基坑延深開挖的模擬

1工程實例

1.1 基坑工程概況

基坑建筑占地面積約為4363m2，基坑周長約為242m。原建筑結構按一層地下室進行設計的，深度4.5m左右，采用土釘墻、自然放坡支護體系，設置四排土釘，土釘傾角15°土釘長度為6m，基坑已開挖至原設計深度約-4.5m標高，并閑置約三年時間，支護體及周圍環境處于穩定狀態?，F場地一層地下室改為兩層，基坑開挖深度為8.24～11.45m，需要在原有基坑基礎上進行二次超深開挖。本基坑安全等級為一級。

圖1  原支護結構簡圖   

  圖2  新支護結構簡圖

1.2 工程地質條件及周邊概況

1.2.1 地形地貌與周邊環境

該場地原地貌類型為海積平原地貌，后經基礎施工開挖后，場地內現為一開挖后采用土釘墻支護結構進行支護處理而形成的基坑?；訄龅匚鱾燃s10.00m為榮譽國際大酒店，南側約6.00m為區間道路，東側4.00m為竹園路，北側為雙龍路。其中，西側榮譽國際大酒店基礎形式為樁基，雙龍路、竹園路和南側區間道路為市政道路，設有市政管線。

2.2.2 地基土的構成與特征

根據勘察資料，本工程基坑開挖影響深度范圍內，地基土如下：

（1）素填土①1：灰褐、灰色，主要成分為素混凝土澆筑回填為主，回填時間短（約為三年），為換填原基坑底部的淤泥的換填層。厚度0.80～2.60m。

素填土①2：灰色、灰黃色、灰褐色等，主要由坡殘積砂質粘性土組成，含砂量為10～30%，堆填年限大于5年，稍濕～濕，呈松散狀態，厚度為1.80～3.40m。

（2）粉質粘土②：灰色、灰黃色，主要由粘粒粉粒組成，含礫量少，可見少量鐵錳質結核物，刀切面光滑，塑性高、韌性高、干強度高，強度隨深度有所漸小，無搖振反應，呈稍濕～濕、可塑～可塑偏軟狀態，厚度為0.50～2.40m。

（3）淤泥③：灰色、深灰色等，主要由粘粒和粉粒組成，含有機質及植物腐殖質，略有異味；局部含砂和少量貝殼碎片，土質較純，刀切面光滑，塑性高，韌性高，干強度高，無搖振反應，呈飽和、流塑狀態，全場分布，厚度為1.30～4.60m。

（4）粉質粘土④：灰黃色、紅褐色，可塑狀，具中壓縮性，以粘粒、粉粒和砂粒為主，部分含有少量石英砂礫，砂礫約占5%，切面稍光滑，無搖振反應，韌性中等，干強度中等。厚度為1.90～3.60m。

（5）殘積粘性土（可塑狀）⑤1：灰褐、灰黃、褐黃色，可塑狀，具中壓縮性土，成分主要由長石風化的粘土礦物、石英顆粒及云母碎片組成，無搖振反應，無光澤反應，韌性低，干強度低，厚度為1.90～13.00m。

殘積粘性土（硬塑狀）⑤２：灰褐、灰黃、褐黃色，硬塑狀，具低壓縮性土，成分主要由長石風化的粘土礦物、石英顆粒及云母碎片組成，無搖振反應，無光澤反應，韌性低，干強度低，厚度為1.00～6.40m。

            表2 基坑支護設計參數表

1.3 本工程特點及難點

1.地下室加層：原建筑是按照一層地下室設計的，原基坑底標高是-4.5m，采用土釘墻支護體系，基坑已經開挖到約-4.5m標高處，并閑置三年時間?，F將地下部分改為兩層地下室，基坑開挖深度達到8.24～11.45m，擬開挖基坑平均加深約5.3m。原有的支護結構的承載能力和抵抗變形的能力已不能滿足實際要求，須對原支護結構進行加固補強。新舊支護體系如何協同工作，以滿足工程要求是新支護體系設計的難點。

2. 基坑開挖深度范圍內巖土層力學性質一般，軟弱土層較厚，故支護結構需具備較高的結構強度和整體穩定性。

3. 基坑對內外環境的影響較大：本基坑工程對周邊環境的影響主要是對周邊馬路及其地下管線與周邊建構筑物的影響。對坑內環境的影響主要是保證基坑內工程樁的施工和施工人員的安全作業。因此對基坑內外環境的保護是本基坑支護的重點。

4.本基坑的原基坑施工完畢后，放置時間較長（約三年），須合理、安全組織施工。

5.土方開挖應在圍護樁、支撐、冠梁強度達到要求后進行，挖至坑底標高后進行局部深坑處理并盡快施工承臺及基礎底板，盡量減少基坑暴露時間，以有效控制圍護結構變形。

2 數值分析

本文數值分析采用瑞士聯邦理工學院(Swiss Federal Institute of Technology in Lausanne)  開發的真三維巖土工程有限元軟件zsoil．pc v2010。采用zsoil-2D有限元軟件對支護結構進行整體模擬選用Mohr-Coulomb準則，選取最不利的剖面進行安全穩定性驗算。計算模型的建立,按照1:1的尺寸進行建模，模型采用平面應變模型。擋土墻利用梁單元模擬；砼面板利用梁單元模擬；擋土墻兩側與土的接觸面用10結點無厚度接觸面單元模擬；橫向支撐可以看作彈性桿件，選用桁架單元進行模擬；土釘利用桁架單元進行模擬。具體參數依照勘察指標進行提取。

2.1支護結構布置

該基坑的支護樁采用人工挖孔樁樁徑Φ=1000mm，樁中心距s=1800mm，沿基坑四周布置；為了增加支護樁的整體剛度，支護樁頂設置鋼筋混凝土冠梁：1000mm×800mm。支護樁主筋插入冠梁內800mm；內支撐梁截面尺寸為800×800mm。

2.2 計算模型

模型的尺寸為25m×50m，通過有限元網格劃分有377個節點，359個單元，其中連續體單元334個，桁架單元9，梁單元16個。

2.3 計算工況

基坑最終的力學效應應是前幾次開挖力學效應的總和[3],但并不是單純的代數和，僅僅考慮最后一個狀態與考慮逐步開挖不斷疊加各步開挖的成果進行分析所得到的結果是完全不同的。因此，計算分析時，應采取分步施工過程。分步加載及施工流程如下：

Stage0:初始應力計算

Stage1：第一步土體開挖

Stage2：第一層土釘支護+第一層砼面層施工

Stage3：第二步土體開挖

Stage4：第二層、第三層土釘墻支護+第二層砼面層施工

Stage5：第三步土體開挖

Stage6：第四層土釘墻支護+第三層砼面層施工

Stage7：人工挖孔樁施工+內支撐施工

Stage8：第四步土體開挖

Stage9：第五步土體開挖。

圖4 水平位移圖

 

 

通過zsoil模擬得到，圍護樁最大水平位移為15.59mm，最大豎向位移為19.62mm，都滿足規范變形控制要求。圍護結構樁體彎矩最大值610.3kN?m/m,剪力最大值315.9kN/m，通過計算得到安全系數為SF.=1.35。

為保證在二次開挖施工過程中基坑的安全，應對加固后的支護結構進行沉降和測斜監測[8]。信息化施工可以及時快速的反饋基坑支護方案的支護效果，現場實時監測到的基坑支護結構變形和周邊環境的變形是分析和評價基坑加固支護方案可靠性的一個重要依據。