超深基坑開挖降水對周圍地表位移的影響評價

趙 連 向 陽 郭涵宇

(中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司，四川 成都 610041)

K0=v/(1-v)

{Fi}=∫ViT{σi-1}dV-∫ViT{γ}dV

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超深基坑開挖降水對周圍地表位移的影響評價

趙 連 向 陽 郭涵宇

(中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司，四川 成都 610041)

選取武漢19.1 m超深基坑工程為研究對象，結合PLAXIS數值模擬和現場綜合監測數據分析，建立了一套定量化的超深基坑開挖周圍地表變形評價模型，研究結果表明：超深基坑開挖對周圍地表影響半徑為2.2倍的開挖深度，安全指數為1.1與數值模擬地表變形值乘積可定量評價實際地表變形。

超深基坑，PLAXIS，影響半徑，安全指數

由于城市用地越來越緊張，地下空間朝著“大、深、群”方向發展。對于超深基坑工程而言，地下水埋深較淺的基坑支護結構和周圍地表的變形十分嚴重[1-3]。由于地質條件、周圍環境和工程自身的復雜性，加之系統研究理論的匱乏，目前尚無統一的定量化評價分析模型。因此擬采用PLAXIS3D，選取武漢軟土地區某一超深基坑為研究對象，對超深基坑開挖及支護施工過程進行數值模擬分析，獲取周圍地表的時空變化規律，評價超深基坑開挖對周圍地表的影響程度，并提出相應地變形控制措施。

1 基坑開挖數值計算理論

1.1 初始應力場的計算

在進行數值計算時，需要施加由上覆巖土體構造應力產生的初始地應力，一般可按如下公式取得初始地應力：

(1)

初始地應力沒有統一的理論計算模型，一般可采用埋深的構造函數加以確定，本文選取的初始地應力的計算模型如圖1所示，水平初始地應力與垂直初始地應力的比值K0可定義為：

K0=v/(1-v)

(2)

其中,v為土的泊松比。

1.2 土體開挖荷載

對應于土體開挖過程中的應力狀態的改變可定義土體開挖荷載加以數值計算分析，其計算模型如下所示：

{Fi}=∫ViT{σi-1}dV-∫ViT{γ}dV

(3)

其中,{Fi}為第i次開挖階段的開挖荷載；為應變矩陣；[vi]為第i節點開挖土體的體積；{σi-1}為土體的應力；為單元形函數矩陣；{γ}為土的自重列向量。

2 工程實例

2.1 數值計算模型的建立

該工程地下支護結構為4層，設計高程±0.000為22.5m，基礎埋深為19.1m。開挖過程可分為四個工況：第一工況開挖深度為0m～4.0m，第二工況開挖深度為4.0m～8.05m，第三工況開挖深度為8.05m～13.5m，第四工況開挖深度為13.5m～19.1m。圍護結構采用地下連續墻+鉆孔灌注樁組合結構形式，地下連續墻深度為36.1m，厚度為1 000mm；鉆孔灌注樁長度為50.0m，樁徑為1 000mm，采用逆作法施工。降水方案采用各工況開挖前提前降水至開挖底面下1m處?；咏孛嫘问綖榫匦危鶕ΨQ性，取其一段對稱平面，按平面問題進行計算。對稱段寬度取為36.0m，計算寬度取為74.0m，計算深度取為62.0m。承壓水初始水頭取為18.0m，設計目標動水位標高取為1.7m，水位降取為16.3m。由于基坑計算斷面下穿城市主干道，因此在計算模型中取其為豎直向下作用的均布載荷，其值為-10.0kN/m。此基坑工程巖土體分層特性如表1所示，支護結構參數如表2所示。

表1 巖土分層及特征參數

表2 支護結構計算參數

計算時采用15結點三角形單元模擬土體，模型的左右邊界水平方向位移取為零，豎直方向允許發生一定變形；下邊界水平方向和豎直方向的變形均取為零；上邊界為周圍地表，取為自由面。網格劃分精度選擇中等粗糙程度，并對地下連續墻及基坑底部周圍的網格進行一定的加密處理。計算模型見圖2。

2.2 數值模擬結果分析

四次降水條件下，基坑及周圍巖土體中地下水滲流運動方向由基坑周圍巖土體，繞過地下連續墻，向著基底巖土體富集；在基底巖土體中，地下水富集程度由基坑周界向基坑中心逐漸加密；因此基坑底部中心承受最大的滲流集中力。計算結果顯示基坑周圍巖土體中孔隙水壓力較小，主要為地下水滲流導致周圍巖土體的孔隙水壓力的消散，使得周圍地表在巖土體自重應力的作用下發生較大的沉降；而對于基底巖土體，孔隙水壓力顯著增加，但均小于上覆巖土體自重應力，未構成明顯基底隆起破壞。

采用等間距的測點布置方式，于地下連續墻上每3m間隔布置一個地下連續墻水平位移監測點，共計12個監測點，獲取在四種開挖工況條件下地下連續墻的水平位移時空效應累計變化規律，如圖3所示。第一種開挖工況下，地下連續墻水平位移變化速率最大；隨著開挖的進行，水平位移逐漸趨于穩定；在第三種工況及第四種工況條件下，水平位移表現出“中間大，兩端小”的變化規律，主要由于第一、二層橫撐支護結構逐漸發揮了支護功能，控制了上覆周圍地表的水平位移，基底下覆巖土體又對地下連續墻起到了鎖腳的功能，進而又限制了周圍地表下覆巖土體的水平位移，而中部大變形區為開挖第三、四層巖土體后的未加橫撐支護的基坑，在周圍地表下覆巖土體的側向土壓力作用下，即表現出較大的水平位移；四種開挖工況條件下地下連續墻最大水平位移為9.25mm，即本基坑開挖降水條件下周圍地表最大水平位移為9.25mm。同時水平位移云圖顯示，周圍地表的最大影響范圍為33.6m。

針對4種開挖工況條件，基坑周圍地表沉降的時空效應累計變化曲線如圖4所示。由圖4可知，基坑開挖過程中，離基坑周界越近的區域地表沉降值越大；第一次開挖工況下，周圍地表沉降速率最快；在第四次開挖工況下，基坑周界地表點出現最大沉降，最大累積沉降值為11.3mm；4種工況條件下，周圍地表沉降符合標準的沉降槽曲線，在距離基坑40m處均趨于穩定。綜合水平位移時空效應累計變化規律，確定本基坑開挖對周圍地表的影響范圍為40m，近似為2.2H(H為基坑開挖深度)。

3 現場監控量測分析

根據數值模擬分析結果及以往基坑周圍地表沉降監測規律，選取基坑開挖邊界外2.5倍的開挖設計深度(2.5H)作為地表沉降監測范圍。各監測點之間間距均布為5m；地下連續墻水平位移監測點按3m間隔沿深度方向均勻布置。監測周期起于基坑開挖，止于地下結構物施工結束[8-10]。本超深基坑周圍地表累計沉降最大斷面監測數據如表3所示，累計水平位移最大斷面監測數據如表4所示。同時將此監測斷面實測數據與數值模擬分析數據進行對比分析，對比分析曲線如圖5，圖6所示。

表3 基坑周圍地表累計沉降最大斷面監測數據

表4 基坑周圍地表累計水平位移最大斷面監測數據

由圖5，圖6可以看出，實測數據比數值模擬分析數據略大，分析原因主要是數值模擬過程中未能全面考慮現場施工載荷的影響，主要包括基坑周圍堆載和車輛荷載。但是數值模擬數據擬合曲線與實測數據擬合曲線的相關系數分別為91.4%，96.2%，說明兩者數據相似性較高，此數據精度符合工程實際的要求。

4 控制措施

1)由現場及數值模擬分析可知，基坑開挖前的圍護墻施工及基坑降水均會引起較大的地表沉降。因此針對施工工藝特點，采取了如下控制措施：a.對于圍護墻的施工，嚴格控制施工速度和施工質量，圍護墻施工完成5d后并檢測墻體實際強度達到設計強度時，方可進行頂層土方開挖，同時開挖過程中不得碰撞冠梁、水平支撐和立柱;b.需要合理減小擠土效應及振動影響，保證混泥漿密度，保證護壁效果，保證成孔及成槽質量，控制施工速度；c.根據施工進度和基坑涌水量的要求，降水井單井抽水量優化調整為50m3/h，開泵20min后，降水井抽水含砂量不超過1/60 000，長期運行降水井抽水含砂量不超過1/120 000。2)由實

際監測和數值模擬誤差分析可知施工荷載對地表沉降也存在一定影響，為了避免此類荷載的影響，嚴禁在基坑周邊10m范圍內堆土、行走施工車輛，堆放施工所需材料荷載不得超過5kPa。3)對于基坑周邊40m范圍內的重要建(構)筑物采取地基加固或結構物補強處理。

5 結語

1)由于受到土體強度差、地下水位高等因素的影響，軟土地區開挖深度大于10m的超深基坑工程開挖對周圍地表影響程度極大，最大累計沉降值為12.2mm，最大水平位移為9.5mm。2)根據數值模擬及現場實際監測數據分析可知，超深基坑開挖對周圍地表的影響范圍約為2.2倍的基坑開挖深度，本超深基坑周圍地表影響半徑為40m。3)采用PLAXIS有限元模擬軟件獲取的周圍地表累計沉降曲線與現場監測沉降曲線的相關系數最小為91.4%，此誤差精度符合工程實際的要求；同時可以定義一安全指數K取為1.1，以K與數值模擬累計變形值的乘積作為評價超深基坑周圍地表累計變形指標，可充分保證周圍地表沉降預測的準確性，從而形成一套定量化的超深基坑開挖周圍地表變形評價模型。4)針對軟土地區超深基坑開挖對周圍地表主要的幾個影響因素，提出了相應的控制措施，現場實施結果顯示周圍地表變形得到了有效控制，周圍重要建(構)筑物基礎未出現明顯開裂。

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On evaluate the influence of super deep foundation pit excavation on surrounding ground surface

Zhao Lian Xiang Yang Guo Hanyu

(ChinaPetroleumGroupEngineeringDesignCo.,Ltd,SouthwestBranch,Chengdu610041,China)

Selecting a super deep foundation pit with 19.1 m depth in Wuhan engineering as the research object, combined with PLAXIS numerical simulation and in-situ monitoring data analysis, establishes a quantitative evaluation model of super deep foundation pit excavation around the surface deformation. The results show that super deep foundation pit excavation on the surrounding surface radius of influence is 2.2 times of the excavation depth, safety index is 1.1 and the numerical simulation of the surface subsidence value product surface subsidence can be quantitative evaluation practice.

super deep foundation pit, PLAXIS, influence radius, safety index

1009-6825(2015)21-0077-03

2015-05-13

趙 連(1988- )，男，助理工程師

TU463

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