基于ESA与FEA的宁波软土深基坑开挖变形分析

基于ESA与FEA的宁波软土深基坑开挖变形分析

石雅清

中铁十局集团有限公司  石雅清  山东济南  250000

摘要：宁波地区软土地层含水量高、灵敏度大、孔隙比大、抗剪强度低、承载力低、极易被扰动，工程地质条件较差，如何分析和预测该地区深基坑开挖变形已成为亟待解决的问题。本文通过结合经验统计法和有限元法对宁波地铁3号线某车站深基坑工程开挖响应进行研究，分析了宁波软土地区基坑开挖变形的特点。并对经验统计法和有限元法进行了对比，分析显示经验统计结果能预测基坑变形趋势和变形峰值范围，但由于区域土层参数的差异等原因，经验曲线的预测精度较差。有限元法的计算结果预测精度更好，但对建模和参数的优化要求较高，工程中可以取两种方法的优点应用。

关键词：深基坑；开挖；监测；有限元法；统计分析

引言：随着城市轨道交通的迅速发展以及地下空间开发规模的扩大，建立起了大量的地铁车站深基坑工程，而且城市区域建筑物密集、管线繁多，基坑工程的环境条件日趋复杂。特别在东南沿海的软土地区，土体含水量高、灵敏度大、孔隙比大、抗剪强度低、承载力低、极易被扰动，工程地质条件较差。因此城市基坑工程，特别是软土地质条件下的城市基坑工程面临着严峻的挑战[1-2]。

目前研究深基坑开挖引起的围护结构变形和周围土体位移的方法主要有两种，一种是通过采集实测资料进行经验统计分析的方法（Empirical Statistical Analysis，简称ESA），在国外如Peck[3]、Blackburn等[4]、Ou等[5]、Clough等[6]对基坑开挖引起的土体变形进行的研究，Mana等[7]、Kung等[8]对基坑开挖引起的围护结构变形的研究，在国内如徐中华、王卫东等[9-10]收集上海大量的深基坑工程的实测变形资料，从统计学角度分析了深基坑周边地表变形性状和地连墙变形性状；杨敏等[11]通过研究上海32个深基坑工程的监测数据得到地面沉降的特点。另一种主要的方法是有限单元分析法（Finite Element Analysis，简称FEA），如杨有海等[12]采用弹性地基梁杆系有限元分析方法对杭州地铁秋涛路车站深基坑支护结构性状进行了分析；刘帅君等[13]利用考虑土体HS模型的数值分析方法，对越江隧道临岸段明挖基坑施工过程进行分析；曹力桥等[14]运用ABAQUS有限元软件建立了软土地区的三维基坑模型，得出基坑开挖降水过程中基坑坑底隆起的基本规律。

以上的研究中大部分都是对于单一方法的运用，而将经验统计结果和数值计算对比的研究较少。对两种方法对比分析进行研究是很有意义的。本文依托宁波软土地区明楼站深基坑工程，采用Plaxis有限元软件结合深基坑开挖过程中的现场监测数据分析基坑开挖过程中的围护结构变形和地表沉降，得出宁波地区与其他软土地区不同的变形特点，为基坑工程的设计和施工提供参考。

正文：

1.工程概述

1.1地质条件

本地铁车站地处于宁波断陷盆地，工程范围内地层成因类型有河流相、河湖相及海相等，淤泥质土层较厚，富水软弱，力学性质较其他软土地区差。表1为本车站位置处主要土层的参数与上海和杭州软土地区某基坑处主要土层参数[15-16]的对比，可以发现本车站的土层含水率和孔隙比相较上海和杭州软土地区更大，土质更软。

表1 土质参数比较

1.2工程概况

本深基坑工程是宁波市地铁3号线某一地铁车站，车站为地下两层单柱钢筋混凝土箱型结构，采用明挖顺作法施工，如图1所示为基坑标准段剖面。标准段埋深为17.76m，标准段宽为21.70m，采用800mm厚地下连续墙结构，标准段墙深36米；南端头井部分基坑深约19.51m，墙深40m；北端头井部分基坑深约19.21m，墙深40m，基坑降水施工提前基坑开挖1个月进行，坑底土体采用φ850三轴搅拌桩进行地基加固，采用抽条+裙边的加固方式，加固深度为坑底以下3m。基坑的支撑设置如表2所示。

图1 基坑标准段剖面图

表2 支撑布置

1.3现场监测点布设

为了全面分析该深基坑施工过程中的变形性状，在基坑施工过程中进行了多项监测工作，本文重点讨论围护墙墙顶垂直位移、围护墙水平位移、支撑轴力和地表沉降。如图2所示为基坑监测项目及监测点布置示意图，此基坑为规则对称形状，故取基坑一侧的监测点数据分析。

图2 基坑监测项目及监测点布设示意图

2.开挖响应及其ESA分析

此次基坑开挖监测数据收集的时间段为：基坑开挖准备开始至基坑全部开挖到底，总共160天的现场监测数据。为了便于叙述，本文各参数的含义如图3所示。

图3深基坑各参数含义

2.1地连墙水平位移及其ESA对比

图4为基坑开挖至底时各测斜点的数据，正值为向坑内，负值为向坑外。从图4可以看出墙体最大水平位移的位置位于坑底附近，地墙水平位移最大测点为CX-13，位于基坑长边的中部，水平位移为66.66mm，深度为14.5m。地墙水平位移最小测点为CX-9，位于基坑端头中部，水平位移为25.01mm，深度为16m。表3为dhm /H变化范围比较，可以看出现场监测数据的dhm /H变化范围在徐中华等[9]统计的上海地区深基坑变化范围内，不在M.Long[17]和C.Ou等[5]统计的新加坡和台北地区变化范围内。

表3 dhm /H变化范围比较

徐中华等[9]统计上海地区基坑的dhm在H-5~H+5的范围内，本基坑的dhm位于基坑底以上。图5为CX-13测点地墙水平位移随开挖深度的变化，从图5看出随着开挖深度的增加地连墙水平位移速率下降，同时可以看出当基坑开挖至-5.8m、-9.0m、-12.4m时，墙身最大水平位移的深度分别为10.5m、11.5m、13.5m在开挖面以下；基坑开挖至-15.3m、-17.7m时，墙身最大水平位移的深度分别为14m、14.5m在开挖面以上。这是因为开挖深度较小时，坑底处于①3层淤泥质黏土和②2T层淤泥层中，被动土体性质差，上部的支撑刚度较大，变形易向下发展，而随着开挖深度的增加，下部的土层进行了加固，被动土体的性质趋向良好，变形向下发展速率变慢，故dhm位置位于坑底以上。

2.2 地表沉降及其ESA对比

基坑开挖至底时各测点的地表沉降如图6所示，地表沉降呈先增大后减小的趋势，dvm为-60.2mm（D12-4），距离基坑为42m。除D12断面外，最大沉降的位置距离基坑约一倍开挖距离，可以看出D12断面的变化值较其它测点大，这是因为D12断面位于河道回填位置，受土体扰动影响。此基坑最大地表沉降值为0.34%H，这在王卫东等[10]统计的上海地区的深基坑地表沉降变化值0.1%H~0.8%H的范围内。图7为基坑长边中间断面D13地表沉降随开挖深度变化的示意图，可以看出各点地表沉降随开挖深度增加而增加，且各开挖深度下最大地表沉降点都为D13-3，距基坑17m，约等于基坑开挖深度。

2.3 ESA法分析

在1969年国际土力学大会上，Peck[3]提出隧道开挖引起的地表横向沉降槽符合Gauss函数分布。式（1）为Peck地表沉降曲线，其中a、b、c为实数常数，式（2）为Gauss函数的形式。故许多ESA法的预测曲线是通过收集地区实测资料，修改函数中的常参数，拟合现有的统计数据得出来的。如式（3）杨敏等[11]提出的考虑沉降槽偏心距x0的地面沉降预测公式；式（4）张陈蓉等[18]统计的上海地区基坑对称面上地连墙的水平位移变化公式。

         （1）

                （2）

               （3）

     （4）

3.基坑开挖的ESA-FEA对比分析

与ESA法不同，FEA法能根据具体的工程，模拟基坑开挖的全过程。为了对比ESA经验曲线的效果，同时使用FEA法与现场监测数据作对比分析。此节将使用Plaxis有限元软件建立数值模型，模拟基坑开挖全过程，采用经验统计和有限元相结合的方法对现场监测数据分析对比。

3.1有限元模型建立与计算

采用PLAXIS软件进行模拟。该软件中HS模型（土体硬化模型）能考虑软黏土的硬化特征，并采用了不同的加/卸载模量，适合敏感条件下的基坑土体开挖数值模拟[19-20]。故土体本构模型采用HS模型模拟。结合工程勘察报告和王卫东和宋广等[19-20]的研究成果得到土体参数见表4。材料的参数设置见表5。本模型施工过程的工况设置按照现场施工工序，进行分步施工数值模拟，基坑的计算模型如图8所示。

表4 土体参数设置表

表5 材料参数设置表

图8 基坑的计算模型

3.2地连墙水平位移曲线

为了对比经验统计结果和数值模拟的计算结果中地连墙水平位移的变化，在模型的基坑长边的中点从墙顶至下提取43个测点的数据绘制位移曲线。已有的经验统计曲线中，上海地区的地质条件与宁波地区较为相似，故经验曲线选用前文提到的张陈蓉等[17]统计的上海地区基坑对称面上地连墙的水平位移变化公式：

      （4）

式中：HW为距围护墙墙顶的距离。

得出的地连墙水平位移曲线对比如图9所示，从图中可以看出变形曲线都为“中间大，两头小”的形状。在dhm以下部分的地连墙经验统计变形曲线变形值比实测曲线更大，而相对于经验预测曲线，数值模拟的结果与实测值更为拟合，在墙顶10m以下的范围里模拟值与实测值几乎重合。

图9 地连墙水平位移曲线对比

模拟值的dhm为57.28mm，实测值的dhm为66.66mm，误差为14.1%，实测值大于模拟值，原因是现场基坑开挖时有各种活荷载，在一定程度上增加了作用在地连墙上的土压力，以及温度变化和施工的影响会有损失所造成的。

3.3地表沉降曲线

地表沉降也是基坑工程设计和施工中的一个重要指标。利用经验统计法来预测地表沉降的成果有许多，选取1990年Clough等[6]建议的沉降分布线和王卫东等[10]通过收集上海软土地区21个深基坑的地表沉降实测资料得出上海基坑开挖的地表沉降包络线：

       （5）

与实测值比较，提取数值模拟模型中基坑长边中间断面上36个测点的数据绘制地表沉降曲线。为了便于比较，采用无量纲化处理，其中横轴为距离基坑长度x（m）与基坑开挖深度H（m）的比值，纵轴为某点沉降dv（m）与开挖深度H（m）的比值。如图10为无量纲化的地表沉降的曲线对比示意图。

图10 无量纲化的地表沉降曲线对比

从图中可以看出实测值、模拟值和经验统计值的变形曲线都为前“鼓”后“细”的凹形，主要的地表沉降均发生在距离基坑2倍开挖深度内，实测值的最大沉降点在距离基坑1倍开挖深度左右的位置，模拟值的最大沉降点在距离基坑0.75倍左右的位置，王卫东和Clough的分布曲线最大沉降点在距离基坑0.5倍开挖深度的位置，模拟值的最大地表沉降为-50.02mm，实测值为-60.20mm，误差为16.9%，而王卫东的沉降包络线最大沉降值为实测值的3倍左右，误差远大于模拟值。Clough的分布曲线中最大沉降dvm已知，不做讨论。

从以上的分析可以看出模拟值比经验法的预测精度更高，这是因为经验统计的数据来源来自某一特定区域，即便是同为软土地区的宁波、上海、杭州地区，由于土层参数上的差异，也会导致预测效果的不同。另外这些经验统计的曲线大多使用相对简单的参数来预测，而基坑开挖的变形是一个非常复杂的过程，经验统计公式并没有没有涉及到基坑变形的机理，故预测的准确度会较低。

与经验统计简单直接不同，FEA法操作较为复杂，但是有限元软件能模拟整个施工过程、能够考虑复杂载荷工况及地下水条件、考虑到土和结构之间的相互作用。同时，Plaxis软件中的HS模型属于双曲线模型，既考虑了剪切硬化，也考虑了压缩硬化，适用于敏感环境下的基坑开挖数值模拟，上海基坑工程技术规范[21]也推荐采用HS模型进行基坑数值分析。然而，现场施工条件千变万化，FEA法无法做到完全的模拟现场施工过程，故FEA法在建模时对模型需要简化，参数的选取也要综合各类资料进行优化。

3.4Gauss曲线拟合验证

地表沉降曲线与Gauss曲线相似，通过观察我们可以发现若是将dv作为纵轴，Hw作为横轴，地连墙水平位移的实测曲线和模拟曲线与高斯函数曲线也相似。将实测值与模拟值进行高斯函数拟合，拟合结果如图11所示。可以看出地表沉降的实测值和模拟值、地连墙水平位移的实测值和模拟值都能与高斯函数较好的拟合，拟合判定系数R²分别为0.992、0.941，拟合度较好，这可以作为深基坑工程的施工和设计的参考。

图 11 地连墙水平位移与地表沉降的高斯函数拟合

4.结论与展望

本文依托宁波软土地区某地铁车站基坑工程，对现场监测数据进行分析，采用经验统计法和有限元模拟法对基坑开挖过程中的地连墙水平位移和地表沉降进行分析并与现场监测数据对比。结论如下：

（1）通过对现场监测数据与其他软土地区的ESA分析可以发现，经验统计结果能预测大致的变形趋势，而在具体的变形曲线上宁波软土地区与其它软土地区相比有所差异，这说明经验统计的地域性。另外宁波软土地区地质虽然更差，但基坑变形峰值在上海等其他软土地区统计的范围内，说明此工程采用的变形控制施工工艺是可行的。

（2）通过FEA法和ESA法的监测数据对比分析，看出相比于ESA法预测曲线，FEA法对基坑变形的预测精度更高。但FEA法在操作上明显要比ESA法更为复杂。

（3）通过ESA法和FEA法两种方法的应用，得出了此地区基坑变形不同于其他软土地区的变形特点，也对两种方法的优劣进行了比较。在实践工程的设计与施工中建议结合两种方法的优点同时应用。从前面的分析看出目前两种方法的应用是独立的，如何将两种方法相结合从而得出更为准确的预测，比如利用ESA法的经验结论来指导FEA法的模型建立与参数优化。这是可以进一步思考和研究的一个方向。

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