(甘肃建投土木工程建设集团有限责任公司，甘肃 兰州 730050)
城市化进程不断加快，城市人口密度剧增[1]。由于城市建筑面积有限，地上可利用空间紧张，为了更大化利用城市建设空间，多层次立体化的建设方案能够将有限的土体资源以最高效的方式利用起来，使建设土体资源得到充分利用[2]。城市地下空间的开挖和利用以地下铁道、商场及步行街为主，而这些工程的建设必然离不开深基坑工程。
随着中心城区建筑密度的不断增加，在周边环境错综复杂的城市中心进行基坑工程，难免会对周边已有建筑物和管线的安全运营产生影响[3-4]。为了减少基坑开挖对周边环境的影响，保证基坑自身以及周边建筑物的安全运营，有效方法之一是在基坑开挖前预测基坑开挖对周边环境的影响，提前采取相应的加固措施，并在基坑施工过程中同步监测周围环境的变形，对于变形出现激增的情况及时采取措施。有限元分析是预测基坑开挖变形分析的一种高效手段，能够根据不同的工程地质情况和开挖工况进行复杂环境中基坑的变形分析，确保基坑工程的安全营运。
本文采用有限元数值分析软件ABAQUS对已有工程进行基坑开挖变形分析，研究基坑开挖过程中对周边环境的影响，并与实际工程监测数据进行对比分析，验证采用ABAQUS进行基坑变形分析的可靠性和合理性，对该地区同类基坑的施工进行理论指导。
1.1 工程地质条件
本工程位于深圳市区，拟建场地地形平坦，基坑周边紧邻已有建筑物和城市道路，周边环境复杂。基坑平面布局呈不规则的多边形，支护周长约173m，占地面积约1321m2，基坑开挖深度10m，为了保证基坑周边已有建筑物的安全，对基坑变形的控制有严格要求。
1.2 土层信息
根据现场钻探揭露，场地内埋藏地层的岩性自上而下依次为杂填土层、粉质黏土层、含砾粘土、全风化层、中风化层等，基坑开挖范围的土层主要为杂填土、粉质黏土以及含砾粘土，各土层具体土体力学参数见表1。
表1 基坑土体物理力学参数
1.3 地下水概况
勘察期间，场地内钻孔均见有地下水，主要赋存于第四系冲洪积粗砂层中；
场地地下水类型主要有孔隙潜水和基岩裂隙水两种。测得其混合稳定水位埋深为2.90～3.75m，相应高程在6.98～8.23m。根据地区经验，推测场地地下水水位年变幅1.00～2.00m。
1.4 基坑支护设计
基坑周边紧邻已有建筑物和城市道路等，且基坑开挖深度较大，破坏后果严重，基坑支护安全性等级为二级。应在确保支护结构，基坑周围地铁、道路、楼房及地下管线安全的前提下，做到经济、合理，满足国家建设工程的相关法规[5]和规范要求，施工可行、方便，尽量缩短工期，满足土方开挖、工程桩及地下室施工的技术要求。
根据上述要求，为了保证周边建筑物的安全，选取地连墙加内支撑的支护方式对该基坑进行支护，依设计要求，基坑开挖深度为10m，地连墙深度设计为15m，支护结构嵌固深度为5m，基坑开挖方式为分三层开挖，设置两道水平钢筋混凝土支撑。
2.1 三维有限元模型的建立
根据基坑设计图纸，该基坑长66.5m，宽20.1m，基坑深度约10.28m。根据弹性力学圣维南原理与相关基坑研究[6]，基坑开挖影响范围约为3-5倍基坑开挖深度。在条形基坑的分析中，由于其具有对称性，将其看作一个平板应变问题进行分析，通常选取单位宽度的条形基坑进行三维数值分析。在此假设基础上，建立的模型尺寸为长×宽×高=80×20×30（m），基坑开挖深度为10m，土体的材料本构模型为M-C模型，基坑开挖分为三层，前两层开挖深度为3m，最后一层开挖深度为4m，并在每次开挖后及时设置支撑，共设置两道支撑，各道支撑设置位移依次为距离地表深度1.5m、4.5m。地下连续墙高度15m，宽1m。建立的有限元计算模型、网格划分图如图1所示。在靠近基坑开挖面和支护结构位置处，为了提高分析效果，适当将网格尺寸进行加密，土体划分单元数量为1689个。
图1 基坑开挖三维模型
模型中土体材料的力学参数的选取按照表1中的数据，地下连续墙的墙体和内支撑材料均为混凝土，其主要物理力学参数如表2。
表2 围护结构计算参数选用指标
2.2 模型简化分析
由于实际施工步骤相对复杂，在施工队伍及施工机械进场后，首先应对拟建场地进行平整处理，施工止水帷幕，并设置降水井进行坑内降水，然后进行逐步开挖坑内土层，并设置内支撑。待第一层支撑达到强度要求后，进行第二层土体的开挖，依次设置第二排支撑，如此反复，直至最后一层土体开挖结束。在数值模拟过程中，全面考虑所有的基坑施工步骤是极其困难的，容易导致模型的不收敛和计算结果的不准确，为了简化分析过程，在模拟中将施工过程进行简化，只考虑其主要的施工工序，将模拟过程分为以下几个分析步。
1）模型建立：创建土体、地下连续墙、内支撑模型，建立基坑开挖分析步；
2）地应力平衡：将模型中的地连墙、内支撑隐藏，进行初始地应力平衡；
3）施作地下连续墙：地应力平衡完成后，进行地连墙施工，在模型中激活地下连续墙；
4）开挖第一层土体：利用ABAQUS中的生死单元，开挖第一层土体至-3m处；
5）设置第一排内支撑：设置第一排内支撑于-1.5m处；
6）开挖第二层土体：在上一分析步的基础上，开挖第二层土体至-6m处；
7）设置第二排内支撑：第二层土体开挖完成后，及时设置第一排内支撑于-4.5m处；
8）开挖第三层土体：开挖第三层土体至-10m处，基坑开挖完成。
2.3 荷载、边界条件
模型中不考虑除了土体重力荷载之外的其他荷载的影响，因此在基坑模型分析中只施加重力荷载。模型边界的约束，考虑基坑开挖影响范围以外土体位移变化为0。在模型分析过程中，对其X方向上的外表面设置U1=0，对Y方向的外表面设置U2=0。模型底面固定U1、U2、U3三个方向的位移为0，同时限制地连墙的水平方向U1=0和底部三个方向的位移U1=U2=U3=0，如图2。
图2 模型边界示意图
2.4 桩土接触面设定
支护结构与土体之间面面接触，土体为主面，支护结构为从属面；
土体与支护结构之间存在摩擦作用，摩擦特性为罚函数，摩擦系数为0.577，墙体与内支撑之间为绑定（tie）约束，确保支护结构与墙体之间的协调变形。
3.1 土体应力场分析
基坑的开挖，打破了土体的初始地应力平衡，导致基坑开挖影响范围内土体的应力场发生变化。在临近基坑开挖范围内土体出现明显塑性区，随着距基坑开挖面距离的增加，土体应力状态受基坑开挖的影响逐渐减小，且基坑周边应力状态变化量的大小随基坑开挖深度的增加而增加，基坑开挖后周边土体的应力云图见图3。
图3 基坑开挖周边土体应力云图
由图3可知，随着基坑开挖深度增加，周边土体应力状态变化越明显，根据基坑周边土体应力变化可知，基坑开挖影响范围约为2-3倍的基坑开挖深度，且基坑开挖面以下土体的应力变化程度和范围均大于基坑周边土体的应力变化，说明开挖后坑底土体的应力释放程度大于周边土体。
3.2 坑底隆起变形分析
基坑开挖后，坑底土体发生竖向应力释放，坑底土体在竖向卸荷作用以及基坑内外土压力差作用下发生竖向隆起变形，隆起变形为弹性变形与塑性变形共同作用的结果，随着基坑开挖深度的增加，坑底隆起变形增加，基坑开挖后坑底土体隆起变形的应力云图见图4。
图4 基坑开挖周边土体应力云图
由基坑开挖后周边土体的位移应力云图可知，随着基坑开挖深度的增加，坑底隆起变形逐渐增加，绘制坑底隆起变形量与基坑开挖深度之间的关系图，如图5所示。由图可知，坑底隆起变形呈抛物线特征[7]，即中间高、两边低，随着基坑开挖深度的增加，隆起变形量逐渐增加，最大坑底隆起变形为5.5cm。
图5 不同开挖工况下坑底隆起位移曲线
3.3 支护结构变形
随着基坑的开挖，基坑内外土压力差逐渐增加，支护结构在内外土压力差作用下发生向坑内的水平变形，绘制支护结构水平变形与基坑开挖深度之间的关系图，如图6所示。由图可知，在初次开挖后，由于未设置支撑，支护结构呈现悬臂梁变形特性，最大水平位移在支护结构顶部，其值0.005cm，在设置内支撑后，随着基坑开挖深度的增加，支护结构呈现向内鼓胀变形，最大水平变形由支护结构顶部逐渐向下位移，在第二次、第三次开挖完成后，支护结构最大水平位移依次位于地表以下5m、8m处，最大水平位移值依次为18mm和36mm。
图6 基坑开挖支护结构变形曲线
绘制基坑支护结构水平变形模拟值与实测值对比曲线图，如图7所示。由图可知，采用ABAQUS得到的基坑支护结构水平变形值与现场监测得到的基坑水平变形趋势基本相同，均为侧向膨胀变形，支护结构最大水平变形位于地表开挖面以上2m处，说明采用ABAQUS有限元可以有效预测基坑开挖引起的支护结构的变形。
图7 监测值与模拟值对比曲线
图8 地表沉降随基坑开挖深度变形曲线
3.4 地表沉降变形
开挖后，由于坑内土体损失，基坑外侧土体发生向坑内的水平位移，造成基坑周围土体损失，基坑周边土体在自重作用下发生竖向沉降变形，绘制基坑周边土体竖向沉降变形与基坑开挖深度之间的关系如图7所示。由图可知，在基坑开挖初期，移除坑内第一层土体时，由于未及时设置第一排支撑，地表沉降表现为三角形分布特征，最大沉降值位于基坑边缘，其值为1.2mm，随着基坑开挖深度的增加，基坑最大沉降值逐渐向远离基坑侧壁的方向移动，在第二步、第三步开挖完成后，地表最大沉降变形依次位移墙后2.5m、5.5m处，最大竖向沉降变形值依次为12mm和60mm。
绘制地表沉降变形的监测与实测沉降曲线图，如图9所示。实测沉降变形曲线与模拟沉降变形基本一致，与大多数内撑式基坑变形模式一致，该基坑地表沉降变形同样表现为“勺形”，最大沉降位置位于墙后5m处，约为基坑开挖深度的1/3处。
图9 地表沉降监测值与模拟值对比曲线
1）基坑的开挖引起坑底土体竖向卸荷，坑底土体发生隆起变形，最大隆起变形位于基坑中部；
2）基坑开挖后，基坑支护结构在基坑内外不平衡土压力作用下发生向坑内的水平位移，随着基坑开挖深度的增大，最大水平位移位置逐渐向下移动，最终位于基坑开挖面以上2m左右；
3）基坑开挖引起的地表沉降与基坑支护形式有关，悬臂式基坑开挖地表沉降呈三角形分布，内撑式支护基坑地表沉降形态为“勺形”，最大沉降变形位于为墙后1/3H处；
4）采用ABAQUS软件进行基坑开挖变形分析是一种很好的手段，在选用合理的支护形式的基础上，数值模拟可以准确预测基坑开挖引起的基坑变形，预测基坑变形趋势。
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