富水地层深基坑支护结构插入比研究

刘争国 安刚建 罗支贵 蔡虹 罗彬 翟朝娇

【摘要】基于淮安东高铁站站前广场大基坑，采用Midas软件建立三维数值模型，计算了八种不同插入比工况下，富水地层深大基坑的围护结构水平位移、坑外地表沉降、立柱桩最大弯矩值与围护结构外侧地下水流速的变化规律。结果表明：基坑围护结构水平位移曲线在不同插入比工况下，总体呈现中间大、两边小的横“山峰”形，当围护结构插入比大于2.1时，水平位移值变化开始趋于稳定;基坑开挖对地表沉降影响较大的范围是围护结构中间段往外5m到30m区域;插入比的增加可以减小止水帷幕外侧地下水流速最大值，从而减小支护结构受到的渗流破坏。

【关键词】插入比;富水地层;数值模拟;水平位移;地表沉降;地下水渗流

〔中图分类号〕TU47〔文献标识码〕A 〔文章编号〕1674-3229（2021）04-0103-06

0 引言

随着城市交通网络的快速发展，越来越多的城市开始了高铁站的建设，基坑工程往往是建设中不可或缺的部分，同时其也逐渐趋向于深基坑与大基坑。而深大基坑的施工通常面临着更多的不确定因素。当面对富水软弱地层等不利影响因素时，深大基坑支护结构的稳定和插入比的确定便尤为重要。许多学者对深大基坑展开了研究[1-3]。罗海燕等[4]通过利用FLAG 3D模拟软件建立了太原二号地铁站基坑模型，分析了基坑地表沉降、坑底隆起等规律;庄海洋等[5]分析了深软场地深基坑开挖过程中基坑的结构变形;侯新宇等[6]以苏州地铁换乘站坑中坑为基本模型，建立有限元模型，研究了外墙插入比对坑中坑基坑支护结构和基坑土体变形的影响;高新南[7]以苏州地铁一号线某街支护结构为例，通过数值分析软件对基坑支护进行模拟，对插入比与基坑变形、支护结构内力的关系进行了分析研究;沃云舟[8]等通过有限元软件Midas对合肥轨道交通4号线某站基坑建立模型，并结合施工监测数据，分析了基坑围护结构地连墙和基坑周边土体的受力与变形规律;向亮[9]对富水半成岩砂岩地层地铁车站深基坑进行现场监测与数值模拟分析;杨骏等[10]对软土地区地铁车站深基坑外土体位移进行了分析。

目前对富水软弱地层深大基坑的插入比研究较少。本文通过建立富水地层超大基坑三维模型，分析了支护结构在不同插入比工况下，支护结构自身水平位移、坑外土体沉降、立柱桩内力与地下水渗流变化规律，为富水地层基坑工程支护结构插入比的选择提供参考。

1 工程概况

工程为淮安高铁东站站前广场，项目位于水系丰富的淮安市，地层中含有丰富的地下水。淮安东站综合客运枢纽项目站前广场地下空间开发工程基坑，工程结构净尺寸225m×256m（长×宽），基坑开挖深度15.9m，最深处约18.9m，支护周长约为1005m。基坑的东侧和北侧均采用6m×49.2m（长×深）地连墙作为围护结构，两侧连接部分采用H型钢接头+高压旋喷方式进行施工;西侧和南侧的围护结构采用425.6m×50m（长×深）TRD墙+围护桩（Φ1150钻孔灌注桩，共282根）。为保障基坑围护结构的稳定性，在基坑内部设置了2道环形混凝土支撑，采用484根格构柱作为支撑柱。基坑组合支护结构示意图和组合支护结构局部示意图如图1、图2所示。

2 数值模拟

2.1 模型的建立及参数的确定

淮安东站地层由杂填土层、粉质砂层、黏土层、粉质黏土夹砂质粉土层、粉砂层、黏土层等6种土层构成，各地层均假定为符合理想弹塑性特征的均质连续体，采用莫尔一库伦理想本构模型，并按水平分布。根据淮安东站地理环境条件及地质勘测报告，在地下50m左右为黏土地层，属不透水层，模型深度设定为80m，即模型尺寸为X×Y×Z=450m×450m×80m，其中开挖尺寸为230m×230m×16m，基坑网格尺寸为5m×20m，如图3、图4所示，各地层物理力学计算参数如表1所示。

2.2 数值模拟计算工况

淮安东站站前广场基坑开挖深度15.9m，围护结构深度为50m，本次以插入比2.1、围护结构插入土地深度50m作为基准模拟，分别设置插入比为0.9、1.2、1.5、1.8、2.1、2.4、2.7和3.0，即围护结构人土深度30、35、40、45、50、55、60和65m作为对比分析目标，通过有限元模型计算表2的八种工况。

2.3 插入比对基坑围护结构变形的影响

在基坑偏于安全情况下，围护结构水平位移可作为判断支护结构整体稳定性的依据。通过分析围护结构插入比对基坑围护的影响规律来进行施工优化。围护结构往往会侧向发生水平位移。通过数值模拟计算，得到围护结构为50m时，地连墙水平位移云图，如图5所示。

由图5可知，围护结构最大水平位移发生在每一面墙体的中间位置，并且在基坑开挖深度约三分之一处，围护结构水平位移越靠近坑角处，位移越小。通过对模拟计算结果提取，沿图3黑色箭头竖直方向提取地连墙水平位移值，得到不同插入比下围护结构的水平位移变化曲线（图6）和水平位移最大值曲线（图7）。

由图6可知，整体水平位移曲线呈现中间大、两边小的横“山峰”形，八种插入比工况下，随着离坑顶距离的增加，地连墙水平位移曲线先快速增大，当达到最大值后，位移曲线开始下降，下降速度较增长段有所放缓，最大位移发生处约在基坑开挖深度三分之一处附近。当插入比为0.9围护结构深度30m）和1.2（围护结构深度35m）时，最大位移发生在离坑顶3m处，当插入比为1.5（围护结构深度40m）时，最大位移发生在离坑顶4m处，当插入比为1.8、2.1时，最大位移约发生在离坑顶距离5m处，当插入比大于2.4时，最大位移发生在离坑顶约6m处，因此，随着插入比的增加，基坑围护结构水平位移最大位移发生处会稍稍下降。八種不同插入比情况下，地连墙顶部和开挖深度底部水平位移值相差较小，而最大值相差较大。

由图7可知，随着围护结构深度的增加，最大水平位移也逐渐减小。当地连墙深度为30m时，最大水平位移约17.35mm，地连墙深度为50m时，最大水平位移约为8.10mm，减少位移约9.25mm;当地连墙深度由50m继续增加到65m时，最大水平位移变化仅为1.5mm，减小幅度远小于地连墙深度由30m到50m减小的幅度。因此，当插入比为2.1（围护结构深度50m）时，是比较良好的选择，而继续增大插入比所减小的水平位移并不明显，对实际工程影响不大。

2.4 插入比对基坑外地表沉降的影响

根据数值模拟计算，得到围护结构为50m时基坑周围地表沉降等值线图（图8）。

由图8可知，基坑外地表沉降总体呈现离基坑距离越远地表沉降越小的趋势，当离基坑距离大于100m时，沉降量已经相当小，不足1mm。图中等值线显示，地表最大沉降发生在距坑壁约10-20m范围内，在其他参数不变的情况下，计算八种工况的地表沉降，取图中黑色箭头指向，得到不同插入比下地表沉降曲线和沉降最大值变化曲线，分别如图9、图10所示。

由图9可知，不同插入比下的地表沉降曲线类似“V”形曲线，即沉降值先增大，到达最大值后，减小速度开始相对缓慢。地表沉降随着围护结构深度的增加而减小。当插入深度为30-45m时，最大沉降值大约在距离基坑10m处，当插入深度为45-50m时，最大沉降值大约在距离基坑15m处，最大值发生处有所下移;基坑开挖对地表沉降影响较大的范围是5m到30m（约0.3-2倍基坑开挖深度）;当距离基坑边缘大于45m时，地表沉降值已经很小，即地表沉降基本不受基坑开挖的影响。

由图10可知，当围护结构由30m（插入比0.9）增大到65m（插入比3.0）的过程中，地连墙外侧土体最大沉降量整体呈现减小的趋势。当插入比由0.9变为2.1时，减小沉降量约16.5mm，曲线的斜率最大，即地表沉降减小最为显著。当插入比大于2.1以后，曲线斜率较小，趋于平缓，地表土体的最大沉降值减小并不显著。因此在实际施工过程中，不可以盲目地通过提高插入比来减小地表沉降，应该在安全的情况下减少资源浪费。

2.5 插入比对立柱桩弯矩的影响

基坑开挖过程中，立柱桩对基坑的稳定也起着重要的作用，通过计算得到立柱桩的弯矩云图（图11）。

由图11可知，靠近基坑边缘位置的立柱桩所受弯矩要大于离基坑边缘距离远的立柱桩。因此，实际工程中应适当加大基坑边缘立柱桩的抗弯钢筋的配置。图12给出了基坑开挖过程中不同插入比工况下立柱桩的桩身最大弯矩随插入比的变化情况。

由图12可知，桩体受到的最大正弯矩值与最大负弯矩的绝对值随着插入比的增加先稍快增加，插入比大于2.1时，增加幅度开始减缓。弯矩的增加使得桩体更容易受到破坏，淮安东站站前广场大基坑的桩体实际埋深为50m，这使得桩体底部受到被动土压力产生的弯矩也较大。因此，实际工程中并不是插入比越大越好，还要考虑结构所受的内力影响。

2.6 插入比对地下水流速特征的影响

地下水对围护结构稳定也是不可忽视的因素，对于本工程所处位置的富水软弱地层的特性，应当做好围护结构的防水工作，来减少地下水的渗流和破坏。本工程的止水帷幕为基坑的围护结构。根据数值模拟计算，得到50m止水帷幕深度下地下水流速矢量图。依次取30m、35m、40m、45m、50m、55m、60m和65m八种工况，得到不同止水帷幕深度下地下水流速矢量图（图13）。

由图13可知，止水帷幕有效地阻挡了地下水的流动，止水帷幕底部地下水的流速要大于其他部位的流速。这是由于地下水在止水帷幕上部区域受到阻拦，无法渗流，当水流动到止水帷幕底部区域时，地下水可以从止水帷幕底部流走，因此止水帷幕底部積累的地下水流速要大于其他部位流速。

沿止水帷幕靠近外侧土一边，每隔5m深度，选取一个点，得到八种插入比工况下地下水流速变化曲线（图14）与不同深度止水帷幕外侧地下水流速最大值变化曲线（图15）。

根据图14可知，地下水随着土层深度的增大，流速也增大。当止水帷幕插入比较小时，地下水流速的变化速度较快，止水帷幕插入比增大时，地下水的流速增加幅度较小。这是由于地下水渗流的过程中，由于受到止水帷幕的阻挡，地下水在止水帷幕外侧主要向下渗流，渗流过程中受到土层的阻拦，并且会流失部分的水，因此水的流速会随止水帷幕深度的增加而减缓。

由图15可以看出，止水帷幕外侧地下水流速最大值随着止水帷幕深度的增加而减小。当止水帷幕深度由30m增加到50m时，流速最大值减小幅度较大，约减小了7×10-7ms-1，说明此段止水帷幕深度的变化对地下水的流速影响较大;当止水帷幕由45m增加到50m时，此段曲线斜率已经小于30m到45m段曲线的斜率，说明此段止水帷幕对地下水流速的影响已经慢慢减弱;当止水帷幕深度大于50m时，止水帷幕外侧地下水流速最大值变化已经趋于平稳，变化已经很小，这是由于当止水帷幕深度大于50m时，此时可以进入地层中较厚的黏土层，减缓了地下水最大流速的继续增加。分析可知当止水帷幕深度大于50m时，止水帷幕深度的增加对地下水流速的影响已经很小，继续增大止水帷幕深度，并不能带来明显的效果。

3 结论

本文通过MIDAS GTS NX有限元软件模拟出基坑的三维模型，分析了不同插入比下围护结构的水平位移、坑外地表沉降、立柱桩弯矩最大值和止水帷幕外侧地下水流速的特征，为本工程围护结构的深度选择及插入比对基坑的影响提供参考，得到以下结论。

（1）插入比的增加会减少基坑围护结构的变形，整体水平位移曲线呈现中间大、两边小的横“山峰”形，最大位移发生处约在基坑开挖深度三分之一处附近，而且当插入比达到2.1时，继续增加插入比，对基坑变形的影响也将逐渐减小，可以忽略不计。因此工程中考虑施工成本等因素，不需要选择过大的插入比。

（2）基坑开挖对地表沉降影响较大的范围是5-30m（大约0.3-2倍基坑开挖深度）。当距离基坑边缘大于45m时，地表沉降值已经很小，即地表沉降基本不受基坑开挖的影响。插入比的增加会减小基坑外土体的沉降，当插入比大于2.1以后，地表沉降最大值曲线图开始趋于平缓，地表最大沉降减小并不显著。因此在实际工程施工中，不能一味地通过改变插入比来控制地表沉降，应该避免不必要的资源浪费。

（3）桩体所受最大正弯矩值随插入比的增加而增加，最大负弯矩的绝对值随插入比的增加而增加，因此工程中过大的插入比会增大柱子所受到的弯矩。

（4）插入比的增大可以有效减小地下水的流速，降低渗流破坏。地下水流速最大值也随着插入比的增加而减小，当插入比大于2.1时，流速最大值趋于稳定，因此继续增大插入比，并不能带来明显的效果。

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[收稿日期]2021-09-20

[基金项目]安徽省教育厅高校自然科学基金重点项目（KJ2019A0742）;企业委托科研项目（HYB2020039）

[作者简介]刘争国（1996-），男，安徽建筑大学建筑结构与地下工程安徽省重点实验室硕士研究生，研究方向：地下结构。