唐晓天 廖兴剑
中铁第六勘察设计院集团有限公司 天津 300308
摘要：随着城市轨道交通和高大建筑物工程的高速发展，深基坑工程也随之不断出现，而基坑工程的稳定性直接关系到人民的生命财产，那么保证基坑工程的安全稳定性也显得极为重要。特别是遇到膨胀土地质条件时，将会给基坑工程造成极大的安全隐患。由于受到降雨等外部环境的影响，基坑周围土体吸水膨胀，在基坑支护结构上形成水平膨胀力，降低了基坑支护结构的安全稳定性。本文以合肥地铁５号线四川路站深基坑工程为研究背景，运用ANSYS有限元软件模拟基坑开挖过程，得到考虑膨胀力和不考虑膨胀力两种情况下的桩体变形和支撑内力模拟值，进一步论证膨胀力的存在对基坑支护结构稳定性的影响作用大小，为以后同类型基坑支护结构的设计方案优化提供一定的参考作用。
关键词：膨胀土；深基坑；数值模拟；
1引言
随着我国城镇化进程的不断推进，城市人口不断增加，极大促进了城市轨道交通及高层建筑的发展，导致深基坑工程越来越多。但一般作为临时性结构的基坑支护结构为了节约成本，造成其设计安全系数较低。由于工程赋存环境复杂性，使得深基坑支护结构安全稳定性具有不确定性，当基坑支护结构能力不足时将造成基坑失稳坍塌破坏，造成基坑周围建筑物开裂变形，地下管网和地下结构断裂，可能造成人员伤亡和重大经济损失。可以看出城市深基坑工程安全问题日益紧迫和突出，深基坑支护结构安全稳定性问题己成为安全施工面临的重要课题。特别是膨胀土地区深基坑工程，在降雨等大气营力作用下将在支护结构上形成膨胀土附加应力场，进一步降低基坑工程的稳定性。但是，目前对于作用在基坑支护结构上的膨胀力加载模型和取值大小尚未达成共识，设计人员在进行膨胀土地区基坑支护结构设计时一般不考虑膨胀力的影响，这就导致膨胀土地区基坑工程的安全储备能力偏不足，安全性得不到可靠地保障。
安徽省作为我国膨胀土主要分布区之一，膨胀土分布较为集中，多为中弱势膨胀土。遇到降雨天气时将在基坑支护体系上形成膨胀土附加应力场，从而降低了其稳定性，极易引起基坑坍塌事故的发生。例如：2015年6月合肥新世界公馆基坑因降雨导致支护失稳破坏，造成基坑坍塌和周边居民楼开裂；2018年5月阜阳市莲花路安置区基坑因暴雨导致支护失稳破坏，周边道路沉降塌陷。因此，有必要针对膨胀土地区基坑支护结构稳定性进行分析，从而得出膨胀力的存在对其稳定性的影响大小。
2剪膨胀力加载模型及取值大小的确定
2.1 膨胀力加载模型的确定
膨胀土地区基坑支护结构设计时完全不考虑膨胀力是偏不安全的，受到降雨天气的影响，基坑周围土层含水率不断增大，将在支护结构上形成水平膨胀力作用，可能造成基坑支护结构安全储备不足，若将膨胀力完全加载到支护桩上又不能满足设计经济性原则。膨胀力加载模型及取值大小的确定是膨胀土地区基坑设计计算过程中的关键问题件类型中稳定性及抗震性较差的I字型剪力墙应较少采用，更多采用L、T字型剪力墙构件。
基于对现场监测数据的分析及对膨胀土性质的认识得出膨胀力的分布满足如下条件：
（１）由于周围土体的限制作用，导致膨胀土膨胀过程中产生内应力。基坑顶面由于不受限制，其膨胀力可忽略不计，但膨胀力会随着基坑深度的增加而不断增大。
（２）膨胀力应该沿着基坑深度方向分布。
（３）基坑坑底处膨胀力较小。由于土体密实度会随着埋深不断增大，雨水入渗越来越困难，导致底部土体膨胀力很小。但实际上乃存在一定的大气急剧影响深度范围。
通过对比分析后认为按湿度场建立的膨胀力加载模型较为合理，但其膨胀力分布图形不规则，为了便于计算，将其分布图简化成三角形。
2.2 膨胀力加载模型的确定
膨胀土遇水产生的膨胀力在各个方向上基本是相同的，作用在支护桩上的膨胀力按水平荷载考虑。在基坑支护结构设计中膨胀力的取值可依据岩土工程勘察报告得出的膨胀力室内实验标准值，再通过加载不同取值大小的膨胀力进行数值模拟，将模拟结果与现场监测数据进行比较可以得到符合现场实际的最佳膨胀力取值大小。
根据本标段岩土工程勘察报告中提供的膨胀力室内实验标准值Ｐ约为67.6kPa，我们分别按照100%P、60%P、30%P和0%P四种情况对基坑支护结构加载水平膨胀力，并通过ANSYS有限元软件数值模拟得出对应工况下的桩顶水平位移，再选取两组具有代表性的监测数据进行对比分析，得到粧顶水平位移模拟值与监测值对比分析图。根据分析发现加载30%P情况时模拟结果与现场监测值比较吻合，所以我们在后面数值模拟中按照膨胀力室内实验标准值Ｐ的30%进行取值，水平膨胀力取值大小为20.3kPa。
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图1 不同膨胀力加载情况下的桩顶位移模拟值与现场监测值对比曲线
3. 运用ANSYS有限元软件进行基坑开挖数值模拟
3.1 基坑开挖模型的建立
在运用ANSYS有限元软件进行基坑开挖数值模拟的过程中，土体模型采用土的理想弹塑性模型，其破坏准则采用了广义的Mises准则。由圣维南原理得到：基坑在开挖过程中，对周围土体的影响范围将随着开挖面远离开挖部位而逐渐消失。按照工程经验及有限元计算结果，本基坑的开挖影响宽度为开挖深度的３～４倍，影响深度为开挖深度的２～４倍。合肥地铁５号线四川路站基坑标准断面尺寸为：长209ｍ*宽19.7ｍ，深度约为16.8ｍ。根据圣维南原理最终确定尺寸为宽（19.7+16.8*6）ｍ和深（3*16.8）ｍ，即最终确定一个120m*50m的矩形基坑开挖模型雏形。计算模型的边界为：左右边界Ｘ方向位移值为０，底边界Ｘ、Ｙ方向位移均为０，其它边界自由。地面超载按照设计值20kPa计算，作用在距基坑两侧５m以外，加载宽度两边各为20ｍ。
支护桩采用板单元进行模拟，钢支撑采用桁架单元来模拟。由于模拟计算过程中，支护桩所形成的网格量非常庞大，造成计算不便，所以按照排桩与地连墙抗弯刚度相等的原理，将支护桩等效为地下连续墙形式来简化计算过程，其受力形式与地下连续墙类似，等效连续墙墙厚约为35cm。
该基坑工程开挖模拟过程中，土体材料采用４节点的solid42单元，支护桩采用beam3单元，通过输入各层土体的c和φ值实现Ｄ-Ｐ准则，在ANSYS软件中提供了弹性模量、泊松比、密度、土体的粘聚力、内摩擦角五个参数接口，通过这五个参数顺利的完成土层模型的建立，本基坑模型所用到的材料参数详见下表1。
表1 主要材料参数表
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按照现场实际施工情况，将整个基坑开挖过程分成４个工况：
工况１：沿着基坑深度方向往下开挖至2ｍ，并及时施作冠梁及第一道钢筋混凝土支撑；工况２：沿着基坑深度方向往下开挖至8.8ｍ，并及时安装第二道钢支撑；
工况３：沿着基坑深度方向往下开挖至14.8ｍ，并及时安装第三道钢支撑；
工况４：沿着基坑深度方向往下开挖至16.8ｍ，并及时施作底板。
3.2 不考虑膨胀力情况下的基坑开挖数值模拟结果分析
（1）基坑周围土体位移分析
从三维基坑开挖模拟结果可以发现：在开挖初期基坑两侧土压力不大，工况一时位移量较小，Ｙ方向位移量为3.9mm，基坑支护结构变形亦不明显。随着开挖深度的不断增大，由于支护桩承受的土压力也逐渐增大，从而使桩体向基坑临空方向变形，导致基坑位移值不断增大，工况二时Ｙ方向位移量为6.33mm，工况3 的Y方向位移量为7.1mm，最后开挖到基坑底时Ｙ方向土体位移量达到9.8mm，基坑扩大端和拐角处局部位移量达到35.1mm。从基坑Ｚ方向周边土体的位移云图可以发现，随着基坑开挖深度的不断增大，周围土体沉降量也不断增大。同时发现离基坑越远沉降量越来越小，基坑周围土体最大沉降量达到28.3mm，坑底最大沉降量达到90.8mm。工况四时基坑周围土体Ｙ方向和Ｚ方向位移图见图2。
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图2 工况4土体Y方向和Z方向位移云图
（2）内支撑轴力变化分析
从各工况下钢支护轴力云图可以看出：钢支撑轴力随着开挖深度的增大而不断增大。当开挖至基坑底部时，第二道钢支撑受力最大，其次是第三道钢支撑，并且斜撑受力比横撑大。第二道钢支撑横撑最大轴力为1369.8KN，斜撑最大轴力为1540.7KN；第三道钢支撑横撑最大轴力为1027.9KN，斜撑最大轴力为1198.9KN。具体见图3。第二道和第三道钢支撑设计轴力均为2500KN，预加力均为500KN。模拟基坑开挖施工过程中，各工况下每道钢支撑轴力峰值均小于设计轴力的80%，基坑处于安全状态，基坑支钢支撑体系有一定的设计优化空间。
图3 工
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况4钢支播轴力变化云图
3.3 考虑膨胀力情况下的基坑开挖数值模拟结果分析
（1）基坑周围土体位移分析
从三维基坑开挖模拟结果可以发现：在开挖初期基坑两侧土压力不大，工况一时位移量较小，Ｙ方向位移量为3mm，基坑支护结构变形亦不明显。随着开挖深度的不断增大，由于基坑支护桩承受的土压力不断增大，这就使桩体向基坑临空方向变形，导致基坑位移值不断增大。工况二时Ｙ方向位移量为8.7mm，工况三时Ｙ方向位移量为8.96mm，最后开挖到基坑底时Ｙ方向土体位移量达到9.4mm，基坑扩大端和拐角处局部位移量达到38.7mm。从基坑Ｚ方向基坑周围土体位移云图可以发现：随着基坑开挖深度的增加，周围土体沉降量不断增大，同时发现离基坑越远沉降量越来越小，基坑周围土体最大沉降量达到20.4mm，坑底最大沉降量达到99.7mm。工况四时基坑周围土体Ｙ方向和Ｚ方向位移图具体位图4。
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图4 工况4土体Y方向和Z方向位移云图
（2）内支撑轴力变化分析
从各工况下钢支护轴力云图可以看出：钢支撑轴力随着基坑开挖深度的增大而增大。基坑幵挖至基坑底部后，我们发现第道二钢支撑受力最大，其次，第三道钢支撑，斜撑受力大于横向支护。第二道钢支撑横撑最大轴力为1503.8KN，斜撑最大轴力为1684.2KN；第三道钢支撑横撑最大轴力为1142.9KN，斜撑最大轴力为1323.4KN。具体见图5。第二道和第三道钢支撑设计轴力均为2500KN，预加力均为500KN。模拟基坑开挖施工过程中，各工况下每道钢支撑轴力峰值均小于设计轴力的80%，基坑处于安全状态，基坑支钢支撑体系设计有一定的优化空间。
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图5 工况4钢支播轴力变化云图
4.结束语
根据现场实际情况确定了基坑支护结构膨胀力的加载模型，再通过数值模拟和现场监测结果的对比分析确定膨胀力的取值大小。为了使模拟结果更为科学合理，本文同时运用ANSYS对基坑开挖进行数值模拟，将得到的数值模拟结果加以对比分析，得出如下结论：（1）基坑支护结构上的膨胀力采用湿度场建立的土压力模型，膨胀力大小取值为是室内实验室测的膨胀力标准值的30%；（2）通过ANSYS有限元软件模拟基坑开挖过程，得到加载30%P膨胀力和不加载膨胀力两种情况下的桩顶水平位移模拟值，发现加载膨胀力的桩顶水平位移值较不加载膨胀力的位移值偏大。
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