铁法煤业集团建设工程有限责任公司 辽宁铁岭市 110168
摘要：基坑开挖产生变形具有空间效应，通过Midas有限元分析软件对抚顺某深基坑工程进行数值模拟，结合工程实例监测数据验证数值模拟计算结果准确性。通过分析变形数据，总结在空间效应影响下支护结构及周围土体的变形规律，发现基坑变形空间效应的强弱程度与开挖深度、支护形式、监测点位等因素有关。基坑支护挡墙变形与结构抗弯刚度和开挖深度有关，增加开挖深度或降低结构刚度均会对支护结构变形和周边地表沉降变形产生影响。
关键词：深基坑；变形；支护结构；土体沉降；空间效应。
1 引 言
深基坑工程是一项综合性很强的系统工程，同时深基坑工程问题也是非常复杂的岩土工程问题。在基坑工程繁杂的影响因素作用下，目前最有效的研究方法为实测数据统计分析和数值模拟工程预测。目前，众多学者都针对不同地区提出了基坑变形的大致规律，如谢百钩[8]利用数值分析，研究影响黏土层中基坑挡土墙最大变形量的参数，根据参数研究的结果，给出了挡土墙最大变形量的简易评估法。刘戈[12]利用BP神经网络预测模型程序，通过分析基坑变形中各因素的主从关系，对天津某基坑的地表沉降进行预测。
本文以Midas深基坑数值分析软件为研究工具，结合抚顺某深基坑工程实例为研究背景，模拟深基坑开挖施工过程中的全部工况。利用现场实际监测变形数据验证本次数值模拟计算结果的可靠性。通过调整基坑挡墙尺寸的方式达到改变支护结构抗弯刚度的目的，结合数值模拟计算得到的支护结构变形计算结果，分析抗弯刚度对基坑变形的影响，为实际工程提供相关指导。
2 工程实例概况
抚顺某基坑工程位于抚顺市法库街以西，丹东路以南，法库与北镇两街之间。整个深基坑工程占地面积约为8688m2，建筑内部包括一层地下车库，三层底层商铺以及5栋26层住宅。基坑平面形状复杂，所处场地区域狭窄，开挖深度为6.1m～7.3m，为保证基坑安全，采用桩锚结构作为其基坑工程主要支护形式，重要性等级为一级。
结合如表1所示的地区土质概况，本次基坑工程支护形式比较简单，具体表现为锚索结合单排混凝土桩的支护形式。
3 有限元数值模拟
3.1 土体模型与参数
为了更准确的计算基坑工程开挖后的变形数据，土体计算模型选择修正摩尔库仑模型，在计算中需要输入两个弹性模量，分别为土体压缩时的弹性模量E和土体卸荷时的弹性模量Eur。研究表明，通过硬化土模型计算出的基坑变形要远小于通过摩尔库仑模型计算出的变形，计算结果更符合基坑工程实际变形情况。
3.2 结构单元参数
基坑工程整体模型如图2所示，矩形模型的三维尺寸分别为长度500m、宽度400m、高度20m。在反复考虑数值模型的计算精度以及收敛效率等多方面因素，将基坑内部土体的网格尺寸暂定为10m，将沿整体模型的竖直方向网格尺寸按照土层厚度、开挖深度、锚索结构布置深度以及开挖工况等综合因素进行划分。
为方便支护结构模型建立，即可支护桩参照等抗弯刚度计算公式换算成地下连续墙。根据结构设计参数将型钢水泥土墙转换成宽度为0.4m的地下连续墙，而锚索和钢支撑的布置均与工程实际情况相同。
图2 桩顶水平位移对比分析
对比发现，约有6个监测点位的计算结果与现场监测值之间的误差保持在15%以内。除此之外，还有12个现场监测点得到的水平位移变化数据与计算结果之间的误差保持在30%以内。最后，剩余监测点位得到的基坑变形值与计算结果的误差保持在30%～40%之间。综合考虑上述监测点位与数值模型相同位置的水平位移误差值，可以认为抚顺基坑的开挖数值模型是合理可靠的。
4 支护结构刚度对变形影响分析
4.1支护结构抗弯刚度调整方案
前人研究可知，支护结构抗弯刚度的改变会影响基坑挡墙变形及周边土体变形，如支护结构抗弯刚度越大，挡墙自身变形及周边土体变形越小。通过单独改变支护结构尺寸，结合三次数值模拟分别计算支护结构刚度变化如表4的基坑变形，对比分析不同抗弯刚度对基坑变形空间效应的影响。
图4基坑南侧支护挡墙顶部水平位移曲线
图6基坑西侧角点位置支护挡墙顶部水平位移曲线
图4、5、6分别为不同抗弯刚度下基坑下侧、左下侧、左侧角点等三个位置的支护结构顶部水平位移变化曲线。
分析得到结论如下：
（1）图4、5、6中的0.2m厚挡墙顶部变形最大，0.6m厚挡墙顶部变形最小，上述现象表明在相同开挖深度及支护形式的前提下，支护结构顶部水平位移值随着结构抗弯刚度的增加而减小。
（2）分析图5中不同抗弯刚度下支护结构顶部水平位移，可以发现0.2m和0.4m厚度的支护结构顶部水平位移相差不大，将该现象对比图4和6中的曲线规律可知，支护结构抗弯刚度对变形的影响大小与支护挡墙长度有关，抗弯刚度影响下的支护结构位移差值随着支护挡墙长度的增加而更加明显。
（3）对比图4、5中不同抗弯刚度下支护结构中间区域和靠近端点位置的水平位移，可以发现无论支护挡墙的抗弯刚度增大或减小，其支护结构顶部水平位移均表现出明显的空间效应，而且随着支护结构抗弯刚度的降低，其支护结构变形的空间效应作用逐渐明显。
（4）分析图6中锚索15度和25度布置方案对应的桩顶水平位移，可以发现二者大致相同，对比数据发现，锚索结构25度的水平位移略微大于15度。这表明桩顶水平位移主要受到支护挡墙影响，而锚索结构布置角度对桩顶水平位移影响较小，具体分析发现锚索结构布置角度越大，其水平位移越大。
6 结论
（1）对比基坑工程变形在支护结构设计尺寸变化时的改变量，可以发现当桩径尺寸减小30%时，其长边桩顶水平位移增加20%，短边桩顶水平位移几乎一致。而当桩径尺寸增加60%时，其长边桩顶水平位移减小25%，短边桩顶水平位移几减小30%。
（2）桩顶水平位移主要受到支护挡墙影响，而锚索结构布置角度对桩顶水平位移影响较小，具体分析发现锚索结构布置角度越大，其水平位移越大。
参考文献：
[1].谢百钩等. 黏土层中深基坑挡土墙最大变形量简易评估法[J].岩石力学与工程学报：2012，31（11），2285-2290.
[2].刘戈等. 基于BP 神经网络法对地连墙后土体沉降预测分析——以天津地铁施工为例[J]. 沈阳建筑大学学报(自然科学版)：2013，29（5），834-840.
论文作者:王晓娇
论文发表刊物:《防护工程》2017年第19期
论文发表时间:2017/12/12
标签：基坑论文; 位移论文; 刚度论文; 结构论文; 挡墙论文; 水平论文; 工程论文; 《防护工程》2017年第19期论文;