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上海地區(qū)深大基坑施工安全分析

文檔作者：張阿晉文檔來源：上海建工集團(tuán)股份有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2022年10月12日
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建筑施工·第40卷·第4期613
上海地區(qū)深大基坑施工安全分析
張阿晉
上海建工集團(tuán)股份有限公司 上海 200080
摘要：在特大城市里，由于其地表建筑林立，地下管網(wǎng)密布，因此在城市中心區(qū)進(jìn)行深大基坑施工的難度和風(fēng)險(xiǎn)極
大。結(jié)合上海黃浦區(qū)小東門街道616、735街坊項(xiàng)目T1地塊深大基坑工程施工實(shí)踐，對(duì)基坑開挖過程中土的應(yīng)力場(chǎng)、位
移場(chǎng)以及支護(hù)體系受力和變形等進(jìn)行了有限元分析，并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)。分析結(jié)果表明：數(shù)值結(jié)果和
實(shí)測(cè)結(jié)果有著很好的吻合，應(yīng)用有限元法開展深大基坑施工的安全分析是合理且可行的。
關(guān)鍵詞：深大基坑施工；有限元；現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)；安全分析
中圖分類號(hào)：TU753 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1004-1001(2018)04-0613-03 DOI：10.14144/j.cnki.jzsg.2018.04.057
Safety Analysis of Deep and Large Foundation
Pit Construction in Shanghai Area
ZHANG Ajin
Shanghai Construction Group Co., Ltd., Shanghai 200080, China
科學(xué)研究SCIENTIFIC RESEARCH
1 工程概況
1.1 項(xiàng)目概述
本項(xiàng)目位于上海市黃浦區(qū)，為小東門街道616、735街
坊項(xiàng)目T1地塊，在王家嘴角街以東，中山南路以西，董家
渡路以北，新碼頭街以南。整個(gè)地塊下設(shè)4層地下室，基坑
周長(zhǎng)約307 m，面積約為5 845 m2，開挖深度為25.9 m，基
坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻＋6道臨時(shí)水平混凝土支撐，
其中地下連續(xù)墻厚1.2 m，水平混凝土支撐采用C30混凝土
（圖1）。
圖1 T1地塊基坑支撐平面布置示意
1.2 工程地質(zhì)條件
依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的工程地質(zhì)勘察資料，場(chǎng)地地基土在勘察深
度范圍內(nèi)均為第四系松散沉積物，主要由飽和黏性土、粉
性土和砂土組成。場(chǎng)地土層中①、④、⑤層土為Q4沉積
物，⑥、⑦、⑨層土為Q3沉積物，⑩、、、、、
為Q2沉積物。根據(jù)場(chǎng)地土層分布情況，場(chǎng)地屬于濱海平
原相土層。本項(xiàng)目基坑主要處于①3黏質(zhì)粉土、④淤泥質(zhì)黏
土、⑤1-1黏土、⑤1-2粉質(zhì)黏土、⑥粉質(zhì)黏土、⑦1砂質(zhì)粉
土、⑦2細(xì)砂中。
隨著經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展及城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)，我國(guó)很
多城市迎來了房地產(chǎn)開發(fā)的熱潮，城市里的基坑工程越來
越多，并且開挖規(guī)模越來越大，開挖深度也越來越深。對(duì)
于深大基坑，在施工過程中由于其卸荷量大，導(dǎo)致其產(chǎn)生
的位移、應(yīng)力場(chǎng)影響非常顯著[1]，嚴(yán)重時(shí)將直接影響到基
坑的穩(wěn)定和安全，尤其是在上海等軟土地區(qū)，其土體含水
量高、壓縮性大，抗剪強(qiáng)度低、靈敏度高，深大基坑工程
施工面臨著周邊保護(hù)建（構(gòu)）筑物眾多、各類市政生命管
線縱橫交錯(cuò)、施工場(chǎng)地狹小等制約因素，因此對(duì)深大基坑
的施工安全開展研究和分析具有非常重要的社會(huì)意義。
有限元法由于其強(qiáng)大的適用性，正日益成為基坑開挖
安全分析強(qiáng)有力的工具。大量學(xué)者基于數(shù)值的方法對(duì)基坑
開挖以及基坑開挖對(duì)鄰近既有設(shè)施的影響進(jìn)行了模擬[2-7]。
然而眾多基坑開挖有限元分析經(jīng)驗(yàn)表明，有限元模擬結(jié)果
的可靠性極大地依賴于所使用的土體本構(gòu)模型和計(jì)算參
數(shù)。模型以及參數(shù)選取的正確與否將直接決定著基坑施工
安全分析評(píng)價(jià)的合理性。
本文將基于深大基坑實(shí)體工程，結(jié)合有限元與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)
測(cè)方法對(duì)深大基坑施工安全展開分析和研究，通過對(duì)比數(shù)
值分析和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果，驗(yàn)證利用有限元法開展深大基坑
施工安全分析的合理性和可行性。
基金項(xiàng)目：上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)科研計(jì)劃項(xiàng)目
（16DZ1200201）。
作者簡(jiǎn)介：張阿晉（1986—），男，碩士，工程師。
通信地址：上海市新駿環(huán)路700號(hào)（201114）。
電子郵箱：zhangaj@scgtc.com.cn
收稿日期：2017-12-19
614 2018·4·Building Construction
2 數(shù)值模型
數(shù)值分析采用國(guó)際通用的大型專業(yè)的三維巖土有限元
商用軟件Midas/GTS。
2.1 有限元模型
在模型網(wǎng)格劃分（圖2）中，土體采用實(shí)體單元進(jìn)行
模擬，地下連續(xù)墻采用板單元進(jìn)行模擬，橫向支撐采用梁
單元進(jìn)行模擬。模型尺寸依據(jù)基坑開挖邊界效應(yīng)的影響進(jìn)
行選取：x方向?yàn)槟Ｐ烷L(zhǎng)度方向，取為270 m，y方向?yàn)槟Ｐ?
寬度方向，取為290 m，z 方向?yàn)榛娱_挖深度方向，取為
60 m。
2.2 邊界條件
在模型左、右邊界施加y方向約束，在模型前、后邊界
施加x方向約束，在模型的下部邊界施加z方向約束。
2.3 參數(shù)選取
土體采用修正Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)，地下連續(xù)墻
及圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用彈性本構(gòu)。地下連續(xù)墻與土體間的接觸關(guān)
系以及支撐與地下連續(xù)墻間的接觸關(guān)系均采用共節(jié)點(diǎn)的接
觸關(guān)系。土體的物理力學(xué)材料參數(shù)參照工程地質(zhì)勘探報(bào)告
取得，地下連續(xù)墻及圍護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)依據(jù)C30混凝
土的材料參數(shù)取得（表1）。
表1 土體的物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)
土層重度γ/
（kN·m-3）
壓縮模量Es /
MPa
黏聚力c /
kPa
內(nèi)摩擦角φ/
（°）
①3層18.50 8.56 5 31
④層16.80 2.10 10 12
⑤1-1層17.50 3.11 13 12
⑤1-2層18.20 4.67 16 20
⑥層19.70 7.18 41 19.50
⑦1層18.80 11.57 5 32
⑦2層19.00 13.21 3 34.50
2.4 工況分析
本次模擬采用彈塑性計(jì)算，分步施工。根據(jù)實(shí)際工程
施工部署，步序?yàn)椋撼跏嫉貞?yīng)力場(chǎng)（圖3）→地下連續(xù)墻施
工→依次開挖土體并施加支撐至坑底。
圖2 模型網(wǎng)格劃分示意 圖3 初始地應(yīng)力場(chǎng)分布
3 結(jié)果分析
3.1 地下連續(xù)墻變形
基坑開挖至坑底后，從地下連續(xù)墻的水平位移云圖
（圖4）中可以看出，四側(cè)地下連續(xù)墻的最大水平位移較為
接近，最大水平位移為58.5 mm，出現(xiàn)在靠左側(cè)的地下連續(xù)
墻中。
（a） x 方向 （b） y 方向
圖4 地下連續(xù)墻水平變形
從左側(cè)地下連續(xù)墻A-A處深層水平位移隨地下連續(xù)墻
深度分布情況的數(shù)值結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)結(jié)果對(duì)比（圖5）中可以看
出，數(shù)值結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)結(jié)果有著較好的吻合，然而地下連續(xù)
墻水平位移最大值并沒有出現(xiàn)在基坑坑底，而是出現(xiàn)在第6
道支撐附近，這可能與第6層土超挖或地下連續(xù)墻插入比等
因素有關(guān)。在地下連續(xù)墻變形最大處，其后土體變形也較
大，土體容易發(fā)生塑性變形或破壞。而對(duì)于高靈敏度軟土
地區(qū)，該區(qū)域土體結(jié)構(gòu)受擾動(dòng)最大，對(duì)工后影響較大。在
軟土基坑工程中，地下連續(xù)墻水平位移最大值與開挖深度
比一般控制在0.3%，圖5中顯示的地下連續(xù)墻最大水平位移
滿足設(shè)計(jì)要求。
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65
水平位移/mm
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
深度/m
監(jiān)測(cè)結(jié)果
數(shù)值結(jié)果
圖5 地下連續(xù)墻水平位移分布
3.2 基坑底部隆起
基坑開挖至坑底后，從基坑開挖面隆起云圖（圖
6）中可以看出，基坑底部中心位置隆起最大，最大值為
100.6 mm。
3.3 地表豎向位移
在地表豎向位移分布的數(shù)值結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比（圖
7）中，s 表示與地下連續(xù)墻的距離，正值表示隆起，負(fù)值
表示沉降。從圖7中可以看出，地表沉降呈“凹槽”形分
布，在距離地下連續(xù)墻40 m位置處的豎向位移已基本收
斂。沉降實(shí)測(cè)和模擬最大值分別為25.9 mm和22.4 mm，出
現(xiàn)在距離地下連續(xù)墻后約15 m位置處，數(shù)值結(jié)果比實(shí)測(cè)結(jié)
果稍小，但是分布趨勢(shì)相近。在接近地下連續(xù)墻的位置，
地表發(fā)生隆起，這是由于地下連續(xù)墻向上發(fā)生位移引起
張阿晉: 上海地區(qū)深大基坑施工安全分析
建筑施工·第40卷·第4期615
的。在軟土地區(qū)的基坑設(shè)計(jì)中，地表沉降最大值與基坑開
挖深度比一般控制在0.2%，可見在該項(xiàng)目基坑施工中，地
表豎向位移能完全控制在此范圍內(nèi)。
-30
-20
-10
0
10
20
30
地表沉降/mm
-10 0 10 20 30 40 50 60 70
s/m
數(shù)值結(jié)果
監(jiān)測(cè)結(jié)果
圖6 基坑隆起云圖 圖7 地表豎向位移分布
4 結(jié)語(yǔ)
本文從實(shí)際工程出發(fā)，采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)手段
對(duì)深大基坑的施工安全及其影響展開了分析，主要得到以
下結(jié)論：
1）通過對(duì)比有限元計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)兩者有
著較好的吻合，采用基于修正Mohr-Coulomb本構(gòu)模型的有
限元計(jì)算方法對(duì)深大基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形以及周圍土體應(yīng)力
位移場(chǎng)進(jìn)行模擬和分析是合理的。
2）通過數(shù)值和現(xiàn)場(chǎng)結(jié)果分析表明，基坑圍護(hù)變形及周
圍土體沉降均能滿足軟土地區(qū)深大基坑設(shè)計(jì)要求。
張阿晉: 上海地區(qū)深大基坑施工安全分析
3）在基坑開挖至坑底后，地下連續(xù)墻最大水平位移并
未發(fā)生在基坑坑底附近，而是發(fā)生在第6道支撐處，這可能是
受第6層土體超挖或地下連續(xù)墻插入比設(shè)計(jì)等因素的影響。
4）基坑開挖對(duì)鄰近地表的影響范圍在地下連續(xù)墻后40 m
范圍內(nèi)，其最大沉降值出現(xiàn)在地下連續(xù)墻后15 m處。
參考文獻(xiàn)
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（上接第604頁(yè)）
工況2
工況10
工況11
工況12
0 -2 -4 -6 -8 -10 -12 -14 -16 -18 -20 -22 -24
300
200
100
0
-100
-200
-300
-400
深度/m
彎矩/（kN·m）
圖9 工況2、工況10～12圍護(hù)樁彎矩
化，工況2中，最大彎矩位置為樁深－13 m處；工況
10～12，最大彎矩位置為樁深－3 m處。
綜上所述，隨著土體壓縮模量的增大，樁側(cè)土最大水
平位移逐漸變小，圍護(hù)樁最大彎矩逐漸減小，且二者變化
幅度也越來越小。說明通過一定手段改善坑外土質(zhì)，增大
其壓縮模量，可減少土體及圍護(hù)樁變形。
4 結(jié)語(yǔ)
1）本工程采用Midas GTS對(duì)深基坑進(jìn)行二維數(shù)值模
擬，可分析不同工況下圍護(hù)樁嵌固深度、排樁形式及土體
參數(shù)，對(duì)樁周土體位移及基坑圍護(hù)樁受力影響，同時(shí)結(jié)合
實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，說明模擬具有可靠性，驗(yàn)證了方案的可行性。
2）模擬結(jié)果表明：超過一定深度后，繼續(xù)增加圍護(hù)樁
嵌固深度，對(duì)基坑圍護(hù)樁受力和樁周土變形影響較小，且
樁長(zhǎng)的增加，必然造成施工成本的增加。對(duì)樁體錨固深度
的研究，為圍護(hù)樁長(zhǎng)方案的比選提供了一定的依據(jù)。
3）在一定間距范圍內(nèi)，雙排樁間距的增大可減少土
體水平變形，但圍護(hù)樁身內(nèi)力也會(huì)增加。綜合考慮場(chǎng)地條
件、圍護(hù)樁設(shè)計(jì)構(gòu)造要求及成本、土體變形控制因素，對(duì)
雙排樁間距的研究具有一定的指導(dǎo)意義。
4）隨著土體壓縮模量的增加，土體變形及圍護(hù)樁最大
內(nèi)力都會(huì)減小。通過一定手段改善坑外土質(zhì)，可增加基坑
圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。
參考文獻(xiàn)
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