基于ABAQUS基坑开挖过程中应力位移及稳定性分析

蔡 涛, 何 翔, 张 广, 徐雪梅

(武汉轻工大学土木工程与建筑学院，湖北武汉430023)

随着建筑物的高度不断提升，基坑的开挖深度也在不断加深。深基坑工程的安全与否，放坡形成的边坡稳定性以及合适的深基坑的支护方式成了重中之重。目前，边坡稳定性的分析方法众多，其中有限单元法是目前研究边坡稳定性最常用方法之一[1]。深基坑的支护具有区域性和复杂性的特点，因此针对不同的工况需要选择不同的支护方式。目前，深基坑的支护方式主要有护坡桩、地下连续墙、钻孔灌注桩等，其中护坡桩应用的较多[2]。本文选用ABAQUS数模软件，针对武汉某扩建项目基坑开挖问题，在放坡及护坡桩支护的条件下，进行基坑在开挖过程中边坡的应力、应变及稳定性分析，并进行基坑隆起量以及荷载区沉降量的计算。仿真结果表明：基坑开挖与放坡施工过程中边坡相对稳定，但基坑隆起量与边坡水平位移量超出预警值，必须对基坑及坡面进行加固处理，对护坡桩增加支护措施。

1 工程背景

1.1 工程概况

某工程基坑如图1所示。以支护桩为起点，向两边各延长50 m，土层总厚度取40 m，护坡桩的材料为C30混凝土，桩长21 m。离坡顶边2 m至右边界有15 kPa的均布堆载，基坑开挖深度为8.1 m，分层开挖，每次开挖深度为0.7～1 m。

图1 基坑(单位：m)

1.2 数值模型

根据上述数据利用ABAQUS有限元软件建立对应的基坑开挖模型，模型材料为弹塑性多孔介质，本构模型采用Mohr-Coulomb模型。模型的底部边界施加水平约束和竖向约束，模型的左右边界施加水平约束。上边界离坡顶边2 m至右边界施加均布荷载，网格单元类型为CPE4。先采用地层-结构法对整体模型进行地应力平衡[3]，然后施加护坡桩，最后逐层开挖，分析在开挖过程中边坡及基坑的稳定性。

依据基坑开挖深度，地质条件及周边环境等，对照地方标准的相关规定，确定本基坑及放坡等级均为二级。依据GB50497-2019《建筑基坑工程检测技术标准》[4]，开挖完成后桩顶最大水平位移应小于40 mm，最大竖向位移应小于30 mm；荷载区最大沉降量应小于60 mm，基坑最大隆起量应小于60 mm。

在建立二维模型时，将均布荷载，地应力平衡等条件纳入模型，尽可能还原开挖工况，建立符合实际开挖过程的动态模型，土层参数如表1所示。

表1 模型参数

2 数值模拟结果分析

2.1 特征节点分析

为更加方便对基坑开挖过程中边坡的应力应变进行观测，选取边坡的6个特征点进行监测，6个特征结点如图2所示。其中结点1和结点2分别表示的是一级坡的坡顶和坡脚，结点3和结点4分别表示的是二级坡的坡顶和坡脚，结点5表示的是护坡桩的桩顶，结点6表示的是基坑土体与护坡桩的接触点。

图2 特征结点

2.1.1 特征结点应力分析

基坑开挖完成后边坡的局部放大应力云图如图3所示。水平有效应力和竖向有效应力随开挖深度变化曲线如图4所示。

图3 基坑开挖完成后边坡局部放大的应力云图

图4 水平和竖向有效应力随开挖深度变化曲线

结合应力云图和有效应力随开挖深度变化曲线可知，土体各结点都处于应力释放过程中。除结点4(二级坡坡脚)土体在进行6.3 m深度开挖后，水平应力出现负值，其他各结点均为正值，这说明在进行6.3 m深度开挖后，结点4开始处于受拉状态，其余结点均处于受压状态。当护坡桩向基坑内部偏移超过了极限平衡状态时，结点4出现受拉符合实际情况。结点5在开挖5.5 m后迅速产生了相反方向的水平应力，竖向应力也会有一定幅度的减小。这是因为在开挖5.5 m后，随着基坑底部的土体被逐渐挖除，护坡桩开始更多的承受边坡的土压力，出现水平应力的不断增大，方向基坑内部。同时，基坑底部的隆起带动护坡桩产生拉力，导致护坡桩竖向应力的减小。

2.1.2 特征结点位移分析

边坡各结点开挖完成后的局部放大位移云图如图5所示。水平位移和竖向位移随开挖深度变化曲线如图6所示，符号规定与坐标轴方向一致。

图5 基坑开挖完成后边坡局部放大的位移云图

图6 水平和竖向位移随开挖深度变化曲线

结合位移云图和水平和竖向位移随开挖深度变化曲线可知：6个特征点的水平位移随开挖深度的变化均为向左，即为向基坑内部方向发生位移，且随着开挖深度的不断加深水平应力也在不断的增大，并在开挖完成后，水平位移达到最大值，各结点的最大水平位移分别为15 mm、54 mm、56 mm、57 mm、56 mm、49 mm。结点1的竖向位移均为先增大后减小，即竖向位移先向上再向下，竖向位移向上最大为10 mm，向下最大值 3 mm。结点2～结点6的竖向位移不断增大，方向均为上方，各结点的最大竖向位移分别为43 mm、46 mm、40 mm、22 mm、20 mm。其中结点5表示的是桩顶的位移，桩顶的水平位移为56 mm，竖向位移为22 mm。

2.2 边坡稳定性分析

目前，强度折减法是有限单元法中对边坡稳定性评价最常用的方法，强度折减法得到的边坡稳定安全系数Fs是边坡稳定性最为重要的评价指标[5]。将场变量FV1与坡脚的水平位移U1的变化关系绘制于图7中，若以位移拐点作为评价标准，未加护坡桩的安全系数为0.98，施加护坡桩加固后，边坡的安全系数提升至1.25，护坡桩的加固效果较明显。

图7 有无护坡桩FV1-U1曲线

2.3 基坑隆起位移分析

在基坑底部，以护坡桩为起点直到左边界创建一条路径，将每个单元结点作为数据观测点，数据观测点设置如图8所示。位移云图及基坑隆起位移曲线如图9和图10所示。

图8 基坑结点路径

图9 基坑隆起位移云图

图10 基坑隆起位移曲线

结合位移云图和基坑隆起变化曲线可知，随着距离护坡桩的距离不断增大，基坑隆起位移不断增大。护坡桩向基坑内部方向偏移对护坡桩边缘土体的隆起变形产生阻碍作用，在护坡桩周边的基坑土体隆起只有20 mm；在距离20 m 以后的基坑隆起位移基本不变，达到106 mm的隆起位移。

2.4 荷载区沉降位移分析

在均布荷载区，以离坡顶2 m为起点直到右边界创建一条路径，将每个单元结点作为数据观测点，数据观测点设置如图11所示。位移云图及荷载区沉降位移曲线如图12、图13所示。

结合位移云图和基坑隆起变化曲线可知随着离坡顶距离的增加，荷载区的沉降位移呈现出先增后减的趋势，在距离坡顶4 m左右处沉降位移达到最大值35 mm，随着离坡顶距离的增加，沉降位移逐渐趋于稳定为5 mm。

图11 荷载区结点路径

图12 荷载区沉降云图

图13 荷载区沉降位移曲线

3 结论

(1)通过对边坡特征节点的应力位移、基坑底部隆起量、荷载区沉降量以及边坡安全系数的综合分析，该基坑护坡桩的施加使得边坡和基坑处于稳定状态。

(2)施加护坡桩，基坑边坡的安全系数从0.98提升至1.25。按照GB50202-2018《建筑地基基础工程施工质量验收标准》[6]，达到二级边坡要求。

(3)开挖完成后，桩顶的水平位移为56 mm，竖向位移为22 mm。水平位移超过40 mm，竖向位移小于30 mm，水平位移不符合规范，需增加斜撑支护，坡面出现受拉区，坡面需加固处理。

(4)开挖完成后，荷载区最大沉降量为35 mm，基坑底部最大隆起量为106 mm，荷载区沉降量小于60 mm，基坑底部最大隆起量超过60 mm，基坑隆起量不符合规范，坑底土体需加固处理。