合肥学院土木工程系 合肥 230601
摘要：本文以合肥地区某深基坑工程开挖与支护下基坑变形为例，通过三维有限元数值建模，考虑了土体与桩和土钉的接触非线性作用，分析了在与基坑不同距离建筑物影响的情况下，基坑开挖引起的不同侧支护结构变形、地表位移及支护结构内力（土钉轴力、支撑轴力和弯矩）变形规律。提出相应的施工措施，通过调整有关参数反复进行模拟，从而设计符合要求的基坑支护形式，可以对类似的深基坑工程的支护设计与安全评价提出建议和施工参考。
关键词：基坑开挖；支护结构；复合土钉墙；有限元分析；接触
1 引言
基坑工程是一个综合、复杂的岩土工程问题，涵盖诸如土力学、结构力学、材料力学、地质、施工等，既涉及土力学中经典的强度、稳定与变形问题，又涉及土与支护结构相互作用的问题。在开挖过程中施工的每一阶段，结构体系、外部荷载、开挖工序和位置都在变化，这些对最终的结果都有直接影响，因此，基坑开挖的数值模拟具有重要的理论和工程实践意义。
关于复合土钉墙对基坑的作用效应尽管已经有了一些研究[1-8]，但是研究的内容倾向于单一，或者注重土钉轴力或注重边坡水平位移或从潜在滑移面的角度进行研究，而没有将各个方面综合起来进行研究。
本文在复杂工程环境状况下，对基坑开挖及支护过程进行了模拟，依据该项目勘察报告资料，合理确定输入边界条件和土体计算参数，进行数值模拟分析。对基坑的动态开挖及支护进行了模拟，给出了基坑不同测点变形位移图，分析了支护结构随着开挖深度变化的侧移规律，给出了土钉随着深度变化的轴力图和水平支撑的轴力、弯矩图，分析了结果的合理性。
2 工程概况
合肥某深基坑工程，基坑长约100m，宽约60m，平面呈矩形分布，基坑开挖深度为10米，地面标高为±0.0m，基坑底标高为-10.0m。该基坑支护结构的结构形式、载荷分布、施工条件等均为轴对称，以基坑各边中线为对称轴，根据对称性，取整个基坑的四分之一作为计算区域建立有限元模型。
根据场地工程地质条件和基坑周边环境情况，选取复合土钉的支护形式进行基坑支护。通过三维非线性有限元数值仿真分析，得出侧向位移变形、支撑内力的变化规律，为基坑支护的设计提供参考依据。
3 土层参数
该基坑地层从上到下依次为：素填土、粉质粘土、砾砂、含砾粘土、砾质粘土、全风化花岗岩。
表1 各土层物理力学参数
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4 基坑观测点布置及开挖步骤
土体是一种弹塑性体，弹塑性模型有较多种类，本文采用Drucker-Prager弹塑性模型模拟土体材料的本构，支护结构采用线弹性模型。
基坑周围布置8个测斜观测点，考虑到对称性，我们取1/4基坑模型计算分析，故有2个测斜观测点来反映基坑内支护结构的水平位移。
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图1 基坑平面及观测点布置图
J1和J2为1/4模型的两个监测位置，用来监测随着土方的开挖，围护结构不同深度处的水平位移值，而S1~S8为8个围护结构顶位置，用来监测随着土方的开挖，围护结构顶端的水平位移值。
初始地应力通过多次迭代直到地应力平衡，模拟分析分六步完成：
第1步：未开挖，初始地应力迭代平衡，杀死支护结构（复合土钉墙），施加位移边界条件；
第2步：激活第一层支护结构，开挖第一层土体，激活第一层支撑；
第3步：激活第二层支护结构，开挖第二层土体，激活第二层支撑；
第4步：激活第三层支护结构，开挖第三层土体，激活第三层支撑；
第5步：激活第四层支护结构，开挖第四层土体，激活第四层支撑；
第6步：激活第五层支护结构，开挖第五层土体，激活第五层支撑；
5 计算模型的建立和边界条件
由于基坑的对称性，取四分之一基坑为研究对象，选取模型尺寸为：长140米，宽70米，高40m，其中基坑开挖区长50m，宽30m，开挖深度10m。围护结构模型中土体分为6层，土体单元采用三维八节点实体减缩积分单元（C3D8R）来模拟，支撑采用三维梁单元（B31）来模拟。复合土钉采用搅拌桩复合土钉支护，搅拌桩桩径为1m，桩深20m，下端嵌固在土体中。土钉共4层，角度为斜向下10°，半径为0.12m。钢筋网喷混凝土面层厚度为0.15m。支撑设置纵、横撑及斜撑，采用400mm×300mm钢筋混凝土网格梁，由400mm×400mm钢筋混凝土立柱在水平支撑交点处下方支撑，深20m。
整个模型网格划分示意见下图，同时考虑建筑物距离基坑边缘不同距离时对基坑开挖的影响，在距离基坑边缘不同距离处分别施加竖直向下的压力来模拟建筑物的影响。
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图2 四分之一基坑的三维模型网格划分
计算模型的边界条件较为简单，基坑底部、右侧、前方边界采用固定约束；基坑对称面及支撑采用对称边界。地应力平衡之后，激活接触面，使支护结构和土体在接触面上相互挤紧，随后移除第一层开挖土体，同时激活第一层支护。以此类推，本文分五次移除基坑内土体，实现了开挖过程的模拟。得到了每次基坑开挖过程中支护结构的水平位移及支撑内力随深度的变化图。
地面有建筑物时，支护示意如图所示，等效压力取60KN/m2.
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图3 地面有建筑物时支护结构示意图
6 仿真结果分析
通过对桩顶J1测点随着开挖深度的增加产生的水平位移计算给出的曲线可以看出，桩顶位移仍然是随开挖深度的增大而增大，而对于同一开挖深度下，桩顶位移先增大后减小，在中下部侧移达到最大，这是因为水平支撑对桩的约束作用导致。
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图4 基坑开挖过程中J1、J2测点支护结构的水平位移随深度的变化图（10m）
随着建筑物离基坑距离的增大，对测点的水平位移产生的影响逐渐变小，而且由于J1测点不是布置在建筑物所在的基坑一侧，因此当建筑物距离变化时，J1测点的水平侧移基本不受影响，而J2测点的水平侧移会受到明显的影响。
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图5 基坑开挖过程中J1、J2测点支护结构的水平位移随深度的变化图（20m）
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图6 基坑开挖过程中J1、J2测点支护结构的水平位移随深度的变化图（30m）
图4～6为不同距离建筑物影响下的基坑支护结构顶部位移变化图，就同一距离下，不同位置处的顶点位移随着开挖深度的增大而增大，S1~S8为布置在基坑壁附近的不同位置处的测点，对于同一位置的点，变化趋势基本是一致的。由于建筑物在J2一侧，因此J2测点的支护结构的水平位移均比J1测点处要大。
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图7 不同位置处基坑支护结构顶部位移变化图（10m）
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图8 不同位置处基坑支护结构顶部位移变化图（20m）
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图9 不同位置处基坑支护结构顶部位移变化图（30m）
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图10 建筑物不同距离下J1、J2测点位置水平位移图
图7～10呈现出随着建筑物离基坑边的距离的增加，建筑物荷载对基坑边支护结构的侧移的影响逐渐减小，通过测点的位移计算可以定量监控建筑物荷载对基坑开挖的影响，从而在薄弱区增设约束，以满足规范和实际施工的要求。
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图11 基坑开挖过程中不同层土钉的轴力随开挖深度的变化图
图11给出基坑开挖过程中不同层土钉的轴力随开挖深度的变化，随着基坑开挖过程的进行，土体中设置的土钉的轴力是不断变化的，每排钉的受力情况是不同的，与土钉自身所处的位置有一定的关系。开挖结束后，分析土钉的受力情况知，最上层的土钉和最下层的土钉受力较小，而处在中间位置的土钉受力则较大，第五层钉的内力很小，儿乎没有发生作用。我们可以从施工的角度来理解：支护结构的施工是在土体开挖之后开始的，此时的土钉可以近似认为与被挖土体的最底部是在一个水平面上的，也就是说此时的土钉与土体之还没有发生相互作用。在基坑幵挖过程中，土钉的轴力是随着开挖深度的增加而不断变化的，上一层的土钉是在下一层土体进行开挖时产生内力的，从而发挥约束土体侧向位移的作用。图中第五层土钉的轴力较小，那是因为在最后一层土钉施工完毕后，开挖己经基本完成，土钉与基坑底部几乎在一个水平面上，所以土钉基本上是不产生内力的，一般不发挥作用。
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图12 基坑水平支撑轴力和弯矩
图12给出了一层支撑的轴力和弯矩图，我们可以根据具体需要调整设计支撑的布局及加固。支撑中部受力比较大，比较均匀，边缘上由于跟圈梁和桩的连接，圈梁和桩分担了部分内力，所以边缘支撑的内力稍微小些。
对于支撑的设计，可以根据规范和具体要求来实施，我们可以先给出一定方案，通过计算分析，进而调整指导设计，最终达到既符合要求又可控的方案。通过模拟仿真计算用来预先指导我们采取合理的措施加固维护，从而避免不必要的损失。
7 结论
本文基于Abaqus三维有限元模拟，对复合土钉支护结构下基坑的动态开挖进行模拟，给出了基坑不同测点变形位移图，分析了支护结构随着开挖深度变化的侧移规律，给出了土钉随着深度变化的轴力图和水平支撑的轴力、弯矩图，分析了结果的合理性，主要结论有：
1.桩顶位移随开挖深度的增大而增大，对于同一开挖深度下，桩顶位移先增大后减小，中下部侧移达到最大，这是因为水平支撑对桩的约束作用所致；
2.建筑物一侧的支护桩顶位移受建筑物离基坑距离的影响较大，随着离基坑距离的增大，桩顶侧移减小；
3.土钉的轴力随着开挖深度的增大而增大，而同一竖向位置轴力最大的土钉层大致位于中间位置，并不位于最下层；
4.支撑的中部轴力比较大，而边缘部分由于圈梁和桩的分担内力减小。
通过这种方法，可以对工程设计和施工给出建议和预测，提供一定的参考价值。
参考文献
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作者简介：梁晓东（1979-），男，汉，山西晋中，博士，合肥学院，高级工程师，研究方向：材料结构的优化与设计。
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