蔡志雄

(福建省围垦建设工程有限公司，福建 漳州 363100)

1 工程背景

长泰县城乡供水一体化一期工程岩溪自来水厂及配套管网工程位于漳州市长泰区岩溪镇境内工业区路口旁的空地，水厂总规模2万m3/d，近期规模1万m3/d。主要建设内容包括絮凝沉淀池、V型滤池(包括管廊和反冲洗泵房)、清水池、排水池、污泥浓缩池、污泥脱水机房、加氯加药间及送水泵房等构(建)筑物。施工场地标高为35.5～41.2 m，基坑开挖深度为1.0～6.6 m。地下水初见水位埋深为 1.0～2.0 m，高程为38.0～39.5 m，由于该场地地下水主要接受大气降水补给，且该场地上部为透水率较低的粉质黏土层，地下水的动态变化幅度较小。工程送水泵房及吸水井、排水排泥池基坑需要进行深坑土方开挖，开挖深度大于5 m，根据环境条件、地层分布等情况本工程支护分5个剖面进行支护设计。长泰县位于福建省沿海地区，存在较厚的软土地层和淤泥层，土体存在较高的塑性指数和压缩指数，存在比较显著的蠕变性特点，给基坑施工造成一定的难度[1]。在基坑施工过程中，维护结构和土体之间是一个互为因果的复杂关系。由于水厂施工特点，在基坑开挖之后经常需要长期暴露，其中蠕变效应作为重要的变量，会造成围护结构和土体变形的持续发展[2]。基于此，此次研究利用数值模拟的方式，探究基坑在长期暴露的情况下，淤泥层土体的蠕变效应对基坑变形的影响，以便对相关工程设计和施工提供支持和借鉴。

2 有限元计算模型

2.1 计算软件的选择

Midas GTS NX是一款大型通用有限元分析软件，可以提供静力、动力、边坡稳定等诸多工程研究分析模式[3]。同时软件基于计算机图形处理技术和分析技术，可以为用户提供方便的操作界面和强大的分析计算功能，目前已经在深基坑、隧道和铁路等诸多工程领域获得广泛应用。基于此，此次研究选择Midas GTS NX软件进行背景工程基坑的有限元模型构建。

2.2 有限元模型的构建

按照工程设计，基坑剖面均采用放坡挂钢筋网喷射混凝土的支护型式进行支护。在基坑挖出的作业面修整后，尽快初喷喷 C20 细石混凝土面层，厚度为40 mm。待其凝固后在坡顶设置Φ18压筋，长500 mm，间距1500 mm×1500 mm。然后铺设Φ8@200×200钢筋网，在铺设面层钢筋网后，喷射 C20 混凝土面层，厚度为40 mm。根据有限元分析计算的特点以及以往的工程应用经验，为了避免选取的模型尺寸对计算结果的准确性的影响，同时尽量控制计算工作量，此次研究中取基坑开挖深度的4倍作为横向开挖的影响范围[4]，取基坑钻孔灌注桩长的2倍作为基坑开挖过程中的深度的影响范围，并以此为基础确定模型的几何尺寸为360 m×180 m×50 m。在Midas GTS NX软件中，为用户提供了自动划分网格的功能，此次研究利用混合网格生成器，进行计算模型的网格剖分，最终获得20 446个网格单元，18 867个节点。基坑的三维有限元模型示意图如图1所示。

图1 三维有限元模型示意图

2.3 边界条件与计算参数

Midas GTS NX 提供了生成模型边界约束条件的操作，可以直接生成约束条件。结合研究需要，选择位移边界条件，其中，模型的底部为全位移约束，模型的侧面施加竖向位移约束，模型的顶面为自由边界条件，不施加位移约束[5]。模型的计算参数会对模型的计算结果产生显著影响，研究中结合项目实际和相关工程经验[6]，确定如表1所示的模型物理力学参数。

表1 模型材料物理力学参数

2.4 计算方案

Midas GTS NX中提供了研究岩土材料蠕变特性的蠕变法则，并将其嵌入到子程序中，可以较好地反映土体的非线性变化特征[7]。此次研究中采用的是塑性本构模型拓展的Dmcker-Prager模型，可以适用于背景工程刚度低、黏聚力大的土体，其计算参数也可以轻易获取[8]。在模型计算过程中，需要同时激活蠕变和Drucker-Prager塑性模型，并利用软件进行自动耦合计算，获取开挖之后历时蠕变特征。在计算过程中，将不考虑蠕变效应的计算方案作为对比，探讨蠕变效应对深基坑开挖变形的影响

3 计算结果分析

3.1 支护结构侧向位移

在研究过程中，利用构建的有限元模型，对考虑和不考虑蠕变效应的深基坑支护结构侧向位移进行模拟计算，从计算结果中提取出不同时间节点的支护结构侧向位移最大值，并绘制出如图2所示的支护结构侧向位移最大值变化曲线。由图2可以看出，在基坑开挖支护之后，支护结构的侧向位移量呈现出先迅速增大后逐渐趋于稳定的变化特征。从考虑土体蠕变和不考虑土体蠕变的计算结果来看，考虑蠕变效应的基坑支护结构侧向位移量明显偏大，在相同时刻与不考虑蠕变效应的计算结果相比大25%左右。由此可见，蠕变效应对基坑支护结构的侧向位移存在比较显著的影响，需要在施工过程中予以考虑。

图2 支护结构侧向位移最大值变化曲线

3.2 深层土体侧向位移

在研究过程中，利用构建的有限元模型，对考虑和不考虑蠕变效应的深基坑深层土体的侧向位移进行模拟计算，从计算结果中提取出不同时间节点的深层土体侧向位移最大值，并绘制出如图3所示的深层土体侧向位移最大值变化曲线。由图3可以看出，在基坑开挖之后深层土体的侧向位移和支护结构的侧向位移呈现出类似的变化特征，在开挖之后迅速增大之后逐渐趋于稳定。从具体的计算结果来看，考虑蠕变效应的基坑深层土体的侧向位移量明显偏大，与不考虑蠕变效应的计算结果相比增大约23%左右。由此可见，蠕变效应对基坑深层土体的侧向位移存也存在比较显著的影响。

图3 深层土体侧向位移最大值变化曲线

3.3 地表沉降变形

在研究过程中，利用构建的有限元模型，对考虑和不考虑蠕变效应的深基坑周边地表沉降变形进行模拟计算，从计算结果中提取出不同时间节点的地表沉降变形最大值，并绘制出如图4所示的地表沉降变形最大值变化曲线。由图4可以看出，在基坑开挖之后地表沉降变形亦呈现出先迅速增大后逐渐趋于稳定的变化特点。从具体的计算结果来看，考虑蠕变效应的基坑地表沉降量偏大，但是与不考虑蠕变效应的计算结果相比相差不大。由此可见，蠕变效应对基坑对地表沉降量的影响并不明显。

图4 地表沉降最大值变化曲线

3.4 计算结果评价

为了进一步评价本文提出的计算模型的科学性和准确性，在深基坑施工过程中对模型计算中的支护结构和土体深层侧向位移最大值出现的部位进行变形监测，将实测结果和计算结果整理于表2中。由表2中的结果可以看出，无论是支护结构的侧向位移，还是土体深层的侧向位移，考虑蠕变的计算结果和实测值比较接近，而不考虑蠕变的计算结果与实测值相差较大且明显偏小。由此可见，在深基坑变形计算过程中，考虑土体蠕变因素的影响可以获得更为准确的计算结果，建议在工程设计计算中采用。

表2 计算结果和实测结果对比

4 结 论

(1)考虑蠕变效应和不考虑蠕变效应计算工况下，基坑的位移变形均呈现出迅速增大并逐渐趋于稳定的变化特点。

(2)从具体的计算结果来看，考虑蠕变效应的深基坑支护结构和深层土体侧向位移量明显偏大，分别比不考虑蠕变相应的计算结果偏大25%和23%左右；蠕变效应对地表沉降变形的影响不大。

(3)从工程的实测结果来看，考虑土体蠕变因素的影响可以获得更为准确的计算结果，建议在工程设计计算中采用。