薛廣楠

（山東黃金集團(tuán)蓬萊礦業(yè)有限公司，山東 煙臺(tái) 265621）

0.引言

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和安全環(huán)保要求的不斷提高，在礦區(qū)進(jìn)行的各類基坑的施工規(guī)模也在不斷擴(kuò)大，且質(zhì)量要求在提高[1]。而在很多礦產(chǎn)開發(fā)區(qū)，由于臨近水系或降水量充足，近地表地層往往以淤泥或淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土等巖（土）層為主，這些地層的孔隙度大、含水率高，可壓縮率及可塑性指數(shù)較高[2]，因此其穩(wěn)定性相比一般地層更差，在這些區(qū)域，基坑的施工難度更大，安全隱患也更多[3]。因此，對軟土層深基坑在開挖過程中的變形情況進(jìn)行精確的模擬預(yù)測，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[4]。

由于軟土地層的特殊性質(zhì)，為了提高預(yù)測的準(zhǔn)確性，有學(xué)者先后提出了彈性法計(jì)算、基于HSS模型的數(shù)字模擬等方法，但是還存在著模擬參數(shù)無法動(dòng)態(tài)變化（或可調(diào)整數(shù)據(jù)類別偏少）、計(jì)算數(shù)據(jù)量大等各類問題。本文針對以上問題，尤其是確定變形的初始和邊界兩個(gè)參數(shù)的難度較大的問題[5]，提出了使用有限差分求解各向異性材料的應(yīng)用方法，這是解決該難題的有效對策。對于使用有限差分方法進(jìn)行數(shù)值模擬，在解決空間問題時(shí)，可將待求解的空間細(xì)分為六面體差分網(wǎng)格，再將六面體單位細(xì)分為常應(yīng)變四面體單元。結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料和工程要求，選取合理的模擬參數(shù)，進(jìn)而開展數(shù)值模擬，再利用有限差分軟件建立三維模型。通過建立的三維模型，就可以對軟土層深基坑的施工過程、變形情況進(jìn)行模擬與分析，進(jìn)而全面掌握基坑開挖過程中的變形特征以及對支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。

1.工程概況

擬施工區(qū)域位于某礦場開發(fā)地區(qū)，該施工區(qū)域又分為一區(qū)、二區(qū)、三區(qū)和四區(qū)4個(gè)施工區(qū)，本次選取其中施工規(guī)模最大的二號區(qū)為研究對象。該施工區(qū)的基坑計(jì)劃開挖深度23.3m，寬度19.2m，基坑全長94.2m。需要說明的是，該施工區(qū)域的地表情況較為復(fù)雜，周邊有進(jìn)出礦區(qū)的主干道2條，且臨近區(qū)域還分布有養(yǎng)殖池4處。因此，該深基坑施工的安全性顯得特別重要，對其變形預(yù)測的精準(zhǔn)性要求較高。

對施工區(qū)域的地層進(jìn)行鉆孔取樣，并結(jié)合以往地質(zhì)資料進(jìn)行綜合分析，確定了該區(qū)域的地層分布及巖性特征。該區(qū)域主要由淤泥或淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土等巖（土）層組成，屬于典型的軟土地層施工區(qū)域。其地層及巖性情況介紹如下：

（1）素填土（A-1）：該層頂部零散覆蓋一層0—0.1m的混凝土；下部0.1—6.7m為黃色黏性土層，其間夾雜約7.5%的礫石，其平均厚度為3.53m。由于該層壓實(shí)作用較差，因此需要支護(hù)。

（2）淤泥或淤泥質(zhì)黏土（B-1）：分布深度為2.2—8.2m，平均厚度約3.12m，該層大部呈深灰色，富含有機(jī)質(zhì)呈流塑狀且有異味，同樣為欠壓實(shí)層且不能自穩(wěn)。

（3）粉質(zhì)黏土（B-2）：分布深度4.4—27m，平均厚度約14.43m，該層為本次基坑施工的主要層位。大部分呈黃褐色，可塑性及黏性較好，同樣為欠壓實(shí)層且不能自穩(wěn)。

（4）含礫粉質(zhì)黏土（B-3）：其分布較為零散，主要呈黃褐色或黑色，可塑性及黏性較好，含有約13.2%的礫石。

（5）砂巖（C-1）：該巖性僅在14.2—27m的深度范圍內(nèi)有局部分布；整體呈褐色，實(shí)測飽和單軸抗壓強(qiáng)度值為42—87MPa，該層硬度較大且能夠自穩(wěn)。

（6）砂礫巖（C-2）：該巖性在21.9—27m的深度范圍內(nèi)有局部分布；整體呈深褐色，實(shí)測飽和單軸抗壓強(qiáng)度值為43.2—88MPa，該層硬度較大且能夠自穩(wěn)。

（7）微風(fēng)化/強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r（D-1）：該巖性在17.2—27m的深度范圍內(nèi)大量分布，平均厚度約8.7m；大部分呈灰褐色，為隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)且發(fā)育有節(jié)理與裂隙，實(shí)測飽和單軸抗壓強(qiáng)度值為33.2—95.3MPa，該層硬度較大且能夠自穩(wěn)。

2.軟土層基坑變形特征及數(shù)值模擬

2.1 變形特征

綜合分析施工區(qū)域的地層資料和巖性特征，可以得出該區(qū)軟土地層的基本特點(diǎn)：（1）靈敏度高，即當(dāng)外部受力條件改變時(shí)，其土體原有結(jié)構(gòu)亦隨之變化，從而導(dǎo)致土體強(qiáng)度降低，但是穩(wěn)定一段時(shí)間后，其強(qiáng)度又會(huì)逐漸恢復(fù)，但所需恢復(fù)時(shí)間一般較長；（2）透水性差，此次開挖的主要地層為粉質(zhì)黏土層，其天然空隙比大于1，說明其透水性較差，要重點(diǎn)考慮地下水對施工產(chǎn)生的影響并依據(jù)施工情況進(jìn)行人工排水；（3）黏土層的可壓縮率高，即強(qiáng)度較低，故而其承載能力較差，不能將其作為持力層，需要及時(shí)進(jìn)行支護(hù)，同時(shí)還需要注意其產(chǎn)生的不均勻沉降。

對此類軟土層深基坑進(jìn)行數(shù)值模擬，其變形特征與按照初始模量計(jì)算得出的變形情況往往存在較大差異，這是由于常規(guī)的模擬實(shí)驗(yàn)得出的壓縮模量要比軟土層的卸荷模量小很多。所以隨著基坑開挖的深度越來越大，基坑周邊會(huì)出現(xiàn)不均勻沉降，而坑底也會(huì)出現(xiàn)塑性和彈性隆起，且其卸載和變化的特征受地質(zhì)條件、設(shè)計(jì)方案和施工等多重因素的影響。一般來說，需要綜合考慮安全和經(jīng)濟(jì)等條件，采用樁錨或內(nèi)支撐等剛性支護(hù)結(jié)構(gòu)，確保施工安全。

2.2 數(shù)值模擬

數(shù)值模擬的原始計(jì)算是從最終細(xì)分的四面體單元開始，可將四面體的四個(gè)頂點(diǎn)分別編號為a、b、c、d，而m代表與節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的面，設(shè)其內(nèi)部某一點(diǎn)的速度大小為vi，mi為四面體外表面單位法向量分量，四面體的體積為V、表面積為S，通過高斯定理進(jìn)行計(jì)算，如式（1）所示：

在常應(yīng)變單元中，vi為線性分布，mj在各外表面上為常量，1和（1）分別為節(jié)點(diǎn)變量和面變量，如式（2）所示：

再對四個(gè)頂點(diǎn)分配質(zhì)量以及受力，那么通過虛功原理可得出對應(yīng)頂點(diǎn)的不平衡力，之后再通過中心差分進(jìn)行計(jì)算，如式（3）和式（4）所示：

最后由運(yùn)動(dòng)速率求解某步時(shí)下單元應(yīng)變增量，在這個(gè)過程中，對于應(yīng)變增量的求解，可采用本構(gòu)方程求解單元應(yīng)變增量，再將各步時(shí)應(yīng)力增量疊加，最終求出總應(yīng)力，如式（5）所示：

對于邊界參數(shù)的確定，可采用摩爾庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則，設(shè)τn為某點(diǎn)的抗剪切強(qiáng)度，c為土體粘聚力，σn為土體顆粒受到的正應(yīng)力，φ為土體內(nèi)摩擦角，如式（6）所示：

3.模型建立

本次實(shí)驗(yàn)選取的二號施工區(qū)域，計(jì)劃施工尺寸為94.2m×19.2m×23.3m，基于深基坑的固有特性，其在2—4倍開挖深度、3—5倍開挖范圍的情況下，可能發(fā)生的變形情況最為嚴(yán)重，因此，在模型建立時(shí)，設(shè)定的深基坑尺寸為122m×72m×55m，所建立的模型共包括節(jié)點(diǎn)86875個(gè)、單元89734個(gè)。建立模型的主要土體的物理力學(xué)參數(shù)（如表1所示）：

表1 模型中主要土體的物理力學(xué)參數(shù)

依據(jù)施工特點(diǎn)，對施工過程中的6個(gè)工況進(jìn)行模擬，分別是開挖至3.0m、7.2m、13.4m、16.2m、19.3m、23.3m。由于工況3為挖掘規(guī)模最大的一次施工，且開挖層位為典型的軟土層層位，而工況6為基坑施工完成時(shí)的狀態(tài)，因此主要展示工況3和工況6的開挖情況。通過建立的三維模型，可以對施工過程中的基坑形態(tài)、地連墻位移、鋼支撐軸力變化、地表沉降等諸多情況進(jìn)行模擬，下面介紹典型模擬內(nèi)容。

3.1 地連墻水平位移模擬

工況1至工況6的最大模擬位移結(jié)果分別是：1.92mm、2.58mm、5.32mm、6.32mm、7.79mm、8.31mm。其中工況3和工況6的模擬情況（如圖1所示）。由此可見，地連墻的水平位移與開挖深度呈正相關(guān)關(guān)系，同時(shí)變形區(qū)域也逐步向基坑深部發(fā)展，因此，在開挖過程中，首先要及時(shí)進(jìn)行支護(hù)，其次要盡可能進(jìn)行分段及分層開挖，并嚴(yán)格控制基坑暴露時(shí)間，進(jìn)而有效控制基坑變形。

圖1 地連墻的水平位移模擬

3.2 地連墻垂直位移模擬

工況1至工況6的最大模擬位移結(jié)果分別是：2.32mm、4.88mm、7.62mm、7.99mm、8.23mm、8.86mm。工況3和工況6的垂直位移模擬情況（如圖2所示）。模擬顯示自工況4開始，位移增速變緩，這主要是隨著開挖規(guī)模最大的工況3的結(jié)束以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的架設(shè)，基坑的穩(wěn)定性逐漸趨好。

圖2 地連墻的垂直位移模擬

3.3 地表沉降模擬

工況1至工況6的最大模擬位移結(jié)果分別是：3.52mm、4.88mm、8.13m、9.89mm、13.23mm、13.39mm。工況3和工況6的地表沉降模擬情況（如圖3所示）：

圖3 地表沉降模擬

需要注意的是，在進(jìn)行工況模擬的過程中，要檢查最大不平衡力的變化趨勢，因?yàn)樵撝笜?biāo)是判斷模型是否達(dá)到平衡狀態(tài)的重要依據(jù)：如果模擬數(shù)值趨近于0，則說明模型已恢復(fù)到平衡狀態(tài)。本次模擬的6個(gè)工況的最大不平衡力情況（如圖4所示），各個(gè)工況施工完成后的數(shù)值均趨近于0，說明均達(dá)到平衡狀態(tài)。

圖4 最大不平衡力模擬

4.實(shí)驗(yàn)對比分析

本次基坑施工的風(fēng)險(xiǎn)等級為二級，監(jiān)測儀器主要采用數(shù)字水準(zhǔn)儀、全站儀、測斜儀和軸力計(jì)等設(shè)備，依據(jù)《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》等標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定監(jiān)測的項(xiàng)目如下：支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平和豎直位移監(jiān)測，布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)72個(gè)。周邊地表沉降情況監(jiān)測，布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)80個(gè)，采取16×5的設(shè)置方式，即設(shè)置16排、每排5個(gè)監(jiān)測點(diǎn)位。土體深層水平位移監(jiān)測，布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)16個(gè)。此外還有地下水位監(jiān)測點(diǎn)8個(gè)；支撐軸力、裂縫監(jiān)測等點(diǎn)位12個(gè)。

監(jiān)測周期設(shè)定為：在開挖過程中，開挖深度小于5m時(shí)每2天監(jiān)測1次，開挖深度大于5m時(shí)每天監(jiān)測1次；開挖完成后，第一周每天監(jiān)測1次，第二周每2天監(jiān)測1次，之后視情況逐漸延長。同時(shí)，不同的監(jiān)測項(xiàng)目還根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定了報(bào)警值，嚴(yán)防事故發(fā)生。

4.1 實(shí)測結(jié)果與仿真情況對比

將地連墻的水平及垂直位移的實(shí)測數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，兩者均實(shí)現(xiàn)了較好擬合，對比情況（如圖5所示）：

圖5 地連墻的水平與垂直位移的實(shí)測值與模擬值對比

對于基坑周邊地表的沉降情況，選取其中變化幅度較大的4個(gè)點(diǎn)位（即代號為DQ的一排點(diǎn)位）與仿真情況進(jìn)行對比。對比情況（如圖6所示）：

圖6 地表沉降實(shí)測值與模擬值對比

4.2 對比結(jié)果分析

從圖6中可以看出：工況1至工況3的位移變化幅度相對較大，而自工況4開始位移變化趨勢放緩。這是因?yàn)楣r1至工況3正在對軟土層進(jìn)行開挖，且開挖深度大、施工時(shí)間長；而自工況4開始，逐漸進(jìn)入砂巖和灰?guī)r等硬質(zhì)地層施工，且支護(hù)結(jié)構(gòu)逐步完善，因此變化幅度必然減小。

總體來說，通過實(shí)測結(jié)果與仿真情況的對比分析，不論是地連墻的水平及垂直位移，還是周邊地表沉降情況，模擬值與實(shí)測值均保持相同的變化趨勢，且實(shí)現(xiàn)了較好的擬合。地連墻的位移模擬值與實(shí)測值的平均絕對誤差為0.44mm，均方根誤差僅為0.48mm；而周邊地表的沉降情況的模擬值與實(shí)測值的平均絕對誤差為0.39mm，均方根誤差僅為0.49mm。兩者的均方根誤差均小于0.5mm，說明數(shù)值模擬較為準(zhǔn)確地反映了基坑的變化情況，預(yù)測模型是可靠的。

5.結(jié)束語

本文以某礦區(qū)軟土層深基坑工程為背景，介紹了軟土層深基坑的工程特點(diǎn)和施工難點(diǎn)，提出了基于數(shù)值模擬的方法，選取合理的土體參數(shù)并建立三維模型，對軟土層深基坑的變形趨勢進(jìn)行預(yù)測，對支護(hù)結(jié)構(gòu)的有效性進(jìn)行驗(yàn)證，最后通過與實(shí)測數(shù)據(jù)對比，發(fā)現(xiàn)模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了較好地?cái)M合，且預(yù)測誤差控制在合理范圍之內(nèi)。因此，該方法具備較強(qiáng)的實(shí)用性和可靠性，對于軟土層深基坑的施工提供了一種有效的預(yù)測和指導(dǎo)手段，對于工程建設(shè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。