某深大基坑支护结构与土体共同作用的分析

摘要：某深大基坑设计尺寸达到290×160×25m，且施工场地地质条件较差，基坑变形控制严格，用普通近似方法分析和设计有较大的难度。为了准确了解基坑支护结构的内力和变形情况，确保工程安全，本文对该基坑进行了施工全过程的三维有限元弹塑性分析和模拟，并详细说明了其具体实现方法。有限元分析中分别考虑了支护结构和土体之间的相互作用问题，以及各种开挖方案、降水方案对基坑变形的影响，并对各种关键参数进行了参数敏感性分析和讨论。对比各种分析结果，考虑共同作用和不考虑共同作用基坑变形相差达到10倍，支护结构内力相差达到1.5倍。同时，不同开挖方案及降水方案对变形和内力也有着重要影响，各方案之间最终差别甚至可以达到1倍以上。分析结果说明，对于这类复杂工程，进行考虑结构与土体共同作用的施工全过程三维有限元分析和模拟是完全必要和必须的。 关键词：共同作用，深大基坑工程，地层不均匀

1 引言

传统基坑工程中，在设计基坑支护结构和考虑基坑安全程度的时候，多采用等代梁法、m法等近似方法，近年来，考虑支护结构和土体共同作用的二维有限元分析也被广泛采用。但是，对于大型结构，由于其所在场地和结构本身的空间作用显著，二维有限元分析有着很大的局限。同时，由于基坑工程中开挖和支护结构的施工都是随着工程进行而逐步进行的，基坑和围护结构是一个随时间而不断变化的时变系统。考虑施工过程对工程影响也是完全必要的。本文结合某特深基坑工程说明该方法的具体实现步骤及其必要性。

2 工程简介和计算模型

2.1 工程概况

本工程所处位置场地内较为开阔，长、宽分别有290多米及160多米；基坑开挖深度较深，一般开挖深度约23.5米，塔楼部分局部27米；出土量大；地处闹市，周围环境对围护结构施工的约束较多；除东侧路段围护结构退入规划路边线2.5米外，其余围护结构紧贴规划路边线，施工场地狭窄。东侧的道路交通繁忙；南侧的道路乃交通主干道，路下铺设的市政管线多，地铁站（23号轴以西，距基坑边约38~40米）及地铁区间隧道（23号轴以东，距基坑边约35~38米）正在该路上施工，南侧有一2米宽的箱涵，对基坑的位移都控制很严；西侧的分别为两栋都有两层地下室（距规划路边线约12米，地下室深度约11.2m）的高层及5层框架无地下室的某中学（距规划路边线约19米）；西北角为某居民小区（距规划路边线对基坑的变形控制提出了严格要求。同时由于该基坑所在场地地质条件差，地下水位高，最后根据地质条件的变化和外围施工制约条件把场地分成A、B两个区域，决定基坑支护开挖方法。

本工程室内标高±0.000，对应广州市城建高程系的9.400。

图1

2.2基坑支撑方式

根据本基坑的实际情况，采用钢管支撑或锚杆支撑。锚杆支撑仅在顺作中心岛开挖方案中基坑的东面及东南侧采用。钢管支撑根据支撑长度设置支撑立柱。 由于该基坑工程尺寸大，支护结构空间作用明显，施工周期长，环境复杂，为了确保工程安全，我们对该基坑进行了考虑结构与土体共同作用的施工全过程三维有限元分析。 2.3计算模型

计算软件采用三维大型有限元计算软件。土体采用20节点三维实体单元，本构模型选用Drucker-Prager理想弹塑性本构模型和砂箱模拟施工。钢筋混凝土地连墙采用8节点三维板单元，钢筋混凝土内支撑为空间梁单元，都假设为线弹性材料。基坑开挖过程的三维网格参见图2。为了真实地模拟支撑结构和土体之间的共同作用及不同施工方案对支护结构的影响，我们使用了ANSYS的单元“生死”功能来模拟土体开挖和支护施工。所谓“杀死”单元，就是将该单元的刚度和质量都乘以一个很小的数，相当于该单元不再能发挥作用。而“激活”单元，就是让已经“杀死”的单元恢复到它原先的刚度和质量，这时候的单元既没有初始应变，也没有初始应力。例如，本模型中，地连墙的板单元是附着在土体单元上的，在土体自重沉降过程中，地连墙被“杀死”，对土体自重沉降完全没有影响。而在沉降计算完成后，则“激活”地连墙单元，开始发挥作用。这时候它虽然已经有了变形，但是程序假设其内力为零，这与工程中的实际情况是相符的。

锚杆连续墙连续墙逆作区其他区域 区土石方开挖剖面图图2

表1、土的力学参数

土体自重 土层编号 （Kg/m） （KPa） 1 2 3 4 5 1810 1790 1900 1900 2200 3000 8000 15000 30000 2×106 0.35 0.3 0.3 0.25 0.25 3弹性模量 泊松比 C 深度 （KPa） 13 10 5 2 5 9 27 30 (m) +2~-12 -12~-16 -16~-35 -35~-48 3 计算结果和参数讨论

以边挖边撑工况为例，计算得到地下连续墙变形随开挖进程发展曲线如图3所示。可见在整个开挖过程中，地连墙的变形和受力经历了一个复杂的变化过程，

不同开挖方案下基坑短边中点和长边中点的变形如图4.1，4.2所示。不同开挖方案、降水方案、以及不模拟施工过程的计算结果对比见表2。可以看出，不同开挖方案对基坑变形及内力影响很大，支撑越强，地连墙变形越小，地连墙的弯矩也相应较小；而地连墙受到的土体侧压力却越接近静止土压力；因此，支撑受到的压力也就越大。一般说来，设计人员和施工人员可以在这些方法中比较，以选择合适的土体暴露时间和支撑施工时机，在不影响结构安全性的前提下，尽量方便施工。而对于本工程，由于受到施工设备的限制，地连墙的厚度和抗弯承载力的提高是有限度的，而支撑结构的设计自由度则相对较大。所以，在本工程施工过程中，尽量加快内支撑结构的施工速度，提高内支撑结构在整个侧压力作用下所分担的比

重，进而减轻地连墙的内力，是十分重要的。从以上分析可以看出，在地下结构中，土体既是介质，又是主要荷载。对于复杂地下结构问题，忽略施工过程和土体对结构的贡献而得到的结算结果可能和实际情况有着较大差距。

这里我们需要注意到，由于本基坑的长、宽、高都比较接近，加上短边支撑采用的是两对斜撑，使得整个基坑的空间作用表现得非常明显。突出表现在：当采用边撑边挖方案时，由于短边支撑时间比先撑后挖要晚，使得短边的位移明显大于先撑后挖方案。同时，由于短边位移的增大，给了长边一个较强的约束，使得边撑边挖方案的长边位移在开挖面位于-20m以上时要小于先撑后挖方案。同时，边撑边挖方案斜撑对长边位移的约束，也分担了一些中间对撑的荷载，使得支撑的最大轴力小于先挖后撑的最大轴力。这些重要结论都体现出三维有限元分析的重要性。

图3、地下连续墙变形随基坑开挖发展（边挖边撑）

表2、不同施工方案对比

工况代号 地连墙最大位移（cm） 支撑最大轴力（KN） 地连墙最大弯矩（KNm） 先挖后撑 先撑后挖 边挖边撑 降水 无过程 16.1 18572 13742 6.87 21686 6300 9.71 15962 9204 4.71 0.72 13303 30596 4152 882

计算得到土体的塑性应变基本都集中在开挖面附近，主要是因为土体开挖卸载后土体回弹及隆起而造成的。土的塑性参数对基坑变形的影响也主要集中在开挖面附近区域。因此，在进行非线性有限元分析时，适当放松迭代收敛标准，对本问题的最终结果影响不大。 另外，考虑到该基坑结构复杂，施工周期长，部分结构参数可能测量不够准确或者在施工过程中发生了变化，因此，我们又对一些关键参数进行了敏感性分析，以先挖后撑为例，参数影响比较结果参见表3。

根据表3，如果仅从弹性模量上考虑，混凝土、第一、第二层土的影响都很小，在基坑开挖过程中也不是反分析研究的关键因素。而第三、四层土的弹性模量影响显著，尤其是第四层土体，由于基坑的最大变形位置基本在该层土内，所以基坑最大变形受该层土体弹性模量影响十分显著。因此，在基坑施工过程中，对该层土的情况，尤其是该层土的回弹模量到底应该是多少，应该给予密切关注。另外，还需要注意到，如果减小侧压力系数，降低土体侧压力，则最大变形减小的幅度比侧压力降低得还要快。这是因为在基坑开挖过程中，由于土体的不断开挖，支撑的不断起作用，使得整个基坑施工过程是一个边界非线性问题。而且由于基坑变形发展是一个不断叠加积累的过程，因此，基坑最大变形对侧压力比较敏感。采取适当的坑外降水，对变形的控制将是非常有利的。而且降水越早，变形减小得也越多。

表3、参数变化影响

第二第一层混凝土弹所有土层变化参数 性模量增弹性模量大20％ 减小50％ 模量减模量小50％ 减小50％ 最大变形相对变化量 -1.2% 52.3% 1.2% 0.0% 26.62% 102.2% -70.4% 土弹性弹性弹性模量弹性模量侧压系数减小50％ 减小50％ 减小45％ 层土第三层土第四层土所有土层4 结论

从本文的分析结果我们可以看出，对于复杂地下结构，土与结构共同作用、施工过程影响、结构及土体的空间受力特性、土体的非线性行为等都对结构的变形和受力有着显著的影响。而部分结构参数的不确定，使得结构最终变形和受力情况都变得更加复杂。因此，进行模拟施工过程的土与结构共同作用的非线性空间有限元分析，并对关键参数加以讨论和敏感度分析，是十分必要的。 参考文献：

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