摘要：基于有限元数值分析方法，建立了遵循时空效应的逐层开挖、随挖随支的分步施工模拟方法，对北京某基坑支护的实际工况进行了分析，重点研究了基坑开挖引起的水平位移量和邻近建筑物沉降量的变化，并与实际监测值进行了对比分析。模拟结果能够反映基坑逐层开挖过程土工结构体和施工荷载的逐渐变化与相互影响。

　　关键词：有限元分析 基坑支护 变形控制

　　中图分类号：TU473.2

　　引言

　　基坑开挖必然引起近邻建筑物发生沉降变形和基坑支护结构的水平位移【1】。如果建筑物发生不均匀沉降，建筑物的结构就会产生相应的反应【2】。本文利用NCAP-2D二维有限元数值分析方法，对工程实例在基坑开挖中引起的水平位移量和邻近建筑物沉降量的变化进行了数值模拟，并与实际监测值进行了对比分析，不过由于岩土体的复杂性、土与支护结构相互作用不易模拟以及其他某些未知因素的影响，距真正应用于工程实践还较困难【3】。

　　1、工程概况

　　1.1场地实际情况

　　本工程场区地形基本平坦，基坑槽深12.0米，占地2400m2，支护面积约2340m2，根据地勘报告，场区地质情况为：表层为厚度为3.80～6.0m的人工堆积渣土①层,砂质粉土②层，粉质粘土③层，砂砾、砾石④层。基坑北侧相隔10m为已建的办公楼，受其影响，施工难度较其他支护部分较困难，所以整个基坑支护的关键在于北侧，遂决定在该侧进行有限元二维模拟，对水平位移量和建筑物沉降量进行计算。

　　1.2支护方式

　　基坑支护设计步骤是：首先根据土质情况情况及现场环境按经验设计土钉参数，用楔形滑移面法作初步验算。基坑支护中秃顶受力情况从上到下大致是按梯形分布的，以此为据，土钉的分布也是上、下短，中间长。由于各个断面受力情况不同，设计的支护形式也相应有所不同。考虑到图1.1中所示的Ⅰ-Ⅰ断面靠近原有建筑物，其施工难度较其他支护部分较困难，所以本文对Ⅰ-Ⅰ断面进行介绍并作相应模拟分析。

　　图1.1 支护结构设计

　　2、数值分析方法的建立

　　土钉支护的要点是分层开挖，随挖随支，决不超前。所以，在施工时注意到安全性和可靠性，开挖步一般较小，取值同土钉间距相同，1.2～1.5m为一开挖层。基坑工程首先打入微桩，随后的基坑开挖分八步进行，一到八步分别开挖至地表下1.5m，3m，4.5m，6m，7.5m，9m，10.5m，12m。采用模拟分部开挖过程的开挖阿荷载释放法：施加重力荷载，计算土体的初始应力场和位移场，并将初始位移场置零;进行单元置换，将相应部分的土体单元分别置换为围护结构单元、接触面单元;第一步开挖，开挖至地表下1.5m，并打入土钉，作相应支护，计算此时的应力场及位移场;第二步到第八步开挖，施工方法同于第一步开挖，分别开挖至地表下3m，4.5m，6m，7.5m，9m，10.5m，12m，计算其应力场与位移场。

模型计算参数的取值可参考文献[4]，见表2.1

　　微桩按等刚度转换为相应的连续墙结构，厚度为0.75米，可认为其弹性模量为74000MPa，v=0.2。喷射混凝土面层的弹性模量为20000MPa，v=0.2。锚杆弹性模量取值为210000MPa，横截面积为0.0000484m2，抗拉强度为38000MPa。

　　表2.1 模型计算参数表 土层 厚度m 弹性模量E/Mpa 粘聚力c/Mpa 初始摩擦角 容重

　　/KN.M-3 单轴抗拉强度

　　/Mpa 填土 4.5 34 0.020 15 19.8 0 砂质

　　粉土 3.0 111 0.015 35.67 20.8 0.005 粉质

粘土 4.5 256 0.025 25 20.6 0.005 砾石 22 2754 5 45 19 1.5

　　图2.1 计算模型简图

　　3数值计算结果与分析

　　俞建灵[5]认为，基坑开挖对周边环境影响最大的四个因素为：地表沉降、支护结构变形、基坑回弹(及坑底隆起)和墙外地层固结沉降，其中地表沉降=支护结构变形+坑底隆起+墙外地层固结沉降(施工前期已完成)，因而，分析支护结构的变形和坑底隆起，对于基坑工程具有十分重要的意义。

　　3 3.1结构侧向变形随分步开挖的变化

　　第3步 第8步

　　图3.1 分布开挖变形图

　　图3.2不同施工阶段支护结构变形比较图

　　从图中我们可以看出：在施工初期，开挖深度不大的情况下,支护结构的侧向变形形式基本为上部大、下部小的倒立三角形形式(第3步)，这种变形有点类似于结构上悬臂梁的变形;随着施工的进行，支护结构的侧向变形值增长缓慢，但是变形形式却发生了变化，有施工初期的倒立三角形逐渐变为R形;施工后期与施工初期比较(第3步)，可以发现，除了支护结构的侧向变形形式不同外，另一不同点在于，它们的最大侧向变形点也不同：施工初期，其最大变形值在支护结构的顶端;随着施工的进行，其最大侧性变形点逐渐下移，到达施工末期，我们可以看出，其支护结构最大侧向变形点位置基本在坑底上方大约3m处。

　　3.2坑底隆起随分步施工的变化

　　图3.3 开挖过程中坑底变形最大值比较图

　　从图中我们可以发现，坑底隆起值施工初期很小，直到第二步开挖，其最大隆起之仅为0.00499m。随着基坑开挖的继续进行，坑底隆起值逐渐增大。但是，坑底隆起最大值并没有出现在最后一步，最后一步的坑底隆起最大值值(0.01525m)远比第七步的坑底隆起最大值(0.03252m)小。追查其原因，可以发现，在第三～七步开挖时，其坑底均有较厚的粉土和粘土层，这两种土弹模较小，往往容易引起较大变形;而第八步(最后一步)施工时，坑底已是砾石层。

　　4 动态模拟与实际监测值的比较

图4.1侧向变形模拟值与监测值比较图

　　图4.1为侧向变形模拟值与监测值的比较，模拟值选取的为与监测点位置相近的1052号节点的侧向变形值。通过比较可以发现，模拟的侧向变形在施工中期远较实际监测值大，在施工初期与施工末期，则比实际监测值小。但最终变形量还是比较接近的。

　　图4.2 支护结构最终侧向变形的模拟值与实测值比较图

　　通过图4.2，我们可以看到，模拟的侧向变形值与实测值基本接近，而且，两者的基本形状均为R型。

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