周啟宏，馮 虎

1.中鐵二十局集團(tuán)第三工程有限公司，重慶 400065

2.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400074

隨著國(guó)家加大對(duì)地下空間的投資利用，地下停車(chē)場(chǎng)成為許多城市解決地面用地緊張和交通擁堵問(wèn)題的有效方案，地下停車(chē)場(chǎng)基坑規(guī)模大、開(kāi)挖深，在基坑開(kāi)挖施工過(guò)程中存在很多不確定性因素，可能導(dǎo)致基坑發(fā)生支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞、基坑傾覆等嚴(yán)重事故。因此，采用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)基坑產(chǎn)生的變形和可能產(chǎn)生的破壞進(jìn)行預(yù)測(cè)就顯得尤為重要。

目前，眾多學(xué)者通過(guò)數(shù)值模擬方法對(duì)基坑工程進(jìn)行了分析研究。何明[1]利用Midas GTS NX軟件對(duì)承德市某基坑進(jìn)行數(shù)值模擬分析，檢驗(yàn)基坑支護(hù)設(shè)計(jì)的合理性和安全性。張洪波[2]以淮安市某軟土深基坑作為研究對(duì)象，進(jìn)行有限元模擬分析，提出采用變形小、剛度大的鉆孔灌注樁、設(shè)三層鋼筋混凝土內(nèi)支撐作為支護(hù)結(jié)構(gòu)。劉維軍[3]以寧波軟土地區(qū)地鐵車(chē)站深連基坑為工程背景，對(duì)基坑工程進(jìn)行開(kāi)挖全過(guò)程模擬，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。朱江華、余小強(qiáng)[4]以南昌市某臨江基坑為工程背景，借助ABAQUS軟件對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行模擬，得出了地表沉降變形等相關(guān)結(jié)論。

目前已有較多研究通過(guò)數(shù)值模擬方法對(duì)深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行討論，然而不同地區(qū)基坑地質(zhì)、地形條件不同，開(kāi)挖過(guò)程中的變形特征亦不盡相同。因此，文章依托重慶軌道交通10號(hào)線二期蘭花湖停車(chē)場(chǎng)基坑工程，針對(duì)該地區(qū)深回填土、砂泥巖等地質(zhì)情況，采用數(shù)值軟件模擬分析基坑開(kāi)挖過(guò)程中支護(hù)結(jié)構(gòu)變形情況，總結(jié)其變形規(guī)律，為此類(lèi)基坑安全施工提供參考。

1 工程實(shí)例

1.1 工程概況

重慶軌道十號(hào)線蘭花湖停車(chē)場(chǎng)位于重慶工商大學(xué)蘭花湖校區(qū)東北側(cè)，南側(cè)緊鄰蘭花路，東側(cè)緊鄰回龍路，北側(cè)緊鄰蘭湖天小區(qū)。停車(chē)場(chǎng)與南湖站、蘭花路站，呈“八字”接軌，停車(chē)場(chǎng)東西向長(zhǎng)約395m，南北向?qū)捈s最窄處13.4m，最寬處約81.4m?；娱_(kāi)挖長(zhǎng)度為188.65m，最大寬度為97m，開(kāi)挖深度最大為31.02m，且穿越深厚回填土地層，施工風(fēng)險(xiǎn)極大、環(huán)境敏感高?；悠矫鎴D如圖1所示。

圖1 基坑平面圖

根據(jù)查閱地勘資料，蘭花湖停車(chē)場(chǎng)場(chǎng)地呈寬緩的溝槽及丘坡相間分布的狀態(tài)，人工改造較大，現(xiàn)大部分為填方區(qū)，基坑地層由上而下依次為填土層、沉積巖層；填土層主要由素填土、壓實(shí)填土和粉質(zhì)黏土組成，巖層主要由砂質(zhì)泥巖和砂巖組成。

1.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)

綜合地勘資料和設(shè)計(jì)資料，深基坑維護(hù)結(jié)構(gòu)主要采用的是圍護(hù)樁+預(yù)應(yīng)力錨索形式和圍護(hù)樁+內(nèi)支撐形式。樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下：采用樁徑為1m、樁間距為2.5m的鉆孔灌注樁，由于基坑不同斷面填土區(qū)深度不同，樁底嵌入巖層的深度不小于2.0m；基坑錨索的水平間距為2.5m，豎向間距為2.5m；樁頂設(shè)置規(guī)格為1000mm×1000mm的冠梁?；蝇F(xiàn)場(chǎng)縱斷面圖如圖2所示。

圖2 基坑6B斷面樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)

2 數(shù)值模型的建立

根據(jù)地質(zhì)勘查資料和工程現(xiàn)場(chǎng)施工情況，文章選取基坑6B斷面進(jìn)行開(kāi)挖模擬，該斷面位于基坑咽喉處，距離基坑旁蘭花路較近，且回填土層較厚，最厚處達(dá)33.8m。

2.1 模型參數(shù)選取與工況設(shè)置

通過(guò)地勘資料、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、工程經(jīng)驗(yàn)等方法確定了回填土、砂質(zhì)泥巖、中風(fēng)化砂巖和強(qiáng)風(fēng)化砂巖等巖土體材料的參數(shù)值，具體如表1所示。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工開(kāi)挖情況和支護(hù)結(jié)構(gòu)施工順序，首先建立模型，生成土體初始應(yīng)力并進(jìn)行抗滑樁和冠梁施工，基坑模擬分為7步開(kāi)挖：（1）開(kāi)挖至地下3.5m；（2）在地下3m處實(shí)施第一道錨索，開(kāi)挖至地下5.5m；（3）在5.5m處實(shí)施第二道錨索，開(kāi)挖至地下8.5m；（4）在8.5m處施加第三道錨索，開(kāi)挖至地下11m；（5）在11m處施加第四道錨索，開(kāi)挖至地下13.5m；（6）在13.5m處施加第五道錨索，開(kāi)挖至地下16m；（7）在13.5m處施加第六道錨索，開(kāi)挖至基坑底部18.9m。

表1 數(shù)值模擬的材料參數(shù)值

2.2 模型尺寸與網(wǎng)格劃分

考慮模型的尺寸效應(yīng)，簡(jiǎn)化計(jì)算模型，將計(jì)算深度取開(kāi)挖深度的2～3倍，寬度取開(kāi)挖深度的4～5倍，具體情況如下：模型基坑開(kāi)挖深度為20.32m，總長(zhǎng)度為144.28m，高度為68.9m，共有35245個(gè)節(jié)點(diǎn)，62222個(gè)單元，基坑模型如圖3所示。

圖3 基坑模型

3 模擬結(jié)果分析

3.1 模型合理性的驗(yàn)證

為驗(yàn)證所建模型的可靠性，將實(shí)測(cè)的樁頂水平位移值與模擬的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，具體如圖4所示。由圖4可知，樁頂水平位移實(shí)測(cè)值和數(shù)值模擬結(jié)果的曲線趨勢(shì)基本一致，兩者結(jié)果雖存在誤差，但差距較小，最大誤差僅為4.53mm，在規(guī)定允許范圍內(nèi)；圖4中除開(kāi)挖7外實(shí)測(cè)值都比模擬值大，因?yàn)閿?shù)值模擬并未考慮施工荷載及現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜情況，這也說(shuō)明數(shù)值模擬能較為真實(shí)地反映基坑開(kāi)挖過(guò)程中樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形情況。

圖4 樁頂水平位移模擬值和實(shí)測(cè)值

3.2 施工過(guò)程支護(hù)結(jié)構(gòu)位移變化規(guī)律

（1）樁身水平位移變化規(guī)律。不同開(kāi)挖步驟下樁身水平位移的數(shù)值模擬結(jié)果和最終實(shí)測(cè)值對(duì)比圖如圖5所示，由圖5可知，在不同開(kāi)挖步驟下，由于基坑土體開(kāi)挖卸荷的作用，圍護(hù)結(jié)構(gòu)受到坑外主動(dòng)土體壓力作用，朝基坑內(nèi)產(chǎn)生不同的水平位移。開(kāi)挖1、開(kāi)挖2中最大位移分別發(fā)生在2.82m和3.8m處，最大位移分別為1.66mm和3.25mm，基坑開(kāi)挖深度較淺且由于錨索的錨固作用，因此支護(hù)樁不同深度水平位移量非常??；開(kāi)挖7中最大位移位置為8.16m處，最大值為19.27mm，從開(kāi)挖1到開(kāi)挖7，由于開(kāi)挖深度增加，樁后主動(dòng)土壓力不斷變大，因此樁身側(cè)移量持續(xù)增加，最大水平位移點(diǎn)也不斷下移。樁身最大水平位移位置約為樁體1/3處，且各開(kāi)挖深度下最大值均小于規(guī)范預(yù)警值，說(shuō)明砂泥巖地層中樁錨支護(hù)起到了良好的支護(hù)效果。樁體下部嵌入巖體，巖體的嵌固作用抵消了上部主動(dòng)土壓力對(duì)樁體變形的影響，故下部支護(hù)樁變形較??；樁體上部坑外主動(dòng)土壓力較小且由于錨索的錨拉作用，上部變形也較小，因此支護(hù)樁樁身側(cè)移曲線呈“飽腹”形。對(duì)圖5中開(kāi)挖7時(shí)的模擬值和最終實(shí)測(cè)值的曲線進(jìn)一步分析，可以看出樁體水平位移實(shí)測(cè)最大值比模擬值稍大，這是因?yàn)樵摶油庑抻惺┕け愕溃M時(shí)并未考慮施工荷載的存在，且模擬時(shí)將巖土體視為理想材料，與實(shí)際巖土體情況會(huì)有誤差，由于該基坑開(kāi)挖時(shí)間較長(zhǎng)，樁體水平位移差異還可能與施工開(kāi)挖安排不及時(shí)有關(guān)。雖然模擬值與實(shí)測(cè)值存在差異，但兩者的曲線變化趨勢(shì)大致一致，均呈“飽腹”形，模擬的樁體最大水平位移為19.27mm，約為0.10%He（He為開(kāi)挖深度），而實(shí)測(cè)值為21.45mm，約為0.11%He，兩者差距很小，均滿足規(guī)范變形要求，說(shuō)明樁錨支護(hù)設(shè)計(jì)方案合理。

圖5 樁身水平位移隨開(kāi)挖步驟的模擬值和實(shí)測(cè)值對(duì)比圖

（2）土體沉降位移變化規(guī)律?；娱_(kāi)挖卸荷過(guò)程，會(huì)打破原狀土體靜力平衡，引起基坑周?chē)馏w應(yīng)力重分布，導(dǎo)致周?chē)孛姘l(fā)生沉降。樁后土體沉降曲線模擬值和實(shí)測(cè)值對(duì)比圖如圖6所示，由圖6可知，開(kāi)挖初期的開(kāi)挖深度較小，其對(duì)基坑周?chē)翆佑绊懹邢蓿两盗枯^小。隨著開(kāi)挖的深入，地表沉降逐漸增大。由于靠近基坑一側(cè)的土體與圍護(hù)樁之間形成的土拱效應(yīng)抑制了土體的位移，基坑外地表沉降最大值并不是出現(xiàn)在基坑邊緣，而是在距離基坑邊8～15m處；在距離基坑25m外，各開(kāi)挖工況下地表沉降很小且逐漸減小，說(shuō)明基坑開(kāi)挖引起的周?chē)馏w豎向位移具有很強(qiáng)的空間分布效應(yīng)。對(duì)圖6中地表最終沉降數(shù)值模擬值和實(shí)測(cè)值進(jìn)一步對(duì)比分析，可看出數(shù)值模擬曲線和實(shí)測(cè)曲線在基坑邊緣處略有差別，這是因?yàn)榛优栽O(shè)有臨時(shí)便道，而數(shù)值模擬時(shí)未考慮該便道的影響；數(shù)值模擬最大沉降值為22.7mm，出現(xiàn)在距離基坑邊6.6m處，實(shí)測(cè)最大沉降值為25.05mm，出現(xiàn)在距離基坑邊5.57m處，兩者差異較小，可進(jìn)行對(duì)比分析。

圖6 樁后土體沉降曲線模擬值和實(shí)測(cè)值對(duì)比圖

4 結(jié)論

文章通過(guò)對(duì)重慶軌道交通10號(hào)線二期蘭花湖停車(chē)場(chǎng)基坑的開(kāi)挖工程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了以下結(jié)論：（1）回填土、砂泥巖采用樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)可滿足基坑的支護(hù)要求；（2）隨著基坑的開(kāi)挖，樁體側(cè)移量逐漸增大，側(cè)移曲線呈“飽腹”形，最大水平位移位置約為樁身1/3處，施工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)該位置的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)；（3）基坑外地表沉降曲線呈凹形，土體豎向位移具有很強(qiáng)的空間分布效應(yīng)，最大沉降發(fā)生在基坑邊緣8～15m處，因此施工過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)該區(qū)域建筑物以及地下管線的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，采取必要的保護(hù)措施。