濮仕坤 王占生 李文峰 劳晓涛 褚兴超

1. 陆军工程大学国防工程学院 江苏 南京 210007；2. 苏州轨道交通集团有限公司 江苏 苏州 215004；3. 原南京军区工程环境质量监督站 江苏 南京 210000

由于深基坑支护工程的复杂性和不确定性，引发的问题越来越多，甚至造成重大工程事故[1-3]。特别是在地质条件较差的土层中，基坑的开挖、支撑和围护带来的问题常常造成附近建筑物和市政设施产生较大的变形和沉降，直接影响正常使用。因此，研究深基坑的支护问题，具有重要的现实意义。

本文利用有限元软件Midas GTS NX，结合现场土体的参数，建立三维数值分析模型，将环形支撑体系和竖向围护结构作为一个协调工作的整体结构，通过分析模拟结果，为基坑施工设计提供依据，对工程实践具有一定的参考意义。

1 国内外研究现状

基坑开挖是一项古老的研究课题，Capse[4]提出了多支撑围护结构后的土体破裂面的对数螺旋线位移模式，将墙后的土体分成3个区：A塑性区、B弹性区和C非扰动区。

Peck[5]根据芝加哥、奥斯陆等地的现场地面沉降监测资料，提出了针对不同土层的墙后地面沉降和沉降范围的经验关系曲线及相应的经验计算方法。

侯学渊等[6]采用以Biot固结理论为基础的有限元及无限元的耦合方法进行了深基坑开挖的模拟计算，研究了基坑开挖宽度、横向支撑刚度、基坑开挖深度、墙体刚度对支护结构侧移与地表沉陷的影响。

孙钧[7]将地下连续墙围护基坑开挖引起的坑外地面沉降原因归结为6个方面。

Clough等[8]根据地面沉降的现场实测数据分析，给出了砂土、硬塑至坚硬黏土和软塑至可塑黏土地基中基坑开挖引起的坑外地面无量纲沉降界线分布模式。

Ou等[9]认为基坑开挖过程中坑外地面沉降槽通常有凹槽形和三角形2种形式。

2 工程概况

拟建场地位于南京市下关区商埠街郑和中路西侧，东至惠民大道，西至下关电厂宿舍区，南至下关区政府，北至公共路。

基坑开挖面积8 892 m2，基坑周长378 m，本工程地下3层，地下1层板面标高－6.40 m，地下2层板面标高－10.20 m，地下3层板面标高－14.00 m，基坑平均开挖深度15.5 m。地面相对标高－1 m。

3 基坑支护方案确定

3.1 基坑安全等级

基坑挖深14.40～17.40 m，基坑开挖深度内主要为淤泥质粉质黏土、粉质黏土，土质较差，基坑安全等级为一级，基坑重要性系数γ0=1.1。

3.2 基坑支护方案

该基坑属于深基坑，开挖深度深，面积大，土质较差，且安全等级为一级。为控制基坑的变形，保证周边环境安全，综合考虑各种因素，本基坑采用钻孔灌注桩围护结构，加3道混凝土环形支撑，竖向采用立柱桩加钢格构柱的支护方式[10]。

4 基坑三维模型的建立

4.1 有限元建模软件介绍

本文采用Midas GTS NX对基坑进行有限元模拟。Midas GTS NX软件主要是针对岩土隧道领域结构分析所需要的功能而直接开发的程序，该计算软件具有快速直观的三维建模、快速准确的自动网格生成、专业的岩土分析功能和直观的分析结果等特点，已越来越多地被应用到岩土工程领域中。

Midas GTS NX软件提供了对计算单元进行“激活”与“钝化”的处理功能，可以用该功能来模拟隧道的掘进过程与基坑开挖过程。其特有的Multi-Frontal求解器能进行快速的分析计算，其还有出色的图形处理技术，能够为实际工程提供满足需要的分析结果[11]。

在有限元建模过程中，基坑开挖施工工况分析为施工阶段分析。现场的实际施工阶段非常复杂，也经常发生变化，施工阶段分析一般是将其简化，取比较重要的施工阶段进行分析。根据实际基坑开挖施工工况将其抽象为数值分析所采用的施工步骤，再将所有的土体与结构物离散为网格后，定义这些网格的起始施工步和终止施工步，起止施工步的不同体现了不同区域的开挖和主体结构的施工进度。

4.2 土体参数的选择

基坑土体参数采用工程中常用的摩尔-库伦模型作为土体本构关系模型。为简化计算，在满足计算精度要求和可以得到有效结论的前提下，进行如下基本假设：同一材料均为均质、各向同性；土体为理想弹塑性材料；不考虑土体排水固结；混凝土材料按线弹性考虑；不考虑支护结构施工对土体的扰动。模型中土的具体参数见表1。

表1 模型中土层参数

4.3 支护结构模型参数

4.3.1 钻孔灌注桩

基坑围护墙体采用φ1 200 mm@1 400 mm钻孔灌注桩。为简化建模过程，并且由于在Midas GTS NX中采用钻孔灌注桩建模时计算结果会出现不收敛的情况，所以在Midas GTS NX中一般采用地下连续墙等刚度替换[12]；设钻孔灌注桩的直径为1.2 m，间距为0.2 m，得到等刚度替换的地下连续墙厚度为0.96 m。钻孔灌注桩强度为C35，弹性模量315 MPa，泊松比0.2，重度25 kN/m3，相对标高－32.3 m。

4.3.2 立柱

采用4∠×160 mm×16 mm型和4∠×160 mm×12 mm钢格构柱，插入立柱桩3.0 m。立柱桩采用φ900 mm钻孔灌注桩，相对标高－67.3 m。

4.3.3 水平支撑

水平支撑参数见表2。

表2 水平支撑参数

4.4 施工工况

施工过程主要分为6个工况，具体如表3所示。

表3 各施工工况相对标高

4.5 三维模型的建立

4.5.1 基坑三维模型

拟建基坑设计开挖宽度为97.6 m，开挖深度为15.5 m，根据经验可知，基坑开挖对周围土体和建筑物的影响区域大致为3～5倍开挖宽度，5倍的开挖深度[13]，取模型尺寸（长×宽×高）为300 m×300 m×76.3 m（图1、图2）。

4.5.2 边界及荷载条件定义

左右约束x方向位移，前后约束y方向位移，底部约束z方向位移，顶部无约束。整个顶部施加15 kN/m2的均布荷载，南京市下关区检察院施加荷载为85 kN/m2，下关区档案馆施加荷载为70 kN/m2（图3）。

图1 基坑支撑平面布置

图2 基坑支护模型

图3 施加约束及荷载

5 计算结果分析

5.1 基坑及周边监测点

为了能更好地了解基坑在开挖过程中的土体变形，支护结构的受力、变形，以及周边土体的变形情况，在模型中设置部分监测点，以观察相应参数的变化情况。

5.2 结果分析

5.2.1 地下连续墙位移

从地下连续墙位移情况（图4）可以看出，第1步开挖1.7 m后，连续墙上部位移很小，随深度增加侧移逐渐增加，最大为2 mm。加第1道支撑并开挖到6.7 m深度时，地下连续墙的侧移明显增大，呈“鱼腹状”，最大侧移为5.5 mm，发生在地下23 m处；加第2道支撑并开挖至11.7 m时，最大位移位于地下10 m位置，为8.1 mm；加第3道支撑并开挖至15.7 m时，最大位移位于地下15 m位置，为14.6 mm。

图4 地下连续墙深层水平位移

随着开挖深度增加，地下连续墙侧移不断增大，最大位移的位置随着开挖深度的增大先上移后下移，最终稳定在开挖面附近。当开挖至坑底时，各测点位移增长均较大。本基坑地下连续墙最终位移控制在了较小的范围内，说明该支护方案是成功且有效的。

5.2.2 周边道路沉降

本工程基坑周边的道路沉降监测点自西北角至东南角共布置有12个，沉降监测结果显示，基坑周围西北角、东北角、东南角沉降量较其他位置大，基坑中间道路沉降基本相同，变化不大，越靠近4个角，沉降越大。其中东南角的沉降量最大，为14.8 mm。周边道路沉降均未超过30 mm，符合规范要求。

5.2.3 周边建筑物沉降

周边建筑物各个测点随着开挖深度的增加，沉降量也随之增加。每一个工况下，周边建筑物各个测点的差异沉降均不超过2/1 000，符合要求。

5.2.4 立柱沉降

立柱的差异沉降或回弹是支护结构与主体地下结构相结合的基坑工程设计中需要特别对待的问题，较大的差异沉降或回弹将会对水平支撑体系产生不利影响。本工程中各立柱沉降最大值为9.8 mm，不超过规范值10 mm，差异沉降也不超过10 mm，因此不会对基坑支护体系产生较大影响，能够保证基坑安全。

通过模拟结果可知，支护结构的位移、周边道路及建筑物的沉降量均在规范要求的范围内，该支护体系能满足开挖要求，保证开挖过程中基坑安全及稳定。同时，由有限元软件Midas GTS NX还可以得到其基坑坑底隆起、支撑结构轴力、剪力、弯矩，通过分析其在各个步骤及各个位置的具体数据，从而为基坑开挖方案的确定、支护结构的选取、监测的进行等提供依据。

5.2.5 坑底隆起

由于基坑开挖深度较大，立柱及立柱桩的存在并不能有效减小坑底回弹量，而坑底较大的回弹量会对基坑的稳定性及安全造成极大的威胁，本工程取最后一步开挖时的坑底回弹量作为研究对象，并得到了其坑底回弹图（图5）。

图5 坑底回弹

第4步开挖完成后，坑底最大回弹量为92 mm，由于基坑底部隆起量较大，建议及时施作底板，防止基坑底部土体过度隆起从而导致基坑失稳破坏。

5.2.6 支撑轴力

由有限元分析结果可得出，第1～3道支撑最大轴力分别为2 009、8 069、7 167 kN。在3道支撑结构中，第1道支撑结构承受轴力最小，第2道支撑和第3道支撑结构承受轴力差异不大。因此为方便设计施工，第2道支撑与第3道支撑可相同设计。由模拟结果可知，基坑4个角方向轴力较大，施工时应重点监测。

5.2.7 支撑结构剪力

由有限元分析结果可得出，第1～3道支撑最大剪力分别为229、442、300 kN。在3道支护结构中，第1道支护结构承受剪力最小，第2道支撑剪力比第3道支撑大。因此，为方便设计施工，第2道支撑与第3道支撑应按第2道支撑最大剪力设计。由模拟结果可知，内环梁和外环梁承受剪力较大，施工时应重点监测。

5.2.8 支撑结构弯矩

由有限元分析结果可得出，第1～3道支撑最大弯矩分别为570、1 436、960 kN·m。在3道支护结构中，第1道支撑结构承受弯矩最小，第2道支撑和第3道支撑结构承受弯矩差异不大，且第2道支撑弯矩大于第3道支撑。因此为方便设计施工，第2道支撑与第3道支撑应按第2道支撑最大弯矩设计。由模拟结果可知，基坑内环梁、外环梁以及圈梁东西南北方向的中间位置弯矩较大，设计时应在这些位置有所加强，施工时应重点监测。

6 研究展望

在本文的研究过程中，发现有很多问题尚需更深入的研究，下述问题将是今后进一步的研究方向：

1）由于混凝土和土性质差异较大，本文在采用三维有限元方法进行参数分析时并没有考虑桩和土之间的接触面，因而模型的模拟与实际还是有一定的差距。

2）一些学者观察到混凝土的收缩和徐变以及在大气温度变化时的膨胀会对基坑的变形产生较显著的影响，如何在数值分析中评价这些复杂的因素对基坑变形的影响还有待于进一步的研究。

3）本文的数值分析中尚未考虑时间因素对变形的影响。采用较合理的本构模型反映土体的流变，基于有效应力原理考虑土体变形与地下水的耦合，分析时间因素对支护结构与主体地下结构相结合的深基坑变形的影响程度也是一个需进一步研究的问题。

7 结语

本文用Midas GTS NX对基坑进行三维有限元建模， 对基坑建立了考虑土、围护结构、水平支护体系和竖向支承系统共同作用的三维有限元模型，有效实现了理论与实际的结合。土体采用弹塑性的摩尔-库伦模型，实现了对基坑开挖过程的仿真模拟。

在此基础上系统地分析了均质地层中基坑开挖过程围护结构的变形和位移、周边道路的沉降、周边建筑物的沉降、立柱的沉降、坑底的隆起变形以及支撑结构的轴力、剪力、弯矩等。

通过比对模拟结果和规范值可知，该支撑体系满足规范的要求，能够保证基坑开挖过程中的安全。同时可以根据其坑底隆起、支撑结构轴力、剪力及弯矩等为进一步的设计施工优化提供依据。