韩函，高玉华 （合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009）
0 前言
随着社会经济水平的提高以及科学技术的发展，城镇化程度大幅提高，人们不断向城市聚集，造成城市人口密度不断增加，为了缓解人口及空间问题，人们对于建筑物的规模提出了更高的要求，同时也将目光聚焦在地下空间的利用。自上世纪七十年代至今，基坑工程在我国得到了飞速的发展，但由于城市化程度的提高，基坑工程通常紧邻交通要道、人流量较大、地下管网密集，且周边多为高层建筑物，导致基坑工程施工场地较为狭窄，如何在错综复杂的环境中施工，并且保证基坑工程的质量安全、减少对周边已有建（构）筑物、地下管线的影响成为了近代基坑工程需要考虑的重点。
自上世纪70年代，Clough首次提出将有限元方法运用到基坑工程的研究中，数值模拟方法在基坑工程中的应用得到了飞速的发展，Duncan、Chang[1]对大量基坑工程进行有限元数值模拟，将模拟计算结果同理论计算结果进行对比并完成对有限元方法的修正，提出了Duncan-Chang模型来考虑土体的应力应变关系。Charles W.Ng与Martin Lings[2]于1995年提出将非线性块体模型和完全弹性的Mohr-columb理论分别运用于有支护和无支护开挖条件下的硬塑性黏土基坑进行数值模拟。沈珠江[3]提出将封闭屈服面模型应用在正常固结土及超固土中，拓展了剑桥模型的适用范围并证明了该模型的广泛的适用性。周松、王洪新[4]建立了双刚度模型，考虑了基坑开挖时的时空效应以及基坑的尺寸效应，为基坑研究提供依据。俞建霖、龚晓南[5]运用空间有限单元法对基坑施工过程中基坑底部隆起空间分布、周边地表沉降空间分布、围护结构变形空间分布分别进行研究分析，根据工程实例证明了有限单元法进行数值模拟在工程中的可靠性。
1 工程地质条件
H市地铁3号线北至相城路站，南至方兴大道站，3号线全长37.2km，共设置33座车站。界首路站位于临泉路与界首路交叉口，车站与临泉路平行，沿东西向布设。车站界首路站主体采用明挖法施工，车站站台宽12m，车站埋深约2.75m～4.42m。结构形式为地下二层单柱双跨（局部双柱三跨）岛式站台车站，全长共478.45m，标准段宽度为20.7m，车站两端均为盾构区间。车站采用明挖法施工，围护结构采用钻孔灌注桩+内支撑支护体系，标准段基坑平均深度约17m（西侧盾构井段17.95～18.18m，东侧盾构井段21.93～22.06m），覆土厚度 2.75～4.42m，地面设计标高约24.46～28.56m。车站共设置4个出入口、3组风亭，出入口、风亭等附属结构均采用明挖法施工。车站主体及附属明挖段围护结构采用钻孔桩+内支撑支护体系，内支撑为钢筋混凝土支撑、钢管支撑。
界首路站东侧端头井围护结构采用φ1200@1500钻孔灌注桩，内支撑共4道，第一道为800mm×800mm的钢筋混凝土支撑，其余三道均为φ609mm、管壁厚16mm的钢管支撑，钻孔灌注桩顶部冠梁截面尺寸为800×1700（高×宽）,结构剖面图如下所示。界首路站标准段围护结构采用φ1000@1300钻孔灌注桩，冠梁截面尺寸为（高×宽）,内支撑均同东侧端头井一致。
图1 界首路站地质剖面图
土层参数 表1
2 模型的建立及计算结果分析
2.1 模型建立
界首路站全长478.45m，标准段宽20.7m，本文选取标准段开挖过程作为分析对象建立有限元模型。影响基坑开挖范围的因素较多，例如：土质条件、开挖深度、基坑开挖形状等。Midas GTS NX模型中，水平边界距基坑边界设置为3倍基坑开挖深度；与地面垂直方向，模型底部至基坑底部距离设置为2倍开挖深度。考虑到工程特殊性与周边建筑物，标准段模型选取42轴至50轴共计64m长的区间作为对象，最终计算模型尺寸为244m×129m×54m。有限元模型如图2所示。
图2 标准段围护结构
根据地质勘查结果可以得出，车站结构底板主要位于黏土层，钻孔灌注桩桩底部分位于粉土层，部分位于黏土层。本文采用Mohr-Coulomb模型作为土体的本构模型，考虑模型计算工作量模型土体皆采用六面体实体单元，并按照勘察报告分别进行定义。土体力学参数如下表所示。
土层参数表 表2
标准段施工工况及模型实现方式 表3
2.2 计算结果分析
通过数值模拟，选取监测断面27处的桩体侧移数据，绘制工况3-工况11下桩体侧移与支护桩深度的关系曲线图如图3所示。
图3 支护桩水平位移计算曲线
从桩体水平位移曲线图中可以看出，在基坑开挖初期，支护桩位移大致呈线性，支护桩桩体水平曲线呈“鼓肚状”，并且随着基坑开挖更加饱满，支护桩桩体位移最大值为22.48mm，出现在距离桩顶12m处。支护桩位移增幅最大值发生在冠梁及混凝土支撑浇筑完成至第一道钢支撑架设前这一阶段，出现在距离桩顶11.4m处，最大增幅为11.6mm，满足相关规范中桩体水平位移累计值不得超过30mm的要求。因此应对该阶段桩体水平位移进行重点关注，在开挖至设计高度后应及时架设钢管支撑，防止因支撑架设不及时导致支护桩向坑内位移较大产生坍塌、倾倒事故。工况9至工况11支护桩桩体位移变化较小，这是由于第三道钢管支撑架设后开挖面至基坑底部深度较前几层开挖深度较浅的缘故。
3 计算值与实测值对比
将界首路站标准段测点ZQT27处支护桩在工况3/5/7/9/11下的桩体侧移实测值与计算值进行对比分析，并绘制桩体侧移对比图如图4下所示。
图4 标准段支护桩侧移监测值与计算值对比曲线
根据对比曲线分析可以看出，实际监测值与模拟计算值整体趋势较为一致，桩体最大位移发生在第一道支撑与第二道支撑之间，支护桩水平位移监测最大值为20.35mm，模拟计算最大值为22.36mm，皆不超过桩体水平位移控制值30mm。在实际监测中，支护桩桩顶向基坑外侧发生位移，原因是基坑外侧浅层土体刚度较小，支撑架设时预加了较大应力，土体受到被动土压力达到极限平衡状态。支护桩在工况3至工况5期间桩体侧移值涨幅较为明显，应对该阶段进行重点监测。由于现场大型机械施工、材料堆载以及道路车流等因素，模拟值与监测值有一定偏差。由对比图可知，桩体侧移实测值在支撑架设位置有一定的减小，因此在实际施工时应按照设计及时架设支撑，约束支护桩体变形，保障工程安全。
4 小结
根据界首路站实测值与计算值对比结果显示，利用有限元软件对基坑支护桩桩体水平位移进行模拟计算结果较为准确，桩体位移变化趋势以及数值都非常接近实际检测值，模型参数选取合理，证明数值模拟应用于桩体水平位移模拟具有较强的可靠性和应用价值。
