上海地區(qū)深大基坑施工安全分析

張阿晉

上海建工集團(tuán)股份有限公司 上海 200080

隨著經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展及城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)，我國(guó)很多城市迎來(lái)了房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)的熱潮，城市里的基坑工程越來(lái)越多，并且開(kāi)挖規(guī)模越來(lái)越大，開(kāi)挖深度也越來(lái)越深。對(duì)于深大基坑，在施工過(guò)程中由于其卸荷量大，導(dǎo)致其產(chǎn)生的位移、應(yīng)力場(chǎng)影響非常顯著[1]，嚴(yán)重時(shí)將直接影響到基坑的穩(wěn)定和安全，尤其是在上海等軟土地區(qū)，其土體含水量高、壓縮性大，抗剪強(qiáng)度低、靈敏度高，深大基坑工程施工面臨著周邊保護(hù)建（構(gòu)）筑物眾多、各類(lèi)市政生命管線(xiàn)縱橫交錯(cuò)、施工場(chǎng)地狹小等制約因素，因此對(duì)深大基坑的施工安全開(kāi)展研究和分析具有非常重要的社會(huì)意義。

有限元法由于其強(qiáng)大的適用性，正日益成為基坑開(kāi)挖安全分析強(qiáng)有力的工具。大量學(xué)者基于數(shù)值的方法對(duì)基坑開(kāi)挖以及基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近既有設(shè)施的影響進(jìn)行了模擬[2-7]。然而眾多基坑開(kāi)挖有限元分析經(jīng)驗(yàn)表明，有限元模擬結(jié)果的可靠性極大地依賴(lài)于所使用的土體本構(gòu)模型和計(jì)算參數(shù)。模型以及參數(shù)選取的正確與否將直接決定著基坑施工安全分析評(píng)價(jià)的合理性。

本文將基于深大基坑實(shí)體工程，結(jié)合有限元與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方法對(duì)深大基坑施工安全展開(kāi)分析和研究，通過(guò)對(duì)比數(shù)值分析和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果，驗(yàn)證利用有限元法開(kāi)展深大基坑施工安全分析的合理性和可行性。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概述

本項(xiàng)目位于上海市黃浦區(qū)，為小東門(mén)街道616、735街坊項(xiàng)目T1地塊，在王家嘴角街以東，中山南路以西，董家渡路以北，新碼頭街以南。整個(gè)地塊下設(shè)4層地下室，基坑周長(zhǎng)約307 m，面積約為5 845 m2，開(kāi)挖深度為25.9 m，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻＋6道臨時(shí)水平混凝土支撐，其中地下連續(xù)墻厚1.2 m，水平混凝土支撐采用C30混凝土（圖1）。

圖1 T1地塊基坑支撐平面布置示意

1.2 工程地質(zhì)條件

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的工程地質(zhì)勘察資料，場(chǎng)地地基土在勘察深度范圍內(nèi)均為第四系松散沉積物，主要由飽和黏性土、粉性土和砂土組成。場(chǎng)地土層中①、④、⑤層土為Q4沉積物，⑥、⑦、⑨層土為Q3沉積物，⑩、?、?、?、?、?為Q2沉積物。根據(jù)場(chǎng)地土層分布情況，場(chǎng)地屬于濱海平原相土層。本項(xiàng)目基坑主要處于①3黏質(zhì)粉土、④淤泥質(zhì)黏土、⑤1-1黏土、⑤1-2粉質(zhì)黏土、⑥粉質(zhì)黏土、⑦1砂質(zhì)粉土、⑦2細(xì)砂中。

2 數(shù)值模型

數(shù)值分析采用國(guó)際通用的大型專(zhuān)業(yè)的三維巖土有限元商用軟件Midas/GTS。

2.1 有限元模型

在模型網(wǎng)格劃分（圖2）中，土體采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，地下連續(xù)墻采用板單元進(jìn)行模擬，橫向支撐采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。模型尺寸依據(jù)基坑開(kāi)挖邊界效應(yīng)的影響進(jìn)行選?。簒方向?yàn)槟Ｐ烷L(zhǎng)度方向，取為270 m，y方向?yàn)槟Ｐ蛯挾确较?，取?90 m，z方向?yàn)榛娱_(kāi)挖深度方向，取為60 m。

2.2 邊界條件

在模型左、右邊界施加y方向約束，在模型前、后邊界施加x方向約束，在模型的下部邊界施加z方向約束。

2.3 參數(shù)選取

土體采用修正Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)，地下連續(xù)墻及圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用彈性本構(gòu)。地下連續(xù)墻與土體間的接觸關(guān)系以及支撐與地下連續(xù)墻間的接觸關(guān)系均采用共節(jié)點(diǎn)的接觸關(guān)系。土體的物理力學(xué)材料參數(shù)參照工程地質(zhì)勘探報(bào)告取得，地下連續(xù)墻及圍護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)依據(jù)C30混凝土的材料參數(shù)取得（表1）。

表1 土體的物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)

2.4 工況分析

本次模擬采用彈塑性計(jì)算，分步施工。根據(jù)實(shí)際工程施工部署，步序?yàn)椋撼跏嫉貞?yīng)力場(chǎng)（圖3）→地下連續(xù)墻施工→依次開(kāi)挖土體并施加支撐至坑底。

圖2 模型網(wǎng)格劃分示意

圖3 初始地應(yīng)力場(chǎng)分布

3 結(jié)果分析

3.1 地下連續(xù)墻變形

基坑開(kāi)挖至坑底后，從地下連續(xù)墻的水平位移云圖（圖4）中可以看出，四側(cè)地下連續(xù)墻的最大水平位移較為接近，最大水平位移為58.5 mm，出現(xiàn)在靠左側(cè)的地下連續(xù)墻中。

圖4 地下連續(xù)墻水平變形

從左側(cè)地下連續(xù)墻A-A處深層水平位移隨地下連續(xù)墻深度分布情況的數(shù)值結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)結(jié)果對(duì)比（圖5）中可以看出，數(shù)值結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)結(jié)果有著較好的吻合，然而地下連續(xù)墻水平位移最大值并沒(méi)有出現(xiàn)在基坑坑底，而是出現(xiàn)在第6道支撐附近，這可能與第6層土超挖或地下連續(xù)墻插入比等因素有關(guān)。在地下連續(xù)墻變形最大處，其后土體變形也較大，土體容易發(fā)生塑性變形或破壞。而對(duì)于高靈敏度軟土地區(qū)，該區(qū)域土體結(jié)構(gòu)受擾動(dòng)最大，對(duì)工后影響較大。在軟土基坑工程中，地下連續(xù)墻水平位移最大值與開(kāi)挖深度比一般控制在0.3%，圖5中顯示的地下連續(xù)墻最大水平位移滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖5 地下連續(xù)墻水平位移分布

3.2 基坑底部隆起

基坑開(kāi)挖至坑底后，從基坑開(kāi)挖面隆起云圖（圖6）中可以看出，基坑底部中心位置隆起最大，最大值為100.6 mm。

3.3 地表豎向位移

在地表豎向位移分布的數(shù)值結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比（圖7）中，s表示與地下連續(xù)墻的距離，正值表示隆起，負(fù)值表示沉降。從圖7中可以看出，地表沉降呈“凹槽”形分布，在距離地下連續(xù)墻40 m位置處的豎向位移已基本收斂。沉降實(shí)測(cè)和模擬最大值分別為25.9 mm和22.4 mm，出現(xiàn)在距離地下連續(xù)墻后約15 m位置處，數(shù)值結(jié)果比實(shí)測(cè)結(jié)果稍小，但是分布趨勢(shì)相近。在接近地下連續(xù)墻的位置，地表發(fā)生隆起，這是由于地下連續(xù)墻向上發(fā)生位移引起的。在軟土地區(qū)的基坑設(shè)計(jì)中，地表沉降最大值與基坑開(kāi)挖深度比一般控制在0.2%，可見(jiàn)在該項(xiàng)目基坑施工中，地表豎向位移能完全控制在此范圍內(nèi)。

圖6 基坑隆起云圖

圖7 地表豎向位移分布

4 結(jié)語(yǔ)

本文從實(shí)際工程出發(fā)，采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)手段對(duì)深大基坑的施工安全及其影響展開(kāi)了分析，主要得到以下結(jié)論：

1）通過(guò)對(duì)比有限元計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)兩者有著較好的吻合，采用基于修正Mohr-Coulomb本構(gòu)模型的有限元計(jì)算方法對(duì)深大基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形以及周?chē)馏w應(yīng)力位移場(chǎng)進(jìn)行模擬和分析是合理的。

2）通過(guò)數(shù)值和現(xiàn)場(chǎng)結(jié)果分析表明，基坑圍護(hù)變形及周?chē)馏w沉降均能滿(mǎn)足軟土地區(qū)深大基坑設(shè)計(jì)要求。

3）在基坑開(kāi)挖至坑底后，地下連續(xù)墻最大水平位移并未發(fā)生在基坑坑底附近，而是發(fā)生在第6道支撐處，這可能是受第6層土體超挖或地下連續(xù)墻插入比設(shè)計(jì)等因素的影響。

4）基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近地表的影響范圍在地下連續(xù)墻后40 m范圍內(nèi)，其最大沉降值出現(xiàn)在地下連續(xù)墻后15 m處。