李 涛

0 引言

近年来我国的高层建筑不断增加，深基坑工程愈来愈多。进行基坑开挖时，围护结构的变形与周围地表沉降成为研究的热点和难点问题［1，2］，尤其在含水量大、渗透系数小的软土地区开挖时，由于基坑开挖卸载将在坑底和周围土体中产生负的超孔隙压力［3］，使得开挖到设计标高时坑底的隆起和围护结构变形并不会立即完成。在国外，Whittle(1993)［5］，Ou ＆ Lai(1994)［6］等较早的研究了负超孔隙压力的消散以及带来的影响;在国内，连镇营(2001)［8］，李广信(2001)［9］，李玉岐等(2005)［10］分别研究了渗透系数对基坑开挖过程中负超孔隙水压力消散以及消散过程中对挡墙稳定和基坑隆起的影响。本文主要利用ABAQUS有限元软件建立二维基坑开挖模型，利用修正剑桥土体本构模型，研究基坑开挖过程中负超孔隙压力的消散对基坑支护结构稳定性的影响。

图1 有限元分析网格划分图

表1 修正Cam-Clay模型的计算参数

1 工程概况及模型概述

太原市某深基坑工程，假定地下水位位于地表，基坑长约100 m，宽约30 m，平面呈矩形分布，基坑开挖深度10．0 m，地面标高为±0．0 m，基坑底标高为 -10．0 m。围护结构采用桩锚支护，在3 m，6 m分别打长度为15 m和20 m的土层锚杆，桩截面直径0．8 m，基坑分3步开挖，每步开挖3 m，3 m，4 m，每步开挖后的施工间歇时间分别为10 d，20 d，30 d。因荷载分布，施工条件等均为轴对称，以基坑各边中线为对称轴，根据对称性，取基坑的1/2作为计算区域建立二维模型。据基坑开挖影响范围(水平方向)和影响深度分别约为开挖深度的3倍～4倍和2倍～3倍，取计算区域为60 m×30 m。土体及围护结构的网格剖分如图1所示。为便于计算，选取土体参数的加权平均值，取土体竖向和水平向渗透系数 k=1．2×10-6m/s，土体干密度 rd=1 342 kg/m3，饱和密度rsat=1 847 kg/m3，土体为完全饱和土，饱和度为1．0，孔隙比1．02，土体本构模型采用修正的Cam-Clay模型，其计算模型的计算参数见表1;桩支护结构单元采用梁单元模拟，支护单元模型采用线弹性模型，弹性模量取2．6×109Pa，泊松比取为0．25;每步开挖结束后假设基坑开挖底面孔压为0。

2 有限元分析结果

各步开挖结束时，基坑的负超孔隙压力的有限元结果和各步施工间歇期结束后负超孔隙压力的有限元结果如图2～图7所示。各步开挖结束时的基坑支护结构弯矩和变形及施工间歇期结束后对比图如图8，图9所示。

图2 第一步开挖结束后负超孔隙压力分步云图

图3 第一步开挖结束10 d后负超孔隙压力分步云图

图4 第二步开挖结束后负超孔隙压力分步云图

图5 第一步开挖结束20 d后负超孔隙压力分步云图

对比分析施工结束后和超静孔隙水压力消散后桩身弯矩的变化(见图8)，可以发现，前两步开挖结束后和超静孔隙水压力消散后对比，桩身最大正弯矩基本无变化，最大负弯矩有明显增大，第一步开挖结束后和第一次超静孔隙水压力消散后对比，最大负弯矩从58．9 kN·m增大到64．7 kN·m，增大幅度13%;第二步开挖结束后和第二次超静孔隙水压力消散后对比，最大负弯矩从192 kN·m增大到206 kN·m，增大幅度7%;第三步开挖结束后和第三次超静孔隙水压力消散后对比，负弯矩有所减小，正弯矩有所增大，最大负弯矩从352 kN·m回落到330 kN·m，回落幅度6．7%，最大正弯矩从170 kN·m增大到176 kN·m，增大幅度4%;综合比较弯矩变化的情况，超静孔隙水压力消散对桩身内力的变化是不利的。

图6 第三步开挖结束后负超孔隙压力分步云图

图7 第三步开挖结束30 d后负超孔隙压力分步云图

图8 开挖结束与超静孔隙水压力消散后桩身弯矩对比图

图9 开挖结束后和超静孔隙水压力消散后桩身水平位移对比图

对比施工开挖结束后和超静孔隙水压力消散后的桩身水平位移(见图9)。从曲线图可以看出，每一次超静孔隙水压力消散后桩身水平位移均有所增大，第一次超静孔隙水压力消散后和第一步开挖结束后对比，最大值增大了13 mm，第二次超静孔隙水压力消散后和第二步开挖结束后对比，最大值增大了5 mm，增大幅度较上步小，第三次超静孔隙水压力消散后和第三步开挖结束后对比，最大值增大了4 mm。可见，超静孔隙水压力消散后桩身的变形均有不同程度的增大。

3 结语

综合比较超静孔隙水压力消散对桩身弯矩、桩身变形可知，随着超静孔隙水压力的消散，桩身弯矩和变形均有不同程度的增大，超静孔隙水压力的消散对基坑施工工程中的稳定性是不利的，结合计算结果并探讨变化产生的原因，主要原因在于:开挖卸荷引起土中产生负的超静孔隙水压力，在初期的时候将减少支护结构上的总压力，对支护结构的稳定是有利的，但随着孔压的恢复，地基土有效应力逐渐降低，土体变形产生膨胀，引起土体抗剪强度的降低，从另一方面来讲，对于土体的卸荷过程，完成的初期是安全的，而消散后是不利的。这也就要求施工人员在进行工程施工时，快速施工，利用产生负超静孔隙水压力的初期，提高基坑施工过程中的稳定性。

［1］ 陆培毅，顾晓鲁，钱 征．天津港务局综合业务楼深基坑支护与监测［J］．岩土工程学报，1999，21(3):323-327．

［2］ 娄奕红，俞三溥，王秉勇．基坑支护结构内力及变形动态分析［J］．岩石力学与工程学报，2003，22(3):462-466．

［3］ 付艳斌，朱合华，杨 骏．软土卸荷时效性及其孔隙水压力变化实验研究［J］．岩石力学与工程学报，2009，28(1):3248-3249．

［4］ Ou C Y，Chiou D C．Three-dimensional finite element analysis of deep excavation［J］．J．Geotech．Engrg．ASCE，1996，122(5):337-345．

［5］ Whittle A J，Hashash Y M A，Whitman R V．Analysis of a deep excavation in boston［J］．J．Geotech．Engrg，ASCE，1993，119(1):69-90．

［6］ Ou C Y，Lai C H．Finite element analysis of deep excavation in layered sandy and clayey soil deposits［J］．Canadian Geotechnica Journal，1994(31):204-214．

［7］ Whittle A J，Hashash Y M A，Whitman R V．Analysis of a deep excavation in boston［J］．Geotech．Engrg．，ASCE，1993，119(1):69-90．

［8］ 连镇营，韩国城．土体开挖超孔隙水压力三维数值分析［J］．工程力学，2001(sup):502-506．

［9］ 李广信，陈 平，介玉新，等．加筋挡土墙在二维超静孔压下的稳定分析［J］．土木工程学报，2001，34(3):103-106．

［10］ 李玉岐，魏 婕，谢康和．负孔压消散对坑底的回弹影响研究［J］．长江科学院院报，2005，22(4):52-55．