基于破坏接近度的深基坑稳定性研究
2024-01-16姚家李姚华彦成潇博张占荣张燕
摘 "要：为探究深基坑在开挖过程中的变形与破坏规律，并实现对基坑安全性的定量评估，采用FLAC3D数值模拟软件，结合破坏接近度理论，对基坑开挖过程中土体应力状态进行系统分析，精确量化基坑周边土体的损伤程度及其影响范围。研究结果表明：基坑围护结构的变形呈现出明显的“两端较小、中部较大”的特点；而地表沉降则表现为典型的“凹槽”形态；利用破坏接近度指标可以直观地反映岩土体在施工期间的破坏进程及发展趋势，区分不同区域受到的影响程度。研究结论为量化分析基坑施工风险提供理论参考。
关键词：深基坑；稳定性；破坏接近度；变形
中图分类号：TU476.3 """"""""""""""""文献标志码：A"""""""""""""""文章编号：1008-0562（2024）06-0648-08
Stability analysis of deep foundation pit based on failure approach index
YAO Jiali1，3，"YAO Huayan1*，"CHENG Xiaobo1， ZHANG Zhanrong2，"ZHANG Yan2
（1. School of Civil and Hydraulic Engineering， Hefei University of Technology， Hefei 230009， China;
2. China Railway Siyuan"Survey and Design Group Company Limited， Wuhan 430063， China;
3."The Sixth Design Institute，"Shanghai Municipal Engineering"Design Institute Group Company Limited， Hefei 230031， China）
Abstract："To investigate the deformation and failure patterns of deep foundation pit during the excavation process and quantitatively assess the safety of the excavation， the stress state of the excavation soil was analyzed using FLAC3D"software and the failure approach index （FAI） theory. This analysis quantified the extent and range of damage to the surrounding soil of the excavation. The results indicate that the deformation of the retaining piles around the excavation exhibits a “small at both ends， large in the middle” characteristic， while the ground surface settlement deformation presents a “trough” shape. The failure approach index can intuitively reflect the degree of damage and evolutionary patterns of the rock and soil masses during excavation， quantifying the impact scope of excavation construction. The research conclusions provide a theoretical reference for quantifying the risk of foundation pit construction.
Key words： deep foundation pit; stability; failure approach index; deformation
0""引言
在大规模基坑工程中，基坑稳定性评价是基坑设计与施工需要考虑的重要问题，对基坑的安全施
工以及变形控制有着重要的意义。
近年来，越来越多的学者运用不同的理论和数值模拟软件对基坑开挖稳定性进行研究。程康等[1]通过分析杭州超深大基坑的实测数据，得到基坑变形、内力变化的一般规律，并结合杭州的16个基坑实例，总结出用开挖面积来计算墙体最大侧移的
经验公式，为相似基坑的变形计算提供参考。李涛等[2]推导了深基坑内支撑拆除过程中支护结构的水平变形计算方法，并与现场监测的数据进行对比。刘波等[3]重点关注非等深基坑的开挖变形，模拟偏压状态下的基坑开挖，获得基坑变形规律并指导施工。任建喜等[4]、张子龙等[5]通过模拟全盖挖法、先盾后井半盖挖法下基坑的开挖过程，获得了复杂工法下基坑的变形规律，并提出施工过程中的控制重点。WANG等[6]采用FLAC3D软件，研究钢支撑不同垂直位置对深基坑支护结构的影响，揭示了多支撑条件下围护桩的变形情况。LIU等[7]通过数值模拟，研究TRD水泥土搅拌墙及基坑周围土体的变形特征，为新工艺的应用提供参考。部分学者研究了基坑周边存在管线[8-9]、隧道[10-11]、桥梁[12-13]等构筑物情况下，基坑开挖时的稳定性及其对周边环境的影响，为基坑施工安全提供重要参考。
在模拟基坑工程开挖过程中，数值模拟方法通过塑性区来表示岩土体的破坏状态，无法对周围岩土体未进入塑性状态的危险区域进行有效划分，难以准确获得开挖过程中岩土体的破坏程度以及岩土安全状态的演化规律。为了更直观、更全面地评价岩土的危害程度，文献[14]和文献[15]在屈服接近度（YAI）[16]的基础上，提出了破坏接近度（failure approach index，FAI）的定义，推导出FAI的计算公式。文献[17]和文献[18]结合具体的隧道和边坡工程实例，分析得出FAI在表达应力集中程度、岩体损伤程度和稳定性分区方面理论上是合理的。然而，FAI尚未应用于基坑工程施工，无法对基坑施工过程形成有效的指导。
本文将FAI理论引入深基坑工程中，并采用FLAC3D软件分析基坑开挖过程中的变形规律。结合FAI和基坑土体的应力状态，对基坑周围土体的损伤程度和基坑开挖的范围进行量化分析，为类似工程的安全施工和风险控制提供参考。
1 "破坏接近度基本原理
破坏接近度是综合评价岩土体危险性程度的定量指标，采用一个空间连续的状态变量来评价整个岩土体区域的稳定程度。文献[14]和文献[15]通过塑性剪应变定义了评价材料变形破坏过程中损伤程度的指标，称之为破坏度，并结合屈服接近度概念[16]，定义了综合指标，即破坏接近度。在Mohr-Coulomb屈服准则下，破坏接近度为
，""（1）
式中：
为屈服接近度的相补参数，
，YYAI为屈服接近度；
为塑性剪应变；
为极限塑性剪应变。
在Mohr-Coulomb屈服准则下，屈服接近度可表示为
，（2）
式中：
为应力张量的第一不变量；
为偏应力张量的第二不变量；
为应力罗德角，°；
为黏聚力，kPa；
为内摩擦角，°。
在工程计算中，一般可以通过FFAI将岩土体划分为4个区域[14，17]：FFAI≥2.0为破坏区；1.0≤FFAI＜2.0为开挖的损伤区（塑性区）；0.8≤FFAI＜1.0为开挖扰动区；0≤FFAI＜0.8为低应力区。
2 "工程概况及模型建立
2.1 "工程概况
以沈阳地铁3号线某中间站为研究对象，该基坑为长条形，采用内支撑结构及灌注桩的支护方式。该基坑总体分为标准段和盾构井加宽段，开挖总长度为257.7"m。其中，标准段开挖宽度为20.8"m，开挖深度为16.99"m；盾构井段开挖宽度为25.2"m，开挖深度为18.59"m。围护桩直径皆为800"mm，标准段桩间距为1"200 mm，桩长为23.4"m；盾构井段桩间距为1"000"mm，桩长为25.4"m。支撑体系采用1道800"mm×800"mm的钢筋混凝土支撑，以及2道直径为609"mm、壁厚为16"mm的钢管支撑。基坑首道混凝土支撑平面见图1。
基坑场地为第四系全新统浑河高漫滩及古河道冲积层，该区域上部地层主要为粉质黏土、砂砾石，下部为砾砂、卵石、圆砾地层，图1中剖面Ⅰ支撑以及对应地层关系见图2。
2.2 "计算模型建立
（1）基坑模型
利用FLAC3D进行建模计算时，不仅要考虑基坑的开挖区域，还要考虑基坑开挖的影响范围，避免模型过小给计算结果带来明显误差。一般情况下，基坑开挖对周边的影响距离为基坑开挖深度的3～5倍[19]。根据基坑的几何尺寸，确定该车站深基坑的计算模型大小为437"m×205"m×60"m（长×宽×高），整体模型见图3。
（2）本构模型
土体的本构模型采用岩土工程领域中常用的M-C弹塑性模型，该模型适用于松散或胶结的颗粒状材料、土体、岩石等材料。采用1模型对开挖部分进行模拟。根据地质勘查报告，土体的计算参数见表1。
在实际的工程中，考虑到腰梁、冠梁等结构对围护桩的作用，钻孔灌注桩的受力情况与地下连续墙类似[20]。将围护桩按照等效刚度原则分别等效为0.62"m、0.58"m厚的地连墙，并采用实体单元模拟。等效公式见式（3）。混凝土支撑与钢支撑采用梁结构单元进行模拟。则地连墙等效厚度为
，"""""""""（3）
式中：
为围护桩直径，m；
为桩体净距，m。
围护桩采用C30混凝土，冠梁和第一道混凝土支撑采用C30混凝土，钢支撑采用直径为609"mm、壁厚为16"mm的钢管支撑。围护结构计算参数见表2。
（3）边界条件及计算工况
模型四周仅约束边界法向位移，底部水平边界采用固定约束，上平面无任何约束。考虑施工机械及材料堆载的影响，在基坑边缘10"m范围内施加向下均布载荷，大小为20"kPa。根据基坑明挖法施工顺序，确定相应的模拟过程，计算工况见表3。
3 "计算结果分析
3.1 "基坑开挖过程中的变形分析
（1）围护结构水平位移
基坑在开挖过程中，坑内土体被移除，围护桩向基坑内部产生位移，最大水平位移发生在端头井长边的中部，即图1中ZQ3点。围护桩水平位移变化见图4。
由图4可知，随着基坑开挖深度的增加，围护桩的水平位移增大，整体变形呈中间大、两头小的形态，原因是首道混凝土支撑约束了桩顶位移，围护桩下部嵌固在较硬的砂卵石地层中，导致围护桩两端水平位移较小；由于内支撑的支护作用，调整了整个支护体系的刚度，使围护桩的水平位移在不同深度呈不均匀分布，最终围护桩水平位移大致呈现“弓”形。随着基坑开挖深度的增加，围护桩最大水平变形部位随着开挖进行逐渐下移，开挖完成后，最大位移点在围护桩顶下部15"m左右，约为基坑开挖深度的5/6，最大水平位移为12.12"mm。最大水平位移约为H的0.067%，其中H为基坑开挖深度，与文献[21]得到的围护桩水平位移最大值为H的0.04%～0.24%的结论基本吻合。
（2）基坑外地表沉降
图1中ZQ3点处地表沉降变化见图5。由图5可知，随着基坑开挖深度的增加，地表沉降明显增大，地表沉降最大值为14.37"mm。由于受内支撑的约束，围护桩顶部位移较小，使得坑外紧邻墙体处地表沉降较小。此外，围护桩外侧的土体与支护桩接触面之间的摩擦力在一定程度上制约土体下沉，因此地表最大沉降并未出现在墙后，而是随着与基坑边缘距离的增大而增大，在距离基坑边缘约10"m处达到最大值，之后随着离基坑边缘距离的增加沉降值又逐渐减小，最后逐步趋于0，整个沉降曲线大致呈“凹槽”形分布。地表沉降最大值约为H的0.079%，与文献[19]、文献[22]根据大量砂卵石地层地铁车站基坑监测数据得出的地表沉降最大值约为H的0.034%～0.316%的结果相近。
3.2 "基于破坏接近度的基坑开挖稳定性分析
模拟开挖过程时，通过FLAC3D软件的内置FISH语言，获得基坑在不同开挖深度下深层土体的破坏接近度分布。工况4下端头井长边中部断面Ⅰ（位置见图1）的破坏接近度分布与基坑塑性区分布见图6，基坑标准段中部断面Ⅱ的破坏接近度分布与基坑塑性区分布见图7。破坏接近度大于等于1的区域和FLAC3D计算的塑性区大致相同，均集中在基坑侧壁，表明破坏接近度的分析较为合理。在未进入塑性状态的弹性区域，相比于塑性区分布，破坏接近度展示了更加丰富的信息，能够对该区域进行损伤程度的定量划分。
不同工况下端头井长边中部断面Ⅰ的破坏接近度分布见图8。在基坑开挖深度增大的过程中，破坏接近度较大的区域基本分布在基坑侧壁及围护桩底部区域。随着开挖深度增大，基坑围护桩后邻近土体破坏接近度由0.6、0.7迅速增长到1.0，表明基坑侧壁后邻近土体在开挖后期已经进入塑性状态，力学性能已经劣化。破坏接近度大于0.8的区域（即开挖扰动区）在开挖过程中迅速扩展，最终连通基坑侧壁区域和围护桩底部区域，形成更大的开挖扰动区。
为了更准确地确定深基坑开挖对周边环境的影响区域及影响程度，结合3.1节的计算结果，将各测点的地表沉降δV除以基坑最大沉降量δVmax的绝对值、距基坑边缘距离d除以基坑开挖深度H，并以
此为基础绘制基坑地表沉降的无量纲图，初步确定基坑开挖对地表沉降的影响分区，结果见图9。图9中，A～D分别为强影响区、较强影响区、弱影响区、无影响区。
由图9可以看出，在距离基坑边缘0～1.2H内，地表沉降量先增加后减小；在距离基坑边缘0.5H处，地表沉降量达到最大值；在距离基坑侧壁1.2H处，地表沉降量与基坑边缘接近，且地表沉降的减小速率明显变小；在距离基坑边缘1.2H～1.7H内，沉降量从最大沉降量的30%左右减小为最大沉降量的10%左右，此时地表沉降受基坑开挖的影响较强；在距离基坑边缘2.5H外的区域，地表沉降的减小速率趋于平缓，随着距基坑侧壁距离的增加，地表沉降量逐渐趋近于0。
由此可将基坑开挖对地表沉降的影响分区划分如下：0～1.2H为基坑开挖的强影响区；1.2H～1.7H为较强影响区；1.7H～2.5H为弱影响区；2.5H以外区域为无影响区。
结合图9和图8（d），得到基于破坏接近度的基坑开挖影响分区，见图10。图10中基坑开挖的强影响分区边界几乎和破坏接近度计算得到的FFAI≥0.8的区域相匹配，故可将FFAI≥0.8的区域定义为强影响区域，强影响区从基坑底部开始，以一条弧线逐渐扩散至地表距基坑边缘1.2H处。较强影响区从基坑围护桩底部开始，以一条弧线逐渐扩散至地表距基坑边缘1.7H处。较强影响区边界和破坏接近度计
算得到的FFAI=0.75的区域边界有较好的一致性，故可将0.75≤FFAI＜0.8的区域定义为较强影响区域。弱影响区则为基坑围护桩底部的水平线、2.5H所在位置的竖直线所划定的区域。2.5H以外的土体为无影响区域。对于基坑工程的施工，地层变形对周边环境或建筑物会产生不利的影响，需要严格控制地层沉降变形，取FFAI=0.75作为开挖扰动区下限更合理。
对图10进行简化，获得基坑开挖对周围土体的影响分区示意，见图11。图11中，A～D分别为强影响区、较强影响区、弱影响区、无影响区。A区域边界为长轴、短轴分别为1.2H和H的椭圆弧；B区域边界为长轴、短轴分别为1.7H和L（围护桩长）的椭圆弧；C区域边界为长、宽为2.5H和L的长方形。
根据上述分析，针对处于不同影响区域内的建筑物，建议采用不同的控制措施，具体建议措施如下：建筑物位于强影响区时，当其受基坑开挖影响较大时，可釆用注浆加固等方法控制其变形；建筑物位于较强影响区时，施工过程中必须加强监控量测工作；建筑物位于弱影响区时，根据建筑物自身的健康状况，适当布置一些测点或者不进行监测；建筑物位于无影响区时，不釆取控制措施。
4 "结论
结合工程实例，采用FLAC3D软件，模拟了基坑开挖过程中的变形规律，利用破坏接近度理论对基坑土体的应力状态和危险水平进行评价，得出以下结论。
（1）通过FLAC3D软件获得基坑开挖时的变形规律，围护结构的变形曲线呈“弓”形，最大水平位移为12.12"mm，地表沉降变形曲线呈“凹槽”形，最大沉降点在距基坑边缘约10"m处，地表沉降最大值为14.37"mm。
（2）破坏接近度能有效表达塑性区的分布，可以反映基坑开挖过程中岩土体的损伤程度和演化规律，表明破坏接近度方法对于深基坑工程较为适用。
（3）通过计算结果确定砂卵石地层深基坑开挖对周边土体的影响分区。将基坑开挖的影响区域按照基坑深度划分为强影响区、较强影响区、弱影响区、无影响区。
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