深基坑开挖引起的支护结构受力特性研究

赵 平，王占棋

(1.铜陵学院 建筑工程学院，安徽 铜陵 244000； 2.南京航空航天大学 民航学院，江苏 南京 211106)

0 引 言

目前，地铁工程建设日益增多，地铁车站的建造难免需要开挖深基坑，深基坑工程的规模越来越大，地下空间已经得到广泛开发利用，因此，深入研究深基坑开挖引起的支护结构受力特性对于基坑工程防灾减灾具有重要意义[1].近年来，有不少学者对相关问题开展了多方面研究，并取得一些有益成果[2-3].模型试验方面，王子郡等[4]通过开展二次开挖的基坑排桩支挡结构模型试验，研究了桩间距对组合支挡结构承载特性的影响，结果表明，随着新增支护桩桩间距的增加，既有支护桩的最大弯矩值增大；冉启仁等[5]开展了基坑开挖对邻近建筑桩基弯矩和变形影响的模型试验，结果表明，随着离开挖面距离的增大，桩身最大弯矩出现上移趋势；慕焕东等[3]以洛阳火车站地铁车站明挖基坑支护工程为背景，对基坑开挖过程中支护结构侧向位移变化规律开展了模型试验研究.现场监测方面，王锦涛等[6]通过现场监测等方法研究表明，支护结构在基坑开挖的影响下所受内力以受压为主；黄山景等[7]通过现场监测方法对比分析了非对称基坑在严重偏压作用下的支护结构内力响应；张珂峰等[8]对地下连续墙基坑的支护结构变形等的现场实测数据进行全面系统的分析.数值模拟方面，何平等[9]在ABAQUS中建立了平面竖向弹性地基梁法模型，研究了上海地区基坑围护结构变形和内力受不同强度参数的影响；康亚乐[10]采用FLAC3D软件对地下连续墙与支撑支护体系方案进行了研究，并提出了优化方案；杨琴等[11]利用MIDAS GTS软件系统地研究了基坑两侧围护结构刚度不等与两侧荷载不等情况下基坑的变形规律.

综上所述，当前关于深基坑开挖引起的支护结构及周围环境影响取得了较丰富的研究成果.但在目前的研究中，大部分学者选用摩尔库伦为土体的本构模型，较少有学者采用修正摩尔库伦本构模型研究深基坑开挖引起的支护结构受力影响，胡建林等[12]在进行深基坑变形数值分析时发现，使用修正摩尔库伦本构模型进行基坑开挖方面的研究更具参考价值.现有研究表明，基坑工程具有很强的区域性[13]，数值模拟方法具有可以动态模拟基坑开挖与支护施工过程等优点，且现场监测可以对施工过程实施实时监控和动态控制，对有效确保基坑开挖施工过程和基坑周围既有建筑的安全有一定的作用[14].本研究在上述研究的基础上，以合肥地铁3号线某地铁车站深基坑开挖工程为背景，基于修正摩尔库伦本构模型，采用MIDAS/GTS对基坑开挖及支护全过程进行数值模拟，研究了深基坑开挖引起的支护结构的受力特性，并将模拟结果与监测数据进行对比，验证了数值模拟的可靠性，得到的结论可供类似工程参考借鉴.

1 工程概况

本研究对象为合肥地铁3号线某地铁车站深基坑开挖工程.基坑平面形状为矩形，宽度(X方向)为18 m，开挖深度(Y方向)为16 m.基坑的支护结构由地下连续墙+3道内支撑组成，其中，3道支撑均为圆管型钢支撑，截面尺寸为D=609 mm，t=16 mm，内支撑具体位置布置在距离地表以下0 m、4 m与10 m处，内支撑水平间距均为5 m.地下连续墙为钢筋混凝土墙，高度为24 m，其中嵌入土体深度为8 m，地连墙厚为1 000 mm.此外，地连墙弹性模量为3 000 000 kN/m2，泊松比为0.2，重度为28 kN/m3；钢支撑弹性模量为215 000 000 kN/m2，泊松比为0.3，重度为78 kN/m3.基坑共分3次开挖，开挖深度依次为4 m、6 m与6 m.根据岩土工程勘察报告，简化后的土层从上到下依次为人工填土(4 m)、可塑性黏土(6 m)、硬塑性黏土(6 m)、全风化砂岩(10 m)、强风化砂岩(10 m)与中风化砂岩(24 m).土层力学参数见表1.

表1 计算模型土层力学参数

2 建模与计算

2.1 基本假定

为了便于计算研究，数值模型设计有必要对实际情况进行一定简化[13].本研究基本假设如下：由于基坑长度为504.85 m，宽度为18 m，呈窄长条形，分析计算简化为平面问题；各层土体连续且均匀分布；不考虑地下水对围护结构变形的影响；地下连续墙和内支撑均为弹性体；同一种材料为均质且各向同性.

2.2 建立模型

选取基坑的一个典型断面作为计算断面，使用MIDAS/GTS NX 建立2D基坑模型.该软件在岩土工程中应用较广[15].根据圣维南原理，考虑工程实际情况，本研究建立的整体二维模型宽(X)和高(Y)分别为118 m和60 m，远大于预计基坑开挖影响范围.模型坐标系按照图1中所示.X轴正方向指向基坑宽，Y轴正方向铅直向上,边界约束条件参考文献[16].此外，地下连续墙与土体在强度和刚度上存在较大差异，在外力作用下其界面有可能产生相对滑移或脱离[17].本次研究采用软件自带的库伦摩擦界面单元体现地下连续墙与土体之间接触面的特性.模型中法向刚度模量和剪切刚度模量取值分别为800 000 kN/m3和8 000 kN/m3.模拟时土体采用修正摩尔库伦本构关系，计算模型土层力学参数见表1.模型中土体为考虑平面应变的2D面单元，地下连续墙与基坑内支撑均采用1D梁单元，网格划分情况如图1所示，数值模型共计7 359个单元，7 328个节点.

图1 二维有限元模型

2.3 模拟施工

数值模拟的基坑开挖过程与实际现场基坑开挖过程保持一致，施工工况具体内容见表2.

表2 基坑开挖工况及具体内容

3 结果分析

3.1 数值模拟结果

3.1.1 基坑开挖对支护结构轴力的影响

图2为基坑开挖过程中不同开挖工况引起的支护结构轴力云图.由图可见，基坑开挖会使支护结构产生轴力，且支护结构轴力对开挖深度较敏感，轴力随着基坑开挖深度的改变而不断变化.内支撑为受轴力的主要构件，地连墙在基坑开挖作用下也会产生轴力，但所受轴力相对于内支撑较小，为了突出研究重点，本研究对基坑开挖过程对内支撑轴力的影响进行具体分析.图2(A)为开挖1引起的支护结构轴力云图，由图可见，第一道内支撑轴力大小约为-420.3 kN，该支撑受压.图2(B)为开挖2引起的支护结构轴力云图，由图可见，第一道和第二道内支撑轴力大小分别约为-264.6 kN和-1 041 kN，均为受压构件.第二道内支撑所受的轴力远大于第一道内支撑所受轴力，约为其3.9倍.此外开挖2阶段第一道内支撑的轴力相较于开挖1阶段大大减小，约为其0.6倍，此时，第一道内支撑轴力随开挖深度的增加而有减小趋势.图2(C)为开挖3引起的支护结构轴力云图，不难看出，第一道、第二道与第三道内支撑轴力大小分别约为-5.2 kN、-698.4 kN、-2 085 kN，均为受压构件.从图中还可以看出第一道内支撑轴力随着开挖深度的增加而不断减小，且第二道内支撑所受轴力也随着开挖深度的增加而不断减小，规律类似.这主要是因为，随着基坑开挖深度的增加，内支撑数量也在逐渐增加，新增加的内支撑分担了部分由上一道支撑所承受的压力，进而表现为上一道内支撑所受轴力减小，这也说明了本次研究的深基坑开挖工程的支护体系设计合理，能有效抑制基坑开挖带来的不良影响.此结论与何平等[9]在研究上海地区不同强度参数对基坑围护结构变形和内力的影响时得出的结论一致.综上所述，基坑开挖使得内支撑成为主要受压力构件，此结论与王锦涛等[6]在研究车站深基坑变形规律与稳定性分析中得出的结论一致.此外，内支撑轴力对开挖深度较敏感，轴力随着基坑开挖深度的改变而改变，基坑开挖完成后，内支撑的最大轴力约为-2 085 kN，出现在第三道内支撑的位置.因此，在深基坑设计和施工过程中要密切关注开挖引起的内支撑轴力变化情况，尤其是开挖3时支护的第三道内支撑的轴力变化情况.且由于内支撑受压，故应根据具体情况选择抗压强度较好的材料进行内支撑的制作安装，来减小基坑开挖带来的不良影响.另外，第一道内支撑和第二道内支撑的轴力随基坑开挖深度的增加不断减小这一特征也要引起重视.在基坑设计和施工时，可以根据内支撑受轴力变化的特点，合理设计内支撑的相关设计参数，从而在保证安全的同时，取得更好的经济效益.

图2 支护结构轴力云图

3.1.2 基坑开挖对支护结构弯矩的影响

图3为基坑开挖过程引起的支护结构弯矩云图.由图可见，基坑开挖会使得支护结构产生弯矩，且支护结构弯矩对开挖深度较敏感，弯矩随着基坑开挖深度的改变而改变.地连墙为受弯的主要构件，内支撑在基坑开挖情况下也会产生弯矩内力，但相较于地连墙，其所受弯矩相对较小，为了突出研究重点，本文对基坑开挖过程对地连墙弯矩的影响进行具体分析.图3(A)为开挖1引起的支护结构弯矩云图，由图可见，地连墙最大弯矩值约为184.3 kN·m，出现在第一道内支撑和开挖面之间的位置，此时，地连墙内侧为主要受拉侧.图3(B)为开挖2引起的支护结构弯矩云图，由图可见，地连墙最大弯矩值约为389.3 kN·m，出现在第二道内支撑和开挖面之间的位置，此时，地连墙内侧为主要受拉侧.图3(C)为开挖3引起的支护结构弯矩云图，不难看出，地连墙最大弯矩值约为498.1 kN·m，出现在第三道内支撑和开挖面之间的位置，此时，地连墙内侧为主要受拉侧.综上所述，基坑开挖使得地连墙成为主要受弯构件，地连墙弯矩对开挖深度较敏感，弯矩值随着基坑开挖深度的改变而改变，弯矩的最大值随着开挖深度的增加而有不断下移的趋势.基坑开挖完成后，地连墙的最大弯矩约为498.1 kN·m，出现在第三道内支撑和开挖面之间的位置.此外，观察比较还可以发现，地连墙主要受拉侧为内侧(朝向基坑侧)，且不同开挖工况下，最后开挖工况产生的弯矩最大.此结论与何平等[9]在研究上海地区不同强度参数对基坑围护结构变形和内力的影响时得出的结论一致.

由图3还可以发现，开挖2时引起的地连墙位于第一道内支撑和第二道内支撑的位置产生的弯矩最大值约为162.8 kN·m，相较于开挖1有减小的趋势.此外，开挖3时引起的地连墙位于第一道内支撑和第二道内支撑的位置与第二道内支撑和第三道内支撑的位置产生的弯矩最大值分别约为85.9 kN·m和206 kN·m，相较于开挖1和开挖2都有明显的减小趋势.因此，在深基坑设计和施工过程中要密切关注基坑开挖引起的地连墙弯矩变化情况.尤其是开挖3时第三道内支撑和开挖面之间的位置的弯矩变化情况.且由于地连墙主要受拉侧为基坑内侧，故应在设计时对于地连墙弯曲变形要求较高的情况，可以适当在受拉侧有针对性地布置一些钢筋来减小基坑开挖带来的不良影响.另外，地连墙位于第一道内支撑和第二道内支撑的位置与第二道内支撑和第三道内支撑的位置产生的弯矩最大值随着基坑开挖深度的增加而有减小趋势这一特点也要引起设计和施工的关注，设计者可以利用这一特征更加合理地对地连墙的设计参数进行优化，以此来达到提高经济效益的目的.

图3 支护结构弯矩云图

3.2 数值模拟结果与现场实测对比分析

图4为基坑开挖完成时右侧地连墙弯矩模拟值与监测结果对比.由图4可见，数值模拟结果与实际监测结果吻合度较高，验证了本文所建立数值模型的可行性和模型参数取值的合理性与可靠性.表明本研究的数值结果对类似深基坑开挖设计与施工具有指导作用.此外，监测结果与数值模拟变化规律一致，监测最大值约为522.8 kN·m，数值模拟最大值约为498.1 kN·m，最大值出现的位置接近，都出现在第三道内支撑和开挖面之间的位置.此外，由图4还可以发现，现场监测结果比数值模拟结果稍大，两者相差约为24.7 kN·m，相差较小.这可能是因为在数值模拟过程中进行了许多理想化的假设条件，实际基坑开挖过程中基坑附近难免会有施工机械的扰动与施工期间降雨，进而出现两者之间的差异.施工中应加强管理，尽量避免不必要的施工机械在基坑附近停留，同时施工材料堆放区应远离基坑开挖影响区.

图4 弯矩模拟值与监测值对比图

4 结 论

本研究依托合肥地铁3号线某地铁车站深基坑开挖工程，采用MIDAS/GTS对基坑开挖及支护全过程进行数值模拟，研究了深基坑开挖引起的支护结构受力特性，并与实际监测结果进行对比分析，得出以下结论：

1)基坑开挖使得内支撑成为主要受压力构件，内支撑轴力对开挖深度较敏感，随着开挖深度的增加而变化，开挖完成时最大轴力约为-2 085 kN，位于第三道内支撑处.在深基坑设计和施工过程中要密切关注开挖3时支护的第三道内支撑的轴力变化情况.同时内支撑应根据具体情况选择抗压强度较好的材料进行制作安装，来减小基坑开挖带来的不良影响.

2)基坑开挖引起的地连墙内力主要是弯矩，地连墙弯矩对开挖深度较敏感，随着开挖深度的增加而变化，开挖完成时最大弯矩约为498.1 kN·m，监测值约为522.8 kN·m，都出现在第三道内支撑和开挖面之间的位置.地连墙主要受拉侧为基坑内侧，在设计和施工时对于地连墙弯曲变形要求较高的情况，可以适当在受拉侧有针对性地布置一些钢筋来减小基坑开挖带来的不良影响.

3)数值模拟结果与实际监测结果吻合度较高，验证了本研究所建立数值模型的可行性和可靠性.表明本文的数值模拟结果对类似深基坑设计和施工具有一定的指导和借鉴意义.施工中应加强管理，尽量避免不必要的施工机械在基坑附近停留，同时施工材料堆放区应远离基坑开挖影响区.