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摘要：以苏州轨道交通四号线配套地下空间开发的超大深基坑开挖工程为例，用Midas gts软件为主要工具，采用修正剑桥模型对初步选定的三种基坑开挖以及换撑施工方案进行计算分析。同时比选三种施工方案，讨论不同施工顺序对以上规律的影响。此研究对该工程以及类似大型基坑工程有指导和借鉴意义。
关键词：大型基坑；分隔桩；有限元；修正剑桥模型；变形机理
Analysis of Deformation Mechanism of Separate Pile and Construction Optimization in Super Large and Deep Foundation Pit Excavation
Liu Guanhu，Gong Yi
Guangzhou Han Yang Engineering Consulting Co，Ltd. Guangdong Guangzhou 510620
Abstract：In the case of super large and deep foundation pit excavation of Suzhou no. 4 Metro Line，Midas gts is used to analyze three kinds of foundation pit excavation scheme considering the modified Cam-Clay model. Meanwhile，the conclusion how different construction sequences influence the behavior of piles and soil is given by comparing three kinds of excavation scheme. Finally，the research can give valuable guidance and a case in similar large foundation pit excavation.
Key words：super large and deep foundation pit；separate pile；finite element；Modified Cam-Clay Model；deformation mechanism
引言
本文将依托苏州轨道交通四号线支线溪霞路站配套地下空间的基坑开挖工程进行分析，此工程项目由于基坑面积较大，需将其分为几个区域进行开挖施工，那么两相邻基坑间将设置分隔桩。该工程项目的难点在于，南区基坑开挖到基底以后，考虑怎样的施工顺序和方案来施做南区主体结构以及中区预留土台开挖能使得施工过程既高效又经济安全，分析分隔桩的受力变形状态来考虑是否可以在南区施工完主体结构以后直接拆除分隔桩。基于以上内容，本文将针对本工程的特殊工况进行分析，充分借鉴文献[1-2]分析讨论数值模拟中模型建立、参数选取、施工方案比选分析和结论的提出。
1 工程概况
本文依托苏州轨道交通四号线支线溪霞路站配套地下空间工程，是目前全国规模最大，理念最新，结构最复杂的地下空间项目。中、南区围护结构：中区C坑支护结构型式为灌注桩和两道混凝土支撑，南区E坑支护结构型式为灌注桩和三道混凝土支撑。
2 数值模拟
2.1 计算模型基本假定
本文采用Midas软件来进行数值模拟计算，在进行数值模拟计算时进行了如下的假定：土体都视为各向同性的均匀材料；由于工程过于复杂，将混凝土和钢筋作为整体考虑；计算时不考虑和时间有关的物理量。
2.2 三维计算模型的范围选择与单元划分
三维模型[3]共划分52986个单元，43515个节点。灌注桩简化成地连墙，其中灌注桩、止水帷幕和拉森钢板桩均采用板单元模拟，内支撑采用线单元模拟，定义x正向为向南，计算模型如图1所示。
图1 中区和南区基坑开挖计算模型
2.3 模拟参数选取
本文土体采用修正剑桥模型，围护结果采用弹性模型。土层参数按指标选取，其中粉喷桩和水泥加固区的土体参数采用等效估计的办法计算，修正剑桥模型参数中的正常固结坡度、超固结先坡度和临界状态先斜率无法从工程数据中直接得到，因此，可以通过塑性指数求得正常固结坡度和超固结先坡度，即
由于、可以通过地质勘查报告得到，因此以上参数均能求得。
钻孔灌注桩采用等效刚度的原则等效厚度为830mm的地下连续墙。主体结构简化为由侧墙、楼板、顶底板、结构立柱和主纵梁组成的结构体系，其中结构柱是按照南区地下空间主体结构设计图为依据确定的。
2.4 模拟方案
为比选不同施工顺序对于该工程结构稳定性和周围土体的影响，本文将提出3种施工方案：
方案一，在南区基坑开挖到基底并施做完-3层结构顶板之后，开挖中区预留土台，并分三步开挖至中区基坑底部，最后依次施做南区-2层结构和-1层结构至南区主体结构封顶。
方案二，在南区基坑开挖到基底并施做完-2层结构顶板之后，开挖中区预留土台，并分三步开挖至中区基坑底部，最后施做南区-1层结构至南区主体结构封顶。
方案三，在南区基坑开挖到基底并施做完南区主体结构封顶之后，开挖中区预留土台，并分三步开挖至中区基坑底部。
南区、中区开挖顺序均为每步开挖至各层横撑以下50cm标高处，再施做横撑。
3 计算结果分析
模型计算结果均取自基坑南北侧的中点处，计算数据包括基坑南侧坑后土体沉降、北侧桩（分隔桩）深层水平位移、北侧桩弯矩、南侧桩深层水平位移、南侧桩弯矩以及坑后土体深层水平位移。
3.1 基坑南侧坑后土体沉降分析
由于基坑北侧为预留土台，在之后的工况会将其开挖，因此北侧坑后土体的沉降就不做讨论。图2为从南区开挖至中区土台开挖到基底时的坑后土体沉降曲线。在南区基坑开挖阶段，沉降最大值从南区开挖2阶段的5.5mm、8.7mm最终至南区开挖至基底时的17.3mm，由于最后一层基坑开挖深度达7m，使得沉降增加了8.6mm。当施做南区主体结构和中区土台开挖时，其沉降值均有不同程度的增加，且最终沉降值达到了30mm，如表1所示。从图3中看出，每一阶段沉降最大值均为坑后13m处，在大概坑后60m处达到稳定。但是随着坑外距离的增加沉降值并未收敛到零，而是有一定的沉降值，这一结果与实际不符。究其原因，是由于计算模型边界条件的简化（土体边界面可自由切向滑动）以及修正剑桥模型不能反映土体的小变形特性所引起的。
根据图3和表1，对比三种开挖施工方案，可以看出虽然各种方案在中区开挖阶段沉降值有所不同，且方案一最终值最大，但是三种方案差值均在1~2mm范围内。由此可知，虽然方案一最不安全，但可认为三种方案对沉降影响无明显差别。
图3 坑后土体最终沉降对比曲线
3.2 围护桩深层水平位移分析
首先给出了采用方案一时围护桩整个施工过程的深层水平位移曲线。根据图4和图6看出，北侧桩（分隔桩）和南侧桩在整个南区基坑开挖过程中，位移曲线是向基坑侧增加的，说明基坑开挖使得两侧土体有向基坑内侧收敛的趋势，但是，在进行中区土台开挖过程中，北侧桩位移曲线却向背离南侧基坑方向移动，南侧桩依然向南侧基坑坑内移动。分析以上变形规律，是由于中区开挖卸荷，使得分隔桩的土压力消失，而南侧推力依然存在，导致了分隔桩先南后北，南侧桩一直往北的移动规律。另外，南区开挖时，南侧桩水平位移最大值不断增大，深度从6m处增加到15m处，这是由于基坑不断向下开挖，使得最值出现在基底与临时横撑之间。而北侧桩阶段3、4没有出现明显的最大值，是由于中区土台是一斜坡土台，上部土压力较小使得水平位移变化不大。根据图5和图7，三种开挖方案产生的最终水平位移差别不大，且北侧桩最值的深度也几乎在基坑底以上1~2m范围内，南侧桩最值的深度在11m深处。三种方案水平位移收敛最大处收敛值分别为77.8mm、77.2mm和76.7mm，相对而言方案三较安全，对比详见表2、表3所示。由于南桩侧始终往北侧移动，其位移不断累加，最终值最大达到67.1mm，其值已超过规定的报警值，其原因也在于坑后土体不对称分布以及中区开挖。
图7 南侧桩最终深层水平位移对比曲线
3.3 坑后土体深层水平位移分析
对比图8和图9，坑后土体在深度5m处位移变化较大，坑后2.8m最终值变为-60mm，是由于结构换撑和中区土台开挖使基坑结构整体向北侧移动而造成的。在坑后2.8m深度15m处位移大，而距离基坑越远处最大位移的位置逐渐上移，充分反应了在基坑开挖过程中，土体向基坑侧移动的状态。
取实际工程测量数据CX42测点，该处为当南区基坑开挖完成时的坑边深层水平位移，将实际结果与数值模拟结果进行对比如图9所示。在深度0~15m范围内，实际测量结果与模拟结果变化趋势相同，且最大值相同均为38mm，测量结果在深度为9m处达到，模拟结果在深度为16m处达到。但是，在达到最大位移值以下的桩身水平位移测量值总是比模拟值小20mm左右。出现以上误差是由于计算模型边界条件的简化（土体边界面可自由滑动）的结果导致的，从图2可以看出在离基坑较远处沉降也无法收敛到零，因此多出来的沉降值就累加到此处的水平位移上了。
图9 CX42测点处深层水平位移对比曲线
4 结论与建议
本文在苏州轨道交通四号线支线溪霞路站配套地下空间工程超大基坑详细勘察资料基础上，运用Midas软件采用修正剑桥模型对不同施工方案过程中围护结构的内力、变形以及邻近地层变形进行了详细分析[4-5]，得出以下结论：
（1）从整个施工过程看，基坑坑后土体沉降随着基坑开挖深度的增加以及换撑的进行而增加，且沉降最大值为30mm出现在坑后13m左右处，并在坑后60m处达到稳定；围护桩深层水平位移最大值出现在基坑底与第三道横撑之间，且南侧桩的深层水平位移随施工的进行而不断向基坑侧增大，北侧基坑水平位移先在南区基坑开挖阶段向南侧增大，而后在中区开挖阶段向北侧移动增大；坑后土体深层水平位移的最大值随着远离基坑方向不断减小，且最大值的深度不断上移。
（2）从三种施工方案的对比看，在南区开挖阶段的受力变形规律是相同的。主要不同在于中区开挖阶段以及换撑阶段，比较之下，方案一较其他两个方案危险，但是从数据上看，对于坑后沉降值和深层水平位移值，三种方案的差值不大，且变化规律相同，因此考虑了施工安全以及施工效率的因素可以得出采用方案一较为经济合理，因为方案一能加快施工速度。并在进一步的研究中可以考虑在开挖完中区土台之后对分隔桩的受力进行分析，得出主体结构对分隔桩的水平推力大约为两吨左右的力，而当考虑拆除分隔桩后土体和桩变形并未发生明显变化，但主体结构承担了所有分隔桩所承担的力，因此主体结构内力增加过大，超出了材料的抗力范围，从而在实际工程中不能拆除分隔桩。
（3）从数值模拟和南侧桩深层水平位移实测资料对比看，采用基于修正剑桥模型的Midas软件进行有限元计算能够为工程情况作出指导性的模拟计算，然而在模型的计算条件上存在一定的误差和不足，在此总结经验，为以后的研究做好补充和完善。
参考文献
[1]朱小军. 软土深基坑工程控制拆撑变形的换撑设计方法[J]. 岩土工程学报，2010（S1）：256-260.
[2]王文，赵平. 基于Midas的基坑换撑有限元分析[J]. 陕西理工学院学报（自然科学版），2010（02）：29-31.
[3]木林隆，黄茂松. 基坑开挖引起的周边土体三维位移场的简化分析[J]. 岩土工程学报，2013（05）：820-827.
[4]吕小军，杨琪，钱德玲，等. 非对称超载条件下深基坑支护结构的变形分析[J]. 合肥工业大学学报（自然科学版），2012（06）：809-813.
[5]楼晓明，李德宁，杨敏. 上海地区基坑底部粉质黏土回弹变形参数分析[J]. 同济大学学报（自然科学版），2012（04）：535-540.
论文作者:刘关虎,龚毅
论文发表刊物: 《建筑学研究前沿》2017年第10期
论文发表时间:2017/9/26
标签：基坑论文; 南区论文; 位移论文; 中区论文; 结构论文; 后土论文; 水平论文; 《建筑学研究前沿》2017年第10期论文;