杨继红，丁 鹏，杨兴隆

(华北水利水电大学 地球科学与工程学院， 河南 郑州 450046)

随着我国城市化进程的加快，深基坑的稳定性问题逐渐成为影响施工安全性问题的热点。土钉墙作为一种比较传统的支护形式在我国有着很广泛的运用，有可靠度高、经济效益高和施工快速简便的优点[1-3]。经过近些年的发展，为确保深基坑工程施工的安全，运用数值模拟方法模拟基坑的开挖过程是一种有效、可靠的方法[4-7]。庞晓明等[8]通过模拟计算得出，土钉中的内力与其位置有较大的相关性；张尚根等[9]通过运用FLAC3D分析得到土体地表位移随着开挖深度的变化而变化；黄智国[10]运用有限差分软件 FLAC3D分析得出，由于支护结构对土体的约束作用，最大水平位移不一定发生在基坑顶部，而有可能发生在距基坑底部一定距离处；马平等[11]收集了详细的组合支护结构的监测数据，对土钉轴力随着开挖阶段的变化规律进行了总结。朱彦鹏等[12]通过假定基坑开挖产生的土压力由土体、土钉、预应力锚杆三者共同承担，来计算土体在承受所分担的土压力和外荷载的条件下产生的侧移。

总的来说，前人在基坑支护结构研究上有了很大收获，但是目前少有对开挖过程中支护结构的分析。本文运用有限差分软件FLAC3D模拟计算郑州市某深基坑工程的分步开挖支护过程，对其位移场和土钉轴力进行分析，对比分析现场监测资料，得出整个开挖过程位移场和土钉轴力的变化规律，并指出位移与轴力变化之间的关联，为类似工程提供理论依据。

1 工程概况

郑州某拟建大楼建设总用地面积约16 404.24 m2，总建筑面积约20 500 m2，其中地下约15 000 m2，地上约5 500 m2。建筑层数为地下2层，地上2层。基坑平面图如图1所示。

图1 基坑平面图

拟建场地南、北、西侧均为空地，东侧临近街道，整体环境评价为良好。该工程拟建场地地貌单元为黄河冲积平原，无不良地质作用，场地部分表层土已清理。根据钻探、标准贯入试验，结合室内土工试验分析结果，场地50.0 m深度内地层按其成因类型、岩性及工程地质特性将其划分为7个工程地质单元层，具体分层详见表1。

表1 土层基本物理参数表

2 基坑支护设计和监测方案

2.1 基坑支护设计

基坑支护设计方案从安全、经济、工期等角度考虑，结合郑州地区场地工程特点，根据《建筑基坑支护技术规程》[13](JGJ 120—2012)规定，考虑基坑周边环境，本工程采用土钉墙支护，基坑安全等级为二级，侧壁重要性系数为1.0。北侧基坑支护图详见图2。

图2 基坑支护结构剖面图(尺寸标注的单位：mm)

2.2 监测方案

本基坑工程根据《建筑基坑工程监测技术规范》[14](GB 50497—2009)对边坡顶部水平位移、竖向位移、深层水平位移、地下水位四项进行监测。

变形控制监测报警值：(1) 围护结构坡顶水平位移、沉降变化速率2 mm/d或连续3 d变化速率超过1.4 mm/d，水平位移变化累计值40 mm，沉降变化累计值30 mm；(2) 土体深层水平位移变化速率2 mm/d，累计值45 mm。

3 土钉支护结构的变形分析

3.1 建立模型

采用摩尔-库仑模型建立土体模型，采用空间直角坐标系，x轴为南北方向，y轴为东西方向，z轴为竖直方向，向上为正。本模型选择基坑工程北侧一个剖面进行模拟分析，模型尺寸分别选取为长度60 m，宽度15 m，深度30 m。模型土体采用实体单元模拟，土钉采用cable单元模拟，喷射混凝土面层采用liner单元模拟[15-17]。

开挖支护模拟分为六个步骤，基坑开挖深度为9.2 m，按1∶0.6进行放坡开挖，整个施工过程见表2。

表2 模拟开挖支护工况

3.2 开挖支护过程中土体水平位移分析

工况1、工况2完成后，由于土体先前的平衡状态被破坏，在支护完成后达到新的平衡状态，基坑坡顶位移会出现向基坑开挖面外侧移动，最大位移出现在基坑土体的中下部；工况3、工况4完成后，由于开挖的深度越来越深，土压力也随之增大，基坑坡顶位移向基坑内侧移动，但位移量依然偏向基坑外侧，土体最大位移出现在基坑土体的中下部；工况5、工况6完成后，基坑坡顶位移向内侧移动，位移量偏向基坑内侧，最大位移出现在基坑侧壁中偏下部分。根据水平位移云图可以看出，整个模拟过程中，水平位移在基坑变形监测安全范围内，最大的位移为15.3 mm。

3.3 开挖支护过程中竖向位移分析

基坑外侧的沉降变化不明显，最大沉降量为2.9 mm；而基坑底部隆起变化则比较明显，工况1、工况2开挖支护后，基坑底部土体隆起为16.3 mm左右；工况3、工况4开挖支护后，基坑底部土体隆起为23.4 mm左右；工况5、工况6开挖支护后基坑底部土体隆起为27.6 mm。随着基坑的开挖，沉降量和隆起量都随着远离支护结构逐渐增大，说明支护结构能有效的控制土体的竖向位移。

3.4 开挖支护过程中轴力的动态变化分析

在开挖过程中土钉轴力呈现出"中间大两头小"的分布。工况2可以看出，第一排土钉受力大于第二排，此时基坑侧壁顶部水平位移最大，土钉为被动受力，变形越大，土钉的轴力也就越大，最大轴力达到了3.5 kN；工况3可以看出，第三排土钉轴力最大，前两排土钉轴力也有较为明显的增加最大轴力达到了4.6 kN；工况4、工况5、工况6与前三步开挖变化基本一致，土钉轴力由中间向两边逐渐减小，且随着基坑开挖的越深变得越大。开挖完成后，土钉轴力最大值到了44.8 kN。详见图3。

图3 开挖完成后土钉轴力分布图

开挖完成后，第四排土钉的轴力最大，而基坑侧壁的最大位移也位于基坑侧壁的中下部，与土钉被动受力的特性相吻合。详见图4。

图4 工况6土钉轴力云图

4 数值模拟结果与监测数据对比分析

4.1 坡顶水平位移的分析

选取基坑模拟剖面的实际监测点数据与模拟数据对比，两者的数值差距不大，变化趋势也很接近，且在警报值以下，说明坡顶的侧向变形是安全的。详见图5。

图5 坡顶水平位移变化曲线

基坑侧壁监测值最大位移为14.2 mm，基坑侧壁模拟值最大位移为15.3 mm，二者差距为1.1 mm，现场未出现施工事故，均符合基坑变形监测规范，说明模拟该工程选取的参数是合理的。

4.2 竖向位移的分析

选取基坑模拟剖面的实际监测点数据与模拟数据对比，发现模拟值略大于监测值，且变化均在警报值范围之内，坡顶竖向位移变化曲线见图6。

图6 竖向位移变化曲线

综合水平竖向位移分析，模拟值与实际监测值差距不大，且都在该工程变形警报值范围之内。

5 结 论

(1) 由于土体卸荷，基坑底部土体向基坑内侧移动，顶部则向基坑外侧有微小移动 。随着基坑开挖的越深，土压力的增大，和砂土特性的影响，坡顶开始向基坑内侧移动，开始偏移的速率快，到最后变得平稳，趋于稳定。

(2)由于砂土的抗隆起性较弱，基坑开挖初始阶段，会导致坡顶竖向位移会有微小隆起，随着基坑开挖的越深，坡顶的隆起逐渐变为沉降，最后变化趋于稳定。

(3)随着基坑开挖的越深，理论滑裂面以内的土体越多，土压力也逐渐增大，土钉轴力也随之增大，轴力分布大致为“中间大，两头小”，土钉轴力最大值在基坑中下部，此处也是基坑侧壁位移最大的部分。