基坑开挖支护对土体塑性变形影响研究

Vol.41NO.4

基坑开挖支护对土体塑性变形影响研究

李舒玉

（天津市勘察院，天津300191）

要］基坑开挖过程中的稳定性问题一直是地下工程建设关注的重点。以某基坑开挖工程为例，采用有

限元法对基坑工程的降水开挖过程进行数值模拟分析，重点研究了基坑开挖过程中的土体塑性变形规律和基坑边坡结果表明：基坑开挖初期仅在基坑坡脚处和预应力锚杆前端土体出现了局部塑性变形，随着基坑稳定性变化规律，的开挖深度的增加，土体塑性变形区有逐步向上扩展的趋势；基坑边坡稳定安全系数随着土体开挖深度的增加而逐渐减小，但最终大于1，说明能基坑能保持自身稳定。研究成果对今后基坑土体开挖的塑性变形研究有一定的参考价值。

［关键词］基坑；有限元法；数值分析；塑性变形；安全系数［中图分类号］TU441+．6［文献标识码］A［文章编号］1004－1184（2019）04－0119－02

［摘

StudyontheInfluenceofFoundationPit

ExcavationSupportonSoilPlasticDeformation

LIShu－yu

（TianjinInvestigationInstitute，Tianjin300191）

Abstract：Thestabilityoffoundationpitexcavationhasalwaysbeenthefocusofundergroundengineeringconstruction．Takingafoundationpitexcavationprojectasanexample，thefiniteelementmethodisusedtosimulatethedewateringexcava-tionprocessofthefoundationpitproject．Theplasticdeformationlawofthesoilandthestabilitychangelawofthefoundationpitslopeduringtheexcavationprocessaremainlystudied．Theresultsshowthatthelocalplasticdeformationoccursonlyatthefootofthefoundationpitandatthefrontendofthepre－stressedanchorrodintheinitialstageofthefoundationpitexcava-tion．Withtheopeningofthefoundationpitwiththeincreaseofexcavationdepth，theplasticdeformationzoneofsoilgraduallyexpandsupward；thesafetyfactoroffoundationpitslopestabilitydecreasesgraduallywiththeincreaseofexcavationdepth，butultimatelyexceeds1，whichindicatesthatthefoundationpitcanmaintainitsownstability．Theresearchresultshavecer-tainreferencevaluefortheplasticdeformationresearchoffoundationpitsoilexcavationinthefuture．

Keywords：foundationpit；finiteelementmethod；numericalanalysis；plasticdeformation；safetyfactor

进入21世纪阶段，我国的土木工程建设大举推进，得到

了快速发展。其中，城市基础设施建设扮演了举足轻重的作用，涉及到了大量的深基坑开挖工程。在基坑开挖过程中，地下潜水位将发生改变，对基坑的稳定和变形产生不利影响

［1－4］

本文以对某基坑的降体塑性变形规律的研究还较少。因此，

水开挖过程进行数值模拟分析，重点研究基坑开挖支护对土体塑性变形规律的影响。

。因此，合理有效的研究基坑开挖支护对土体塑性变

1工程概况

形规律具有十分重要的理论意义和现实意义。

［5］

孙海霞等采用ABAQUS对基坑进行了地下水渗流与开挖的数值模拟分析，采用推理法来模拟渗流问题，发现理

［6］

论推导的基坑变形与数值分析结果非常接近；张治国等以某大型深基坑在建工程为案例，采用有限元数值模拟方法研究了基坑降水及加固等施工措施对基坑开挖过程中地下连

坑外地层以及隧道变形的影响规律，计算结续墙水平侧移、

果与现场实测数据有较好的一致性，发现地下连续墙两侧

SMW工法加固以及坑内土体加固可有效控制周边地层以及临近隧道的扰动变形。

综合目前已有的相关文献，对于基坑降水开挖过程中土体发生沉降和回弹效应的研究较多，而对基坑开挖支护对土

某深基坑开挖平面为矩形，宽度20m，开挖最大深度15

m。基坑地表右侧有建筑物，距离较近。地下水位埋深距离地表3m，地下水位以下包含砂土和粉质粘土，基坑开挖涉及上层杂填土和砂土，开挖厚度分别为3m和12m，其中杂填土的开挖不涉及降水，而砂土位于地下水位以下，开挖过程需考虑降水作用造成的影响。

2基坑开挖模型建立

为准确分析基坑开挖塑性变形的规律，对模型进行了一

高20m，基坑定程度的简化。最终得到的计算模型长60m，

开挖长20m，高15m，开挖分4步完成。采用施加外部荷载

的方式考虑基坑右侧地表建筑物的影响，大小为50KPa，距

［收稿日期］2019－02－21

［作者简介］李舒玉（19－），女，山东济南人，工程师，主要从事岩土工程的研究工作。

119

第41卷第4期地下水2019年7月

离基坑右侧边界5m。

基坑两侧采用地下连续墙和施加预应力锚杆的方式进行加固。基坑模型建立好后，对模型进行有限元网格划分，为同时对开挖面和结构面附近区域进了保证计算结果的准确，行适当的加密处理，最终的模型包括10个计算单元，

［7，8］86个节点，，材料模型采用常用的摩尔库伦－模型网格模型如下图1所示。

详细的基坑开挖步骤见表2。工程有限元力学参数见表1，

2．1计算参数选取

本文的基坑案例模型从上到下共包含了3个土层，相关

图1

表1

基坑有限元模型工程力学参数

内摩擦角/°323433

弹性模量/MPa113223

渗透系数/m/dkx0．430．140．12

ky0．510．260．12

厚度/m3125

基坑网格模型及尺寸

土体材料编号123

容重/kN/m318．217．619．5

泊松比0．290．320．32

粘聚力/KPa2431

本次在模拟基坑开挖支护作用时，采用板单元模拟地下

7

连续墙，板单元的轴向刚度为1．2×10kN，抗弯刚度5．3×104kN·m2，换算得到等效厚度0．24m。预应力锚杆由锚杆段和锚固段两部分构成，锚杆选用弹性材料，轴向刚度2．2×5

10kN/m，由于锚固段具有注浆体的特性，其轴向刚度为1．1×105kN/m，并设置每根锚杆预应力为250kN/m。

表2

施工步12345678

3

3．1

计算结果及分析

土体塑性变形分析

由于本文的研究重点是基坑开挖支护对土体塑性变形的

影响规律，分析整个开挖过程土体塑性变形的分布情况。详细的基坑降水开挖塑性变形分布见下图3所示，图中的红色小方框区域表示基坑土体的塑性变形区。

基坑开挖过程设置

工况设置地表荷载施加施工地下连续墙第1步开挖

3距地表/m

施加上层预应力锚杆第2步开挖（设置降水）施加下层预应力锚杆第3步开挖（设置降水）第4步开挖（设置降水）

11．25157．5

图3基坑降水开挖塑性变形分布图

图3显示了基坑的整个开挖过程土体的塑性变形，从第

总的开挖深度15m。分析图3一步开挖到第四部开挖完成，

（a）可知，当基坑第一次开挖至3m深时，整个基坑周围土体

并未发生塑性变形，这是由于初期开挖深度较小，且开挖前打了连续墙，有效的阻止了基坑边坡土体的侧向挤压变形。当基坑第二次开挖至7．5m深时，地下水水位开始下降，且激活了上排的预应力锚杆，这时的塑性点主要分布在锚杆前

且基坑底部与连续墙相交的位置零星分布有少端的注浆段，

量塑性点，说明此时基坑边坡土体未发生大的塑性变形。当

基坑第三次开挖至11．25m深时，地下水水位继续下降，并这时的塑性点主要分布在两排锚激活了下排的预应力锚杆，杆前端的注浆段，且在基坑边坡内侧出现了较多的塑性变形区，这是由于两侧土压力过大，导致底部土体隆起，部分土体

地下水水发生塑性变形。当基坑第四次开挖至15m深时，

基坑开挖完成，此时基坑土体塑性变形区开始位继续下降，

从基坑边坡坡脚位置向上部扩展延伸，基坑整体发生了比较

2．2基坑边界条件

本文采用渗流－应力耦合有限元模型来模拟开挖过程地

下水的变化：当考虑地下水渗流作用时，两侧远端水头保持恒定，设置底部为不透水边界，让有限元程序自动生成潜水

采用地下水渗流生成水压力。图2为基坑开挖10．5m位线，

时的渗流场流速矢量，可以看出，由于连续墙的墙体并不透水，地下水渗流路径绕过连续墙下部流向基坑底部，渗流方向基本垂直向上，且在墙趾处水流流速最大。

图2基坑降水开挖地下水渗流场

明显的塑性变形，其中右侧由于考虑了地面荷载作用，右侧

（下转第125页）土体的塑性变形比左侧更为明显。

120

第41卷第4期地下水2019年7月

3

好封闭裂隙、阻止水流下渗为准。灌浆总体积约50m。

3．5浆砌石挡墙

～3100m之间，比高达850～900m。研究区发育的地质灾

害类型为崩塌和塌岸。研究区内崩塌灾害的发育规模为中小型，崩塌破坏模式主要为滑移式破坏、倾倒式破坏和拉裂式破坏。

（2）对研究区崩塌灾害的防治方案进行设计。崩塌灾害主要采用被动柔性防护网+锚杆锚固主动防护网+危岩清理+裂隙灌浆勾缝封闭+浆砌石挡墙的治理方案。对威胁

过往人员及车辆的危险性边坡提出的工程通往矿区的道路、

治理方案，具有较强的针对性。

参考文献

［1］许雷涛，何剑波．农一师电力公司煤矿岩质崩塌发育特征及稳

定性评价［J］．地下水．2016．38（4）：243－245．

［2］马作明．小孤山崩塌稳定性评价及防治措施建议［J］．安徽地

质．2007．17（3）：216－220．

［3］康定县孔玉乡寸达河坝后山Ⅰ区危岩崩塌发育特征及其防治措

施研究［D］．西南交通大学．2017．

［4］高攀，易加强，谢航．芦山震区大田坝崩塌发育特征及其防治

措施［J］．四川地质学报．2017．37（1）：117－120．

［5］王化兵．农一师电力公司煤矿土质崩塌发育特征及稳定性评价

［J］．地下水．2017．39（1）：151－152．

在研究一区BT01漂石危险性边坡前缘，设置一条长134

m的挡墙；BT03岩质危险性边坡前缘，设置一条长52m的挡墙；BT05碎石层危险性边坡前缘，设置一条长63m的挡墙。挡墙采用传统的刚性浆砌块石结构，块石强度MU30，砌筑砂浆采用M10水泥砂浆，墙顶用水泥砂浆抹成护顶，墙面采用M10砂浆勾缝。墙身高3．50m，基础深度1．50m，墙顶宽1．10m；胸墙坡度1：0．20，背墙为直立。挡墙每隔2m设置上下两个泄水孔，采用PVC材料，孔径0．1m，向胸墙方向倾（JTG/D30－2004）的相斜约5%；根据《公路路基设计规范》关要求，挡墙每隔15m设置伸缩缝一道，缝宽3cm，缝内用高压闭孔塑料板填充，外抹2cm厚的M10砂浆。挡墙背墙后设反滤层，由夯实粘土、中粗砂或石屑等组成。在开挖时未见基岩处，挡墙基础底面设置10cm厚C20混凝土垫层；如挡墙基础砌筑于基岩之上。遇基岩时，

4结语

（1）研究区位于天山南麓，塔里木盆地北缘，背靠雪山，北邻托木尔峰。地形北高南低，中部高两侧低，海拔在2200（上接第120页）

櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘3．2

基坑边坡稳定性分析

（1）在基坑开挖初期，仅在基坑坡脚处和预应力锚杆前

端土体出现了局部塑性变形，随着基坑的开挖深度的增加，土体塑性变形区有逐步向上扩展的趋势，塑性变形明显。

（2）基坑边坡稳定安全系数随着土体开挖深度的增加而逐渐减小，但开挖完成后的安全系数最终均大于1，其中，左侧基坑边坡稳定安全系数最终为1．18，而考虑了地表荷载的右侧基坑边坡稳定安全系数最终为1．12，说明能基坑边坡能保持自身稳定。

参考文献

［1］WangJH，XuZH，WangWD．WallandGroundMovementsdueto

DeepExcavationsinShanghaiSoftSoils［J］．JournalofGeotechnicalandGeoenvironmentalEngineering．2010．136（7）：985－994．［2］周念清，唐益群，娄荣祥，等．徐家汇地铁站深基坑降水数值模拟

与沉降控制［J］．岩土工程学报．2011．33（12）：1950－1956．［3］YooC，LeeD．Deepexcavation－inducedgroundsurfacemovement

characteristics－Anumericalinvestigation［J］．Geotechnics．2008．35（2）：231－252．

［4］章荣军，郑俊杰，丁烈云，等．基坑降水开挖对邻近群桩的影响

及控制对策［J］．华中科技大学学报：自然科学版．2011．39（7）：113－117．

［5］孙海霞，张科，陈四利，等．考虑降水影响与分布开挖的基坑变形

数值模拟［J］．沈阳工业大学学报．2014．36（6）：711－715．［6］张治国，徐晨，刘明，等．考虑基坑降水开挖影响的运营隧道变

形分析［J］．中国矿业大学学报．2015．44（2）：241－248．［7］胡海浪，刘军，黄秋枫．岩体开挖卸荷过程力学特性研究［J］．

水力发电．2011．37（4）：31－34．

［8］赵振兴，何建京．水力学［M］．北京：清华大学出版社．2010：

410－411．

［9］钟志辉，杨光华，张玉成，等．基于局部强度折减法的土质边坡

位移研究［J］．岩土工程学报．2011．33（增刊1）：196－201．［10］郑颖人，赵尚毅，张鲁渝．用有限元强度折减法进行边坡稳定

分析［J］．中国工程科学．2002．4（10）：57－62．

Computersand

为了进一步研究分析基坑开挖过程中两侧边坡的稳定性

［9］

采用常用的有限元强度折减法计算了两侧基坑边坡大小，

的稳定安全系数Fs。即通过不断折减基坑边坡土体的抗剪强度参数（粘聚力和内摩擦角），直到有限元计算不收敛或塑将此时的强度折减系数定义为基坑边坡的稳定安性区贯通，

［10］

。全系数

最终得到了两侧基坑边坡的安全系数如下表3所示。对

基坑边坡稳定安全比分析可知：随着基坑开挖深度的增加，

系数均呈现逐渐减小的趋势。如左侧基坑边坡的4个开挖2．19、2．06、1．18，而右侧阶段的稳定安全系数分别为4．45、

2．、基坑边坡对应的稳定安全系数稍小，分别为4．35、

1．93、1．12，最终两侧基坑边坡的稳定安全系数均大于1，说明开挖后的基坑能保持自身的稳定，不会发生大的变形，本次设计采用的加固措施是合理可行的。

表3

开挖步1234

不同开挖步基坑边坡安全系数

稳定安全系数

左侧基坑边坡

4．452．912．061．18

右侧基坑边坡

4．352．1．931．12

开挖深度

/m37．511．2515

4结语

本文以某基坑开挖工程为例，采用有限元法对基坑工程

重点研究了基坑开挖的降水开挖过程进行了数值模拟分析，

过程中的土体塑性变形规律和基坑边坡稳定性变化规律，得

到以下相关结论：

125