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摘要：在深基坑工程施工当中，对工程质量以及使用性能、使用寿命等产生影响最大的一项因素就是工程变形。因此可以通过利用有限元分析的方式，建立相应的三维模型对深基坑工程变形情况以及具体影响因素进行探究，从而可以更有针对性地提出有效控制深基坑工程变形的方法措施，以保障深基坑工程施工质量。在这一背景下，本文将结合具体工程案例，着重围绕深基坑工程变形控制及其影响因素的有限元分析进行探究。
关键词：深基坑工程；变形控制；影响因素；有限元分析
引言：使用有限元分析法对深基坑工程变形进行分析，能够有效利用该方法可阐明复杂几何形状的连续介质问题的特性，在将相应边界条件引入其中后便可以对具体材料性质及其均匀与否进行真实反映。有助于帮助施工人员准确掌握深基坑工程的具体变形情况和变形特点等，从而可以及时对工程变形问题进行相应控制调整。基于此，本文将尝试运用有限元分析法，研究深基坑工程变形控制及其影响因素。
一、工程概况
为有效探寻影响深基坑工程变形的具体因素，并在此基础上寻求相应的变形控制对策。本文将结合笔者自身多年工作经验，以太平洋国际大厦（人民广场附近在建）工程为例。该工程为典型的深基坑工程，其深基坑围护形式为地下连续墙加上六道混凝土支撑，开挖深度共计23米。工程地下6层，且周边有数量较多历史悠久的老房子，加之该工程毗邻当地地铁8号线，因而对基坑变形要求极高，不允许基坑变形超过3cm。
二、基坑三维有限元分析
（一）参数建模
在通过分别在维护结构的水平位移位置处和外墙位置处布设20个监测点以及6个观测点，并对工程沉降情况进行实时观测后，本文将结合采集得到的相关数据建立起三维立体的有限元模型[1]。为提高建模效率以及模型的精确度，本文选择直接使用专业的有限元软件Midas/GTS完成建模工作，将4倍的外侧维护结构开挖深度作为模型的水平边界，将4倍坑底下的开挖深度作为模型的底面边界。在开挖基坑的区域内选取2m作为单元尺寸，并结合相关施工参数对基坑模型的外围单元尺寸等进行统一明确后即可利用该软件自动生成建立相应的深基坑三维有限元模型。考虑到该深基坑工程周围拥有许多建筑年龄超过百年的老建筑，因此选择将局部荷载以及作用深度分别设定为100kPa以及1.2m，沿深基坑周围10m作为作用宽度，而基坑周边施工荷载则设定为10kPa。
（二）结果分析
1.水平侧移
在初步完成基坑开挖之后，沿着X轴以及Y轴两个方向，围护桩墙将会出现水平侧移的情况。根据获取的监测结果显示，在完成第一步基坑开挖之后，围护桩墙朝着基坑内部最大出现了6.5mm的水平侧移，其点位恰好处于北部围护桩墙的中间位置处。而在完成第二步的基坑开挖后，围护桩墙面朝基坑内部出现的最大水平侧移已经超过21mm，此时其位于北部基坑中间，与围护桩墙底部相距较近的位置。因受到围护桩墙顶部支撑作用的影响，沿着围护桩墙深度的方向，当其深度不断加深时，围护桩墙的水平侧移值也将随之增大。但值得注意的是，因另外一侧围护桩墙会产生一定的限制影响，因此在基坑角部位置处的围护桩墙水平侧移值明显偏小。也就是说，由于基坑本身平面形状并不规则，因此沿着基坑边长方向，其围护结构将会出现巨大变化，由此产生相应的空间效应[2]。
2.地表沉降
通过结合相关监测和观测数据可知，在完成第一步和第二步的基坑开挖之后，其沉降最大值分别达到了2.1mm和7.5mm。并且在不断施工过程中，坑外地表沉降情况也愈发严重，监测获取的地表沉降值呈现出明显的递增变化趋势。但通过对坑外地表沉降值进行深入观察分析，可知与坑壁之间的具体距离对沉降值会产生直接的影响作用，距离不同的情况下坑外地表沉降值也会产生相应的差异。总体来看，在尚未达到沉降最大值前，随着与坑壁距离的不断增大，基坑外地表沉降值也越来越大，而在出现沉降最大值之后，即便其与坑壁距离继续增大，此时沉降值不增反减并逐渐趋于稳定。事实上，虽然各工况之间存在明显差异，但出现基坑外地表最大地表沉降值时，其基本都位于与基坑坑壁相距0.6倍开挖深度的位置处，地面沉降受开挖的影响程度与其距离基坑坑壁的基坑开挖深度也具有一定关联性。因而在该深基坑工程施工当中，需要工作人员实时监督管控施工范围内地下管线以及周围建筑物，结合实际情况对其进行相应的加固处理，以此有效提高工程的安全可靠性。
三、深基坑工程变形影响因素及变形控制分析
（一）土体弹性模量
通过利用深基坑工程有限元分析模型并结合具体勘查报告数据，在使用单因素分析法下便可以准确了解土体模量具体对深基坑工程产生的变形影响程度。本文通过将基坑底面以上和以下的土体模量分别用E以及1.5E进行表示，在与该深基坑工程主体结构进行充分结合下，可知在尚未开挖基坑之前其主体结构已经具有较高的强度，能够获得一种类似于对坑底以下土体进行加固的效果。考虑到北部基坑的围护桩墙存在水平侧移的情况，而在运用单因素分析法下，土体模量之间虽有差异，但围护桩墙水平侧移变化并不存在差异性，基本都砸围护桩墙的底部位置处会出现最大水平侧移值[3]。而当土体模量越来越大的情况下，围护桩墙水平侧移最大值反而会呈现出递减的变化趋势。譬如说根据相关数据显示，土体模量较之前增大0.5倍时，围护桩墙的水平侧移值也明显减小三成。而在土体模量缩减至0.6E的情况下，相较以往围护桩墙的水平侧移值反而出现了大约40%的增幅。在顶部位置处设置的围护桩墙支撑，通常会因基坑底部土体模量的变化，使其水平侧移值发生相应变化。因此可知土体弹性模量在很大程度上直接影响着深基坑工程变形，而为了能够有效对这一变形因素进行控制，在该深基坑工程施工当中，施工人员在严格按照相关标准要求进行规范施工下，不仅最大程度地保留原坑底土体，同时还对基坑底部土进行了相应的加固处理，从而有效控制了基坑围护结构出现水平侧移的情况。
（二）桩墙入土深度
有研究人员指出，基坑的稳定与否以及基坑内部土体的隆起等会在一定程度上直接受到围护桩墙入土深度的影响。而事实上通过分析近些年来我国出现的深基坑工程变形事故，可知其中有相当一部分施工是因围护桩墙入土深度过浅而导致整体工程出现倾覆。在该深基坑工程当中，设计围护桩墙入土深度为20m，本文通过选择将2m作为间隔变化，通过设定16m、18m以及20m、22m的围护桩墙入土深度，对其影响基坑变形的具体程度进行分析。根据分析结果可知，在入土深度为16m时，坑底隆起的最大值超过了41mm，而随着入土深度的不断增加，坑底隆起最大值出现了明显的递减变化。当入土深度达到22m时，坑底隆起的最大值只有大约28.6mm。不仅如此，在围护桩墙本身具有足够安全度的前提下，随着其入土深度的不断增加，水平侧移值反而越来越小。这也说明，围护桩墙的入土深度同样也会影响着深基坑工程变形情况。在对工程变形进行相应控制的过程中，在进行内支撑设置时应当尽可能控制围护桩墙的入土深度，避免出现因入土深度过大而影响深基坑工程变形的情况。根据多方考量并充分结合有限元分析结构后，施工人员在本工程施工中将围护桩入土深度控制在20m以内，使得坑底隆起值以及水平侧移值均可以满足相关标准要求，达到保障深基坑工程施工质量的目的。
（三）桩墙刚度影响
围护桩墙的刚度对深基坑工程变形也会产生一定影响作用。在结合本工程中的围护桩墙厚度下，通过按照0.2m的间隔对围护桩墙厚度进行相应调整，使其厚度能够分别达到0.33m、0.53m、0.73m以及0.93m和1.13m。通过对不同围护桩墙刚度下的深基坑工程水平侧移值进行逐一计算，可知在桩墙厚度为0.33m的情况下，有“踢脚”现象存在，此时由于桩墙厚度不足进而影响其自身刚度值，导致围护桩墙缺乏足够的稳定性[4]。随着桩墙厚度的不断变大，在其超过规定要求后，增加桩墙厚度以控制水平侧移值的效果也越来越弱。因此在该深基坑工程当中，施工人员在切实做好勘察工作并与施工计划要求和施工图纸进行充分结合下，确保基坑围护桩墙的入体深度同刚度的比例与规定要求完全相符，以此有效防止深基坑工程出现变形情况，达到提高工程安全可靠性的目的。
结束语：通过采用有限元分析法对深基坑工程的变形情况进行分析，可知土体弹性模量以及围护桩墙的入土深度以及刚度均会在不同程度上影响着深基坑工程的变形度。因此在实际开展深基坑工程施工过程中，施工人员需要立足实际情况，对产生的基坑空间效应进行充分利用，并严格控制围护桩墙入土深度与刚度，必要时可以采取相应措施对基坑内土体进行相应加固处理，以此有效防范深基坑工程出现变形，影响工程施工质量的问题。
参考文献：
[1]吴明泽.有限元在郑州某地铁换乘站深基坑变形中的应用研究[D].长春工程学院，2018.
[2]程芸.基于弹性地基有限元法的深基坑支护结构变形影响因素分析[J].科技创新与应用，2017（13）：13-15.
[3]刘熙媛，陈中婧，付士峰，黄琪.某深基坑工程监测与变形影响因素有限元分析[J].辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2016，35（08）：852-858.
[4]何贤才.深基坑工程开挖变形的影响因素及优化分析[D].安徽建筑大学，2016.