摘要：以上海市某地下一层，基坑采用水泥土搅拌桩基坑为例，应用ABAQUS 模拟分析了水泥土搅拌桩支护的基坑开挖对基坑周边土体变形影响范围、周边路面沉降、深层土体变形的规律。在此基础上，分别研究了搅拌桩墙体厚度、搅拌桩长度、型钢插入长度对周边路面、深层土体变形的影响，为上海地区类似基坑项目的设计、施工提供了参考。
关键词：深基坑 水泥土搅拌桩 有限元 位移
上海地区属于长江冲积平原，典型的软土地区，土质较差，土体承载力低、地下水位极高，因此上海地区深基坑设计和施工难度很大。水泥土搅拌桩支护形式成本低，止水性能较好，对周边构筑物、地下管线等的影响较小。在施工过程中对土体的扰动较小、污染及噪声均较小。其主要适用于饱和软粘土，加固深度从几米至几十米，在软土地区基坑开挖深度为5-7米的基坑中应用广泛。在上海地区，地下一层，周边环境不太复杂的基坑基本均采用水泥土搅拌桩支护。而在实际工程中，理论研究远远落后于工程实践，因而不能很好的指导设计与施工。笔者以上海某基坑开挖深度为5.4米的典型基坑，应用ABAQUS有限元软件，模拟分析了水泥土挡墙的变形及周边地表变形规律，并在此基础上对基坑变形的影响因素进行了研究分析。
1.工程背景
背景项目基坑开挖面积为120m×80m，开挖深度为5.4m，基坑围护设计采用φ700mm @500mm双轴水泥土搅拌桩挡墙悬臂支护形式，有效桩长14m，水泥土挡墙宽度为4m，挡墙最内侧和外侧两排搅拌桩内各插一根28b槽钢，槽钢长度为L=12m，挡墙面层采用200mm厚C20混凝土压顶，压顶板内配ф8@200双向钢筋，坝压顶宽度为4m。场地内土层分布及物理力学指标如表1所示。
本工程基坑开挖深度为5.4m，共分为两个工况，工况1：基坑开挖至地表以下-2m位置；工况2：基坑开挖至坑底-5.4m标高。
.png)
2.数值模拟与监测数据对比分析
2.1数值计算模型
应用大型有有限元软件ABAQUS对本工程基坑开挖过程进行模拟分析。根据相关工程经验，基坑开挖在水平方向上的影响范围约为3H～5H（H为基坑开挖深度），竖向上的影响范围约为为3H～4H［3－4］。本次模拟在水平及竖向上分别以5H、3H 作为的影响范围，由于基坑具有对称性，为提高计算效率，因此选取1 /2基坑模型进行数值分析，计算模型尺寸为80 m × 40 m，如图2所示。
计算模型中，土体采用摩尔-库伦弹塑性模型，各层土体的物理参数如表1所示，选用平面应变单元（CPE4）进行计算。水泥土搅拌桩采用摩尔-库伦弹塑性模型，选用平面应变单元（CPE4）进行计算，弹性模量根据现场检测报告及文献[1]选取，E=500Mpa，粘聚力c及内摩擦角选取参考文献[1]。槽钢采用线弹性梁单元（B21）进行模拟，弹性模量E=200Gpa。
.png)
2.2 模拟计算结果与监测数据对比分析
模拟值与现场监测值曲线对比如图3、图4所示，模拟值与现场监测值基本相符。基坑开挖完成后，随着深度增加，基坑侧壁土体变形量逐渐减小，基本呈直线。坑外地表沉降随着距基坑越远，沉降量越小，属于悬臂支护基坑的典型变形规律。基坑壁深层土体位移：现场监测值最大为65.98mm，最大变形发生在基坑顶部，模拟值最大为62.61mm，发生在相同位置，模拟值比现场监测值小约5.11%。周边地表沉降：由于现场监测点距基坑最近为8m，每间距5m布置一个，模拟也选取相同位置，距基坑最近处8m位置地表沉降量为31.7mm，模拟值为34.15mm，比监测值大约7.73%。综上所述述，基坑壁深层土体最大位移实测值与模拟值相差约5.11%，地表沉降实测值与模拟值相差约7.73%，由此说明此次模拟所选用的各材料参数满足此次分析要求。
数值模拟计算两个工况变形云图如图5所示。随着基坑的开挖，坑壁变形越来越大，基坑开挖的影响范围也随着基坑深度逐渐变大。在水平方向上，两个工况的影响范围约为10m，25m，分别为5H、4.6H；竖直方向上影响范围约为6.5m，18m，分别为3.25H、3.33H；两个工况基坑最大变形量分别是21.69mm，62.61mm；基坑开挖面土体隆起量分别是110mm，173.6mm，最大隆起量与基坑最大变形量的比值为5.07、2.77。由以上数据可知：5.5m左右深度的基坑，随着基坑开挖，其影响范围随深度而减小，水平方向上约为4.5H~5H，竖向上约为3H~3.5H，最大隆起量与最大变形的比值也逐渐减小，约为2.5~3左右。
.png)
3.基坑变形影响因素分析
本节所研究内容无法在施工现场通过原位试验实现，为研究基坑变形影响的因素，本章采用第2章有限元模型，采用单一因素分析的方法，其他参数不变，分别分析该因素的影响。通过大型有限元软件ABAQUS，分析了水泥土搅拌桩加固宽度、搅拌桩长度、槽钢插入长度等3个因素，分析了各因素变化对基坑侧壁深层土体、基坑外地表沉降的影响规律。从而对类似支护基坑提供设计和施工依据。
3.1 水泥土搅拌桩加固宽度
本节分别设定搅拌桩加固宽度为2m、3m、4m、5m、6m五个工况来研究水泥土搅拌桩的加固施工对基坑坑壁深层土体、地表沉降变形规律的影响，模型中土体及搅拌桩几何尺寸和材料参数按照第2章模型的几何尺寸及参数，各工况水泥土搅拌桩加固宽度如表2所示：
.png)
各工况深层土体位移如图6所示，五个工况下基坑深层土体变形随着深度增加基本呈线性减小，基坑顶部变形量最大，在深度约18m的位置，各工况变形量基本收敛。工况一中，基坑顶部最大变形量为112.32mm，当搅拌桩加固宽度增加至3m时，基坑顶部最大变形量为81.36mm，相较于工况一减小30.96mm，约减小27.56%；当加固宽度增加至4m时，最大变形量减小至62.62mm，相对于工况二减小约23.03%；工况四最大变形量减小为50.73mm，比工况三减小约18.99%；相较于工况四，工况五最大变形量降至42.88mm，降幅约为15.47%。由以上分析可知，随着水泥土搅拌桩加固宽度的增加，大大减小了深层土体的变形量，但减小幅度随着加固宽度的增加有所下降，最终会趋于收敛。
.png)
.png)
各工况基坑外地表沉降曲线如图7所示，基坑外地表沉降最大值发生在搅拌桩加固区域与土体接触位置。在搅拌桩加固范围内，随着距基坑距离的增加，地表沉降逐渐减小，分析原因：由于水泥土加固区域相较于土体整体刚度较大，随着基坑开挖，加固区域整体向基坑内部位移，在强大刚度的作用下，远离基坑部位略向上位移。在加固区域与土体交接部位，地表沉降突然增加，在这个位置会形成差异沉降，然后随着距离的增加，沉降量呈抛物线逐渐减小，最终在25m左右各工况地表沉降基本收敛，更加证明了基坑影响范围约4.5H~5H左右。相较于工况一的最大沉降量109.24mm，工况二减小至74.78mm，约减小31.55%，工况三最大沉降量为53.99mm，减小约27.80%；相较于工况三，工况四最大沉降量减小至35.36mm，减小约34.51%；工况五最大沉降量为28.11mm，比工况四减小约20.51%。以上数据表明，加固区域宽度增加，能有效减小基坑外地表沉降量，加固区域宽度从2m至6m，每增加1m，能有效减小沉降量约20%~35%。
综上所述，选取合理的水泥土搅拌桩加固区域宽度，能有效减小基坑壁深层土体位移和周边地表沉降，加固区域宽度在2m~6m范围内，每增加1m，深层土体位移能有效减小15%~30%，地表沉降能有效减小20%~35%。
3.2 水泥土搅拌桩长度
本节分别设定水泥土搅拌桩长度度为10m、12m、14m、16m、18m五个工况来研究水泥土搅拌桩的长度对基坑坑壁深层土体、地表沉降变形规律的影响，模型中土体及搅拌桩几何尺寸和材料参数按照第2章模型的几何尺寸及参数，各工况水泥土搅拌桩加固宽度如表3所示：
.png)
.png)
深层土体位移曲线如图9所示，五个工况整体变形规律相符，五个工况在深度约18m处，土体变形基本收敛。工况一最大变形量为140.85mm，工况二减小至130.34，约减小7.46%，而工况三中，搅拌桩长度增加至14米时，最大变形量陡降至62.62mm，相较于工况二减小约51.96%，变形减小明显，工况四、工况五最大变形量为50.56mm、49.99mm，工况五与工况四最大变形量变化不大，比工况三减小约17%左右。
基坑周边地表沉降曲线如图10所示，随着距基坑距离的增加，搅拌桩加固区域范围内沉降量逐渐减小，在加固区与非加固区接触部位地表沉降量最大，然后呈“抛物线”形状减小，五个工况均在27m左右地表沉降收敛。当搅拌桩长度由10m增加至12m时，对地表沉降影响不大，而当桩长度增加至14m时，最大沉降量由97.27mm突然减小至53.99mm，减小约44.52%，减小效果明显，当桩长由16m增加至18m时，地表沉降基本无变化。
以上数据表明，随着水泥土搅拌桩长度的增加，基坑变形逐渐减小，当长度增加至16m之后，搅拌桩桩长增加对基坑深层土体变形及地表沉降基本无影响，搅拌桩长度从12m增加至14m时，土体最大变形及地表沉降陡降52%、44.52%左右，效果明显，由此猜想搅拌桩长度约为2.6H~3H为最优长度。
3.3 槽钢插入长度
本节分别设定水泥土搅拌桩长度为8m、10m、12m、14m、16m五个工况来研究水泥土搅拌桩的长度对基坑坑壁深层土体、地表沉降变形规律的影响，模型中土体及搅拌桩几何尺寸和材料参数按照第2章模型的几何尺寸及参数，各工况水泥土搅拌桩加固宽度如表4所示：
.png)
如图12深层土体位移曲线图所示，五个工况深层土体位移变化规律基本一致，随着深度的增加，深层土体位移呈线性减小，各工况位移均在深度为18m处收敛。内插槽钢长度从8m增加至14m时，深层土体最大位移从63.57mm减小至61.23mm，减小量仅为3.68%，当槽钢长度增加至16m时，最大变形量减小至55.24mm，减小约为9.78%。
如图13周边地表沉降曲线图所示，各工况地表沉降规律一致，加固范围内，随着距基坑距离的增加，沉降量逐渐减小，加固区域与非加固区域接触部位沉降量最大，然后呈抛物线减小。槽钢长度在8m至14m范围内时，周边地表沉降基本无变化，当槽钢长度由14m增加至16m时，最大沉降量由52.64mm减小至46.86mm，约减小10.98%。
以上数据表明，当水泥土搅拌桩内插槽钢由8m增加至14m范围内，即槽钢长度在2.6H范围内，对基坑深层土体位移和周边地表沉降基本无影响，当槽钢长度增加至16m，约3.0H时，基坑变形减小约10%左右。
.png)
4.结论
在数值模拟与现场原位试验数据对比的基础上，应用有限元软件对基坑变形影响因素进行了分析，结论如下：
（1）5.4m左右深度水泥土搅拌桩支护基坑开挖，其影响范围在水平方向上约为4.5H~5H，竖向上约为3H~3.5H，最大隆起量与最大变形的比值也逐渐减小，约为2.5~3左右。
（2）加固区域宽度在2m~6m范围内，每增加1m，深层土体位移能有效减小15%~30%，地表沉降能有效减小20%~35%。
（3）搅拌桩长度从12m增加至14m时，土体最大变形及地表沉降陡降52%、44.52%左右，效果明显，当长度增加至16m之后，搅拌桩长度变化对基坑变形基本无影响，由此猜想搅拌桩最优长度长度约为2.6H~3H。
（4）当水泥土搅拌桩内插槽钢长度在2.6H范围内，基坑变形基本无影响，当槽钢长度增加至约3.0H时，基坑变形减小约10%左右。
参考文献
[1]赵景科. 型钢与水泥土墙组合支护结构理论研究及有限元分析[D].石家庄：河北工业大学,2015.
[2] 甘游. 桩承悬臂式挡土墙联合锚定墙支护结构工作机理研究[D].长沙：湖南工业大学大学,2018.
[3] 孔德森,张杰,王世权,刘一. 倾斜悬臂支护桩受力变形特性模型试验[J].工业建筑,2019.3.20:117-121.
[4] 白冰,肖朝昀,陈志彬,高世雄. 竹筋水泥土挡墙基坑开挖有限元分析[J].河南大学学报,2014.11:743-748.
[5] 孔德志,冯娇伟,宋艳香. 劲性水泥土桩连续墙的工作机理分析[J]．岩土工程学报,2011.33(S2):43-46.
[6]李政. 水泥土搅拌桩支护结构设计优化及稳定影响分析[D]. 沈阳：东北大学，2015.