张阿晋

上海建工集团股份有限公司 上海 200080

随着经济高速发展及城市化进程的快速推进，我国很多城市迎来了房地产开发的热潮，城市里的基坑工程越来越多，并且开挖规模越来越大，开挖深度也越来越深。对于深大基坑，在施工过程中由于其卸荷量大，导致其产生的位移、应力场影响非常显著[1]，严重时将直接影响到基坑的稳定和安全，尤其是在上海等软土地区，其土体含水量高、压缩性大，抗剪强度低、灵敏度高，深大基坑工程施工面临着周边保护建（构）筑物众多、各类市政生命管线纵横交错、施工场地狭小等制约因素，因此对深大基坑的施工安全开展研究和分析具有非常重要的社会意义。

有限元法由于其强大的适用性，正日益成为基坑开挖安全分析强有力的工具。大量学者基于数值的方法对基坑开挖以及基坑开挖对邻近既有设施的影响进行了模拟[2-7]。然而众多基坑开挖有限元分析经验表明，有限元模拟结果的可靠性极大地依赖于所使用的土体本构模型和计算参数。模型以及参数选取的正确与否将直接决定着基坑施工安全分析评价的合理性。

本文将基于深大基坑实体工程，结合有限元与现场监测方法对深大基坑施工安全展开分析和研究，通过对比数值分析和实测数据结果，验证利用有限元法开展深大基坑施工安全分析的合理性和可行性。

1 工程概况

1.1 项目概述

本项目位于上海市黄浦区，为小东门街道616、735街坊项目T1地块，在王家嘴角街以东，中山南路以西，董家渡路以北，新码头街以南。整个地块下设4层地下室，基坑周长约307 m，面积约为5 845 m2，开挖深度为25.9 m，基坑围护结构采用地下连续墙＋6道临时水平混凝土支撑，其中地下连续墙厚1.2 m，水平混凝土支撑采用C30混凝土（图1）。

图1 T1地块基坑支撑平面布置示意

1.2 工程地质条件

依据现场的工程地质勘察资料，场地地基土在勘察深度范围内均为第四系松散沉积物，主要由饱和黏性土、粉性土和砂土组成。场地土层中①、④、⑤层土为Q4沉积物，⑥、⑦、⑨层土为Q3沉积物，⑩、⑪、⑫、⑬、⑭、⑮为Q2沉积物。根据场地土层分布情况，场地属于滨海平原相土层。本项目基坑主要处于①3黏质粉土、④淤泥质黏土、⑤1-1黏土、⑤1-2粉质黏土、⑥粉质黏土、⑦1砂质粉土、⑦2细砂中。

2 数值模型

数值分析采用国际通用的大型专业的三维岩土有限元商用软件Midas/GTS。

2.1 有限元模型

在模型网格划分（图2）中，土体采用实体单元进行模拟，地下连续墙采用板单元进行模拟，横向支撑采用梁单元进行模拟。模型尺寸依据基坑开挖边界效应的影响进行选取：x方向为模型长度方向，取为270 m，y方向为模型宽度方向，取为290 m，z方向为基坑开挖深度方向，取为60 m。

2.2 边界条件

在模型左、右边界施加y方向约束，在模型前、后边界施加x方向约束，在模型的下部边界施加z方向约束。

2.3 参数选取

土体采用修正Mohr-Coulomb弹塑性本构，地下连续墙及围护结构采用弹性本构。地下连续墙与土体间的接触关系以及支撑与地下连续墙间的接触关系均采用共节点的接触关系。土体的物理力学材料参数参照工程地质勘探报告取得，地下连续墙及围护结构物理力学参数依据C30混凝土的材料参数取得（表1）。

表1 土体的物理力学计算参数

2.4 工况分析

本次模拟采用弹塑性计算，分步施工。根据实际工程施工部署，步序为：初始地应力场（图3）→地下连续墙施工→依次开挖土体并施加支撑至坑底。

图2 模型网格划分示意

图3 初始地应力场分布

3 结果分析

3.1 地下连续墙变形

基坑开挖至坑底后，从地下连续墙的水平位移云图（图4）中可以看出，四侧地下连续墙的最大水平位移较为接近，最大水平位移为58.5 mm，出现在靠左侧的地下连续墙中。

图4 地下连续墙水平变形

从左侧地下连续墙A-A处深层水平位移随地下连续墙深度分布情况的数值结果与现场结果对比（图5）中可以看出，数值结果与现场结果有着较好的吻合，然而地下连续墙水平位移最大值并没有出现在基坑坑底，而是出现在第6道支撑附近，这可能与第6层土超挖或地下连续墙插入比等因素有关。在地下连续墙变形最大处，其后土体变形也较大，土体容易发生塑性变形或破坏。而对于高灵敏度软土地区，该区域土体结构受扰动最大，对工后影响较大。在软土基坑工程中，地下连续墙水平位移最大值与开挖深度比一般控制在0.3%，图5中显示的地下连续墙最大水平位移满足设计要求。

图5 地下连续墙水平位移分布

3.2 基坑底部隆起

基坑开挖至坑底后，从基坑开挖面隆起云图（图6）中可以看出，基坑底部中心位置隆起最大，最大值为100.6 mm。

3.3 地表竖向位移

在地表竖向位移分布的数值结果与实测结果对比（图7）中，s表示与地下连续墙的距离，正值表示隆起，负值表示沉降。从图7中可以看出，地表沉降呈“凹槽”形分布，在距离地下连续墙40 m位置处的竖向位移已基本收敛。沉降实测和模拟最大值分别为25.9 mm和22.4 mm，出现在距离地下连续墙后约15 m位置处，数值结果比实测结果稍小，但是分布趋势相近。在接近地下连续墙的位置，地表发生隆起，这是由于地下连续墙向上发生位移引起的。在软土地区的基坑设计中，地表沉降最大值与基坑开挖深度比一般控制在0.2%，可见在该项目基坑施工中，地表竖向位移能完全控制在此范围内。

图6 基坑隆起云图

图7 地表竖向位移分布

4 结语

本文从实际工程出发，采用数值模拟和现场监测手段对深大基坑的施工安全及其影响展开了分析，主要得到以下结论：

1）通过对比有限元计算和现场监测结果，发现两者有着较好的吻合，采用基于修正Mohr-Coulomb本构模型的有限元计算方法对深大基坑围护结构变形以及周围土体应力位移场进行模拟和分析是合理的。

2）通过数值和现场结果分析表明，基坑围护变形及周围土体沉降均能满足软土地区深大基坑设计要求。

3）在基坑开挖至坑底后，地下连续墙最大水平位移并未发生在基坑坑底附近，而是发生在第6道支撑处，这可能是受第6层土体超挖或地下连续墙插入比设计等因素的影响。

4）基坑开挖对邻近地表的影响范围在地下连续墙后40 m范围内，其最大沉降值出现在地下连续墙后15 m处。