内支撑。在基坑开挖至深度5 m时，设置第一道混凝土内支撑，当基坑开挖至深度11 m时，设置第二道钢支撑，当开挖深度至17 m时，设置第三道钢支撑，最后开挖至22 m深度时，设置第四道钢支撑。

2 数值模拟

2.1 模型建立

由于该地区地层的岩层倾角较小，因此在模拟时将地层设置成水平岩层，以简化数值模拟计算量。根据实际工点地勘报告及工点开挖设计资料，建立数值模型如图1所示（根据对称性原理，取1/2基坑既基坑的左半边进行数值计算即可）。其中基坑开挖深度为28 m，开挖宽度为22 m，基坑总长度为70 m，考虑边界效应的同时，根据工程经验以及前人研究结果，将模型尺寸设置为180m×95m×40m。建立网格时，加密基坑附近网格，可提高模型计算精度，适当稀疏边界网格以提高运算速度。模型采用底面全约束，侧边界采用法向位移约束，顶面不采取约束条件，最终建立模型共计有17822个单元和19838个节点。

图1 计算模型图

2.2 模型选择及参数取值

根据工程经验，设计地下连续墙结合四道内支撑的组合支护结构进行基坑加固。其中第一道支撑采用混凝土材料，第二、三和四道支撑采用钢支撑。数值模拟时，采用实体单元模拟地下连续墙，用梁单元模拟内支撑，支护结构参数见表2。

表2 支护结构参数表

2.3 计算结果与分析

2.3.1 基坑变形分析

基坑开挖完成后，回弹变形云图如图2所示，可以看出，受开挖卸荷作用影响，基坑底部产生了较大的回弹变形，数值达到336 mm，基坑底部向下回弹变形逐渐减少，在基坑底部向下约9.5 m处不再出现回弹变形，变形云图呈现“下凸形”，而由于基坑两侧土体没有受到竖直向上的应力，因此没有产生回弹变形。图3为基坑沉降变形云图，由图可知整个地基沉降位移呈左右对称分布，最大沉降点位于基坑侧壁往外24 m处，数值约为4.3 mm。由基坑位移的数值模拟结果分析可知，基坑整体处于较稳定状态，而基坑整体基坑底部的回弹变形较大，实际工程中应进一步采取合适的处理措施，约束基坑底部的竖向变形。

图2 基坑回弹变形云图

图3 基坑沉降位移云图

图4为基坑水平位移云图，由图可知，基坑水平位移在数值上呈左右对称分布，最大水平位移出现在基坑底部，数值约为42 mm，且水平位移沿着基坑内壁往外逐渐减少。基坑内壁受连续墙支护作用，水平位移得到较好的约束，最大位移小于基坑规范要求的最大水平位移50 mm，满足工程安全要求。由于基坑底部最大水平位移已达到规范安全要求的84%，因此在实际工程中，可针对基坑底部增加连续墙的材料强度，维持基坑底部的稳定性。

图4 基坑水平位移云图

2.3.2 基坑支护结构位移分析

图5为连续墙位移，从图中可知，连续墙位移特点为基坑底部位移最大，且主要表现为水平位移，竖向位移较小。产生这一现象的原因主要是连续墙受基坑开挖作用影响，基坑土体应力重分布，导致连续墙受到较大水平挤压应力，因此，实际工程中，应加强挡墙水平位移监测，防止出现挡墙破裂导致基坑失稳现象。

图5 连续墙位移云图

模拟基坑四道内支撑的水平位移可知，第二道内支撑产生水平位移最大，约为13.9 mm，紧接着是第一道混凝土支撑，数值约为10.6 mm，其次是第三道和第四道支撑，最大位移分别为9.8 mm和5 mm，产生这一现象的原因主要是支撑材料的不同和支撑埋藏深度不同。此外，四道支撑的位移分布特点均为两边大，中间小，这也符合模型的对称效应。

模拟基坑四道支撑的竖向位移可知，四道支撑从基坑顶部至底部，支撑竖向位移逐渐减小，第一道混凝土支撑竖向位移最大，约为3.3mm，这一特点与基坑土体的竖向位移特点一致，因此在实际工程中，应重点关注第一道支撑的竖向位移和第二道支撑的水平位移。

综合分析基坑变形以及内支撑位移结果可知，该研究所采用的支护方案达到了工程安全要求，并有效地控制基坑变形，但基坑底部位移仍较大，可采取更高强度的连续墙与内支撑对基坑底部进行支护。

2.3.3 数值模拟有效性分析

在基坑的左右测线设置数个监测点，并将监测位移与数值模拟位移进行对比。现场监测数据与数值模拟位移的变化规律基本保持一致，其中第一步开挖阶段产生位移相对较小，仅为0.5mm左右，原因可能是基坑开挖卸荷应力还没得到完全释放，第二步和第三步开挖产生的位移较大，约为3mm，最后一步开挖产生的位移较小，仅为0.5mm。由此可见实际工程中应重点关注第二、三步开挖过程，应加强该施工阶段的位移监测，也可以在开挖时采用更高强度的内支撑，防止出现侧壁垮塌。而监测数据与数值模拟结果数值上相近，误差仅为4%，且位移规律基本一致，说明该文数值模拟具有一定的可行性和有效性。

3 结论

该文依托某基坑开挖实例，采用FLAC 3D有限元软件，分析了开挖后基坑的变形特征以及支护结构的稳定性。得到的研究结果如下：1）基坑开挖后，侧壁的水平位移明显大于竖向位移，基坑底部有约336mm的回弹变形，实际工程施工时，应及时加固基坑底部，并设置内支撑约束侧壁水平位移。2）基坑开挖后，第一道支撑的竖向位移和第二道支撑的水平位移明显较大，且内支撑的位移表现为中间小两边大的特点，实际工程中应加强监测连续墙底部位移以及第一、二道支撑的水平位移，防止出现内壁侧向变形垮塌。3）基坑内壁顶部位移的数值模拟结果与现场监测结果基本保持一致，随着基坑进一步开挖，位移逐渐增加。二者误差约为4%，验证了该文数值模拟的有效性。