刘 静 德

(上海申元岩土工程有限公司，上海　200040)



软土地区深基坑开挖环境影响数值模拟分析

刘 静 德

(上海申元岩土工程有限公司，上海200040)

以上海某住宅项目深基坑工程为例，数值模拟了深基坑开挖过程，分析了复杂条件下基坑开挖中围护结构与周边环境的受力、变形情况，结果表明：深基坑开挖中，围护结构、周边建(构)筑物及土体的变形均满足规范对变形控制的要求，证明采用土体硬化模型能较好地模拟复杂条件下基坑开挖所引起的环境影响。

深基坑，环境影响，土体硬化模拟，数值模拟

0　引言

基坑开挖必然改变周边土体的应力状态，导致土体变形，进而对临近建(构)筑物产生不利影响，甚至危及其正常使用与安全。而随着经济的发展及土地资源的日趋紧张，上海等大中城市的基坑工程规模越来越大，且往往紧邻老建筑、市政管线、轨道交通等敏感建(构)筑物。这就要求基坑围护结构必须满足变形控制要求，以保护周边建(构)筑物的安全。

有限元数值模拟分析能够较好地考虑土体分层及力学特性、周边建(构)筑物的影响及基坑围护与开挖的施工过程等因素，已成为深基坑工程围护设计计算中不可或缺的分析方法。诸多学者通过建立岩土体本构模型与围护结构计算单元，对深基坑工程围护结构受力与变形、土体位移及邻近建(构)筑物的变形特性等工程问题进行数值模拟分析[1-5]。

上海某住宅项目深基坑工程紧邻老住宅小区与市政道路，道路下存在主要市政管线，故基坑工程施工对周边环境变形影响的控制要求较高。为较好地预测基坑开挖所引起的变形，保证基坑工程的安全实施，采用土体硬化模型对该基坑工程的环境变形影响进行有限元数值模拟分析，以指导基坑围护设计与土方开挖施工。

1　工程概况

1.1工程简介

上海某住宅项目主体结构包括8栋6层～17层的住宅楼，并设地下2层的地下室或地下车库。该项目基坑开挖面积约为23 200 m2，周边延长米约960 m，基坑普遍开挖深度为10.4 m，局部深坑开挖深度达12.7 m。

1.2周边环境条件

该基坑工程北侧、东侧、南侧均为现状道路，道路下均有主要市政管线，管线距离基坑开挖边线最近约5.0 m；基坑东北侧3栋6层居民楼和1栋22层居民楼，其中6层居民楼均为采用天然地基浅基础，距离基坑开挖边线最近约10.8 m。该基坑周边建筑物、市政管线对变形均较为敏感，且距离基坑开挖边线较近，基坑工程环境保护要求较高。

1.3工程地质条件

该基坑工程地处长江三角洲入海口东南前缘滨海平原，场地内对基坑工程有影响的土层自上而下依次为：①1层杂填土，含大量碎砖块，碎石等物，土质不均匀；②层粉质粘土；③层淤泥质粉质粘土，夹粉土薄层；③夹层砂质粉土，夹淤泥质粉质粘土，局部夹砂质粉土团块；④层淤泥质粘土，夹粉土团块；⑤1-1层粘土，含有机质及钙泥团块；⑤1-2层粉质粘土，含有机质及钙泥团块；⑥层粉质粘土，含铁、锰氧化斑核。

场地内的地下水位潜水与赋存于⑦层土中的承压水。基坑工程围护设计中，潜水按埋深0.5 m考虑；承压水水头埋深按3 m考虑。该项目场地内⑦层土最浅埋深28 m，验算表明该基坑工程土方开挖中不存在承压水突涌问题。

2　数值分析模型的建立

2.1土体本构模型及计算参数

选取合适的土体本构模型是进行基坑工程数值模拟的前提。土体硬化本构模型能考虑软土的硬化特性、区别处理土体的加载与卸载，且土体的刚度依赖于应力历史与应力路径，能合理反映围护结构及邻近土体的变形特性，适用于基坑开挖的数值模拟[6,7]。故采用土体硬化模型进行本基坑工程土方开挖环境影响分析。

根据本项目岩土工程勘察报告及上海地区相关经验[8]，该基坑工程数值模拟中各土层参考应力pref取100 kPa，泊松比vur取0.2，其他模型参数见表1。

表1　基坑工程数值模拟各土层计算参数

2.2数值分析模型的建立

因本工程周边环境复杂且存在重要建(构)筑物，故应选取不同剖面进行基坑开挖环境影响有限元分析。根据本基坑工程的开挖深度及周边环境条件，选取剖面1—1与剖面2—2进行分析，其中剖面1—1临近6层天然地基浅基础居民楼，开挖深度10.4 m；剖面2—2临近现状市政道路，开挖深度12.7 m。

基坑开挖时土体卸载，土体应力与应变重分布的过程。根据工程经验，基坑开挖通常会对开挖深度4倍范围内的土体变形造成影响，从而影响该范围临近的建(构)筑物的变形。因此，本工程中基坑开挖环境影响分析中，围护墙外侧土体边界设置在4倍开挖深度之外，下边界根据围护墙嵌入深度确定，选在⑥层土层底，故数值计算模型尺寸为80 m×32 m。

数值模拟中，各支护结构构件、周边建(构)筑物均采用弹性模型，其中围护墙与建筑物采用板单元模拟，内支撑系统采用锚定杆单元模拟，地下管线采用隧道单元模拟。数值模拟中考虑基坑周边地表存在20 kPa的施工荷载。

2.3基坑开挖工况有限元模拟

基坑开挖数值模拟中，通过“单元生死”模拟基坑工程先支后挖、分层开挖的施工过程，具体施工工况见表2。

表2　基坑开挖施工工况

3　基坑开挖数值模拟结果分析

基坑开挖至基底时，土体卸载及临空面高度最大，周边土体及建(构)筑物的变形达到最大值。同时，围护墙外侧的水土压力及周边附加荷载均由基坑支护结构承担，支护结构亦处于最大受力状态，变形最大。故选取基坑开挖至基底时(工况4)的计算结果分析基坑工程对周边环境的影响。

表3　基坑开挖至底时支护结构受力与变形

3.1支护结构受力与变形

基坑开挖至底时基坑支护结构的受力与变形值见表3。由数值模拟结果可知：

1)围护桩墙墙顶位移较小，这是因为本工程首道支撑采用混凝土临时支撑，支撑刚度较大，能有效控制基坑初始变形；2)基坑各剖面的围护墙水平位移模式基本相同，围护墙水平位移最大处均发生在坑底；3)基坑围护墙最大位移均小于开挖深度的0.3%，满足规范关于围护墙水平位移控制的要求，说明该基坑工程的围护形式合理有效。

3.2土体位移

基坑开挖至底时有限元计算得到的各剖面土体水平与竖向位移云图见图1与图2，围护墙外及坑底土体位移见表4。由图1，图2与表4可知：1)基坑开挖所引起的墙后土体变形影响范围基本在3倍～4倍基坑开挖深度区域，且基坑周边存在浅基础建筑物时影响范围略大；2)基坑开挖后，土方卸载引起坑底土体向上隆起，最大隆起量约168 mm，这可能造成立柱桩的上浮，影响支撑的稳定性，在围护设计中应予以考虑；3)基坑开挖至底后，围护墙后土体最大沉降均小于基坑开挖深度的0.25%，满足规范关于地面沉降的控制要求，说明本工程的围护形式能有效控制基坑开挖对周边环境变形的影响。

表4　基坑开挖至底时土体位移情况 mm

3.3周边建(构)筑物变形

基坑开挖至底时，周边建筑物及地下管线的水平与竖向位移情况见表5。由表5可知：1)基坑开挖期间，受坑内土方卸载及土体应力重分布影响，基坑周边土体向坑内位移，并引起基坑周边建(构)筑物发生朝向坑内的变形；2)基坑周边建筑物位移小于20 mm，地下市政管线位移小于10 mm，均满足规范规定，说明本工程的围护形式对控制基坑开挖环境影响具有良好效果。

表5　基坑开挖至底时周边建(构)筑物变形情况　mm

4　结语

以上海某住宅项目深基坑工程为例，对其最不利剖面进行了基坑开挖的有限元数值模拟，研究了复杂条件下基坑支护体系及周边环境的受力变形情况。研究表明：

1)数值模拟所得到的基坑支护结构的变形模式与受力特性、墙后土体沉降与坑内土体隆起特性及基坑周边建(构)筑物的变形特性均较为合理，说明采用土体硬化模型能较好地模拟复杂条件下基坑开挖所产生的环境影响。2)基坑开挖至底时，支护结构的变形、围护墙后地表沉降、周边建(构)筑物的变形均满足规范关于基坑工程变形控制的要求，说明本工程基坑围护形式能有效控制土方开挖引起的周边环境变形，围护设计方案是合理可行的。

[1]常林越,沈健,徐中华.敏感环境下深基坑的设计与三维数值分析[J].铁道工程学报,2011(11):52-57.

[2]张飞,李镜培,唐耀.考虑土体硬化的基坑开挖性状及隆起稳定性分析[J].水文地质工程地质,2012,39(2):79-84.

[3]熊健.两种模型在偏压基坑有限元分析中的应用与对比[J].建筑结构,2012,42(1):124-127.

[4]刘书斌,王春波,周立波，等.硬化土模型在无锡地区深基坑工程中的应用与分析[J].岩石力学与工程学报,2014,33(S1):3022-3028.

[5]刘帅君,王晓东,王建华，等.越江隧道临岸段明挖基坑受力变形数值分析[J].岩土工程学报,2013,35(S2):330-334.

[6]徐中华,王卫东.敏感环境下基坑数值分析中土体本构模型的选择[J].岩土力学,2010,31(1):258-264.

[7]Teo P L,Wong K S.Application of the Hardening Soil model in deep excavation analysis[J].The IES Journal Part A:Civil & Structural Engineering,2012,5(3):152-165.

[8]王卫东,王浩然,徐中华.基坑开挖数值分析中土体硬化模型参数的试验研究[J].岩土力学,2012,33(8):2283-2290.

Numerical simulation of the deformation of surroundings around deep excavation in soft soil

Liu Jingde

(ShanghaiShenyuanGeotechnicalEngineeringCo.,Ltd,Shanghai200040,China)

For a deep excavation engineering of a residential project in Shanghai, undertakes the numeric simulation of the excavation process of the foundation pits. The stress and deformation of supporting structures of the excavation and the deformation of surroundings caused by excavation are studied. The numerical simulation shows that the deformations of supporting structures and surroundings can meet the requirements of the specification for deformation control. It proves that the hardening soil model can effectively capture the deformation of surroundings caused by deep excavations.

deep excavation, environment influence, hardening soil simulation, numerical simulation

1009-6825(2016)19-0058-03

2016-04-21

刘静德(1986- )，男，博士，工程师

TU463

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