深基坑開挖周邊土體沉降數(shù)值模擬研究

黃留新 ，陳學(xué)根 ，周愛兆 ，黃獻(xiàn)文

（1.江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局第三地質(zhì)大隊(duì)，江蘇 鎮(zhèn)江212001；2.江蘇科技大學(xué) 土木建筑學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212005）

基坑開挖是工程施工中一項(xiàng)極其重要的內(nèi)容。土木工程在進(jìn)行基坑開挖時(shí)，著重關(guān)注基坑開挖施工的安全性，確保建筑基坑的穩(wěn)定性，同時(shí)還要保證基坑周圍的土體不會(huì)出現(xiàn)影響基坑工程質(zhì)量的位移，以形成完整量化的基坑開挖施工技術(shù)方案［1-3］。

在軟土等不良地基土的地區(qū)，一旦基坑穩(wěn)定性遭到破壞，周圍土體就會(huì)產(chǎn)生滑坡和崩塌［4］。本文利用有限元模擬軟件建立模型，模擬在加固支護(hù)下，基坑在開挖中地表土的沉降規(guī)律，并根據(jù)地表土沉降規(guī)律總結(jié)出基坑開挖引起的地表土沉降的影響范圍。

1 工程概況

本工程場(chǎng)地東側(cè)緊鄰連通港河流，場(chǎng)地地貌單元屬長(zhǎng)江一級(jí)階地，場(chǎng)地原為農(nóng)田區(qū)，場(chǎng)地地勢(shì)多種多樣，地面標(biāo)高21.7～22.7m，相對(duì)高差約1.0m。地下1層占地面積1.6萬(wàn)m2，地上2，29，30，32層總面積13.84萬(wàn)m2。

根據(jù)各土層的物理力學(xué)性質(zhì)，結(jié)合地層的沉積時(shí)代、成因特征，將場(chǎng)地土劃分7層組17個(gè)亞層。其中第①層為素填土； 第②層組為第四系全新統(tǒng)沖積的粉質(zhì)黏土、沖湖積的淤泥質(zhì)黏土夾粉土、沖積的粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂互層；第③層組為第四系全新統(tǒng)沖積成因的粉質(zhì)黏土層； 第④層組為第四系上更新統(tǒng)沖、洪積成因的粉質(zhì)黏土、碎石土；第⑤層組為上第三系粉砂質(zhì)泥巖； 第⑥層組為白堊—第三系泥質(zhì)粉砂巖；第⑦層組為三疊系灰?guī)r，下伏基巖為上第三系粉砂質(zhì)泥巖、白堊—第三系泥質(zhì)粉砂巖和三疊系灰?guī)r，具體分布如表1。

表1 各巖土層的分布 單位：m

工程場(chǎng)地的上層水位埋深0.46～1.67m，標(biāo)高22.22～24.46m，上層滯水無(wú)統(tǒng)一的自由水面，其水位隨季節(jié)性降水變化、幅度不一，在雨季時(shí)對(duì)基礎(chǔ)施工有較大影響； 承壓水埋深5.72～8.40m，標(biāo)高16.48～18.74m，水流量主要由揚(yáng)子江側(cè)向徑流補(bǔ)給，與長(zhǎng)江的水力密切相連。根據(jù)武漢地區(qū)的區(qū)域水文和地質(zhì)資料，其年變化幅度為3.0～4.0m。地基基礎(chǔ)位于穩(wěn)定的地下水位以下，地下水產(chǎn)生的浮力較大，施工期間降水方式可采用井點(diǎn)降水法或明溝排水法。

2 基坑開挖技術(shù)

2.1 施工工藝

基坑測(cè)量放線→開挖導(dǎo)溝排水溝→機(jī)械開挖至槽底設(shè)計(jì)標(biāo)高500mm以下→開挖土方→修整邊坡→底板墊層施工→基礎(chǔ)梁混凝土澆筑→土方回填→基槽夯實(shí)。

2.2 施工方法

先由機(jī)械開挖至槽底設(shè)計(jì)標(biāo)高500mm以上，后采用人工（或機(jī)械加人工）清土至要求的基底標(biāo)高。由于工程現(xiàn)場(chǎng)土質(zhì)情況較差，對(duì)于基坑的基礎(chǔ)梁、承臺(tái)、獨(dú)立基礎(chǔ)等部位的開挖，要求按照1∶0.5的坡度放坡開挖，基坑兩邊均留出400mm施工工作面。對(duì)于電梯井和筏板等基坑開挖較深的部位，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，適當(dāng)調(diào)整放坡系數(shù)不小于1∶1和工作面的大小。

2.3 基坑清槽

（1）機(jī)械開挖土方后，根據(jù)工地現(xiàn)場(chǎng)的施工情況選擇獨(dú)輪車或小型挖掘機(jī)運(yùn)送挖出的土方。運(yùn)送過程中，隨時(shí)跟蹤測(cè)量基槽的標(biāo)高參數(shù)，檢查基槽坑壁和邊坡的穩(wěn)定性狀況，防止超挖發(fā)生坍塌事故。

（2）對(duì)基坑內(nèi)開挖不到的邊角部位，由人工修整開挖，并把土方堆至機(jī)械開挖半徑以內(nèi)，保證基坑施工進(jìn)度一致。

（3）修整槽邊，清除槽底土方。

2.4 施工要點(diǎn)

2.4.1 施工前準(zhǔn)備

另外，對(duì)有些中小型項(xiàng)目，往往要求投資相對(duì)較大的細(xì)部結(jié)構(gòu)工程單獨(dú)列項(xiàng)計(jì)算，如銅片止水或者照明設(shè)施等。由于未提供細(xì)部結(jié)構(gòu)指標(biāo)組成，造成其他細(xì)部結(jié)構(gòu)要么不再計(jì)列造成漏算，要么都算造成重算。當(dāng)然，也有的專家要求所有細(xì)部結(jié)構(gòu)都不單獨(dú)列項(xiàng)，仍按綜合指標(biāo)計(jì)算，造成少算。

基坑開挖前，先修筑坡道作為工作面，為開挖土方和進(jìn)出的裝土車提供便利。運(yùn)輸土方的車輛主要有自卸車和人工手推車。

2.4.2 基坑開挖

土方開挖時(shí)，基坑土體厚度保留在150～300mm。驗(yàn)收后進(jìn)行人工修整。開挖過程中，對(duì)可能發(fā)生過度開挖的土方，基坑回填部分填料至設(shè)計(jì)高度。土方回填時(shí)，根據(jù)基礎(chǔ)土壤的類型選擇回填土方材料，如果基坑施工要求較高，也可用碎石進(jìn)行填充。嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行分層壓實(shí)。雨季施工時(shí)，注意基坑開挖要分層分段進(jìn)行，開挖與墊層施工相結(jié)合，并布設(shè)排水溝。排水溝用混凝土施工將其硬化處理。同時(shí)做邊坡的防護(hù)措施和坑底的排水施工。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 模型基本假設(shè)

利用有限元軟件建立基坑的二維模型［6］，模擬基坑開挖的施工過程。假設(shè)開挖基坑周圍土體為理想的彈塑性土體，且土層分布均勻；假設(shè)基坑周圍的樁基礎(chǔ)和錨桿維護(hù)結(jié)構(gòu)共同作用，且均勻分布［6］；為使計(jì)算結(jié)果更加簡(jiǎn)化，本文不考慮地下水的影響，也不考慮基坑周圍的施工環(huán)境條件及工人施工工藝的影響。

3.2 有限元模型的建立

3.2.1 模型尺寸

土方開挖的基坑寬5m，基坑深4.5m，支護(hù)樁長(zhǎng)6m，模型長(zhǎng)度取50m，模型高度取30m，網(wǎng)格劃分如圖1。

圖1 基坑網(wǎng)格劃分

3.2.2 初始應(yīng)力狀態(tài)及邊界條件的設(shè)置

選取的模型底邊施加固定約束，頂面設(shè)置為自由邊界，側(cè)面設(shè)置為法向約束，支護(hù)樁設(shè)置為扭轉(zhuǎn)約束。按重力狀態(tài)考慮土體的初始應(yīng)力狀態(tài)，為方便計(jì)算不考慮地下水及周邊環(huán)境的影響。

3.2.3 本構(gòu)模型的選擇

土體采用2D平面應(yīng)變單元摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則，增加土體及支護(hù)結(jié)構(gòu)選用的本構(gòu)模型。

3.2.4 基坑土方開挖設(shè)置

模型中的基坑開挖順序按照分層開挖、分段開挖、先撐后挖、隨挖隨撐的支護(hù)方式進(jìn)行加固，先把初始應(yīng)力場(chǎng)及位移恢復(fù)初始值零狀態(tài)，再施工支護(hù)樁，最后分層、分段開挖、支護(hù)至坑底設(shè)計(jì)標(biāo)高。分3層開挖，開挖深度分別為 1.5，3，4.5m。

3.3 計(jì)算結(jié)果

圖2為開挖至-1.5m時(shí)模型位移云圖，通過模型分析提取沉降位移云圖，分析基坑在開挖階段的位移沉降規(guī)律。基坑周圍土體出現(xiàn)下沉趨勢(shì)，坑底土體出現(xiàn)隆起現(xiàn)象。

圖2 開挖至-1.5m時(shí)坑外地表沉降

圖3為開挖至-3.0m時(shí)模型位移云圖，圖4為開挖至地下-4.5m時(shí)基坑變形云圖，該工況為基坑支護(hù)的最后階段。可以看出，隨著基坑開挖深度的增加，基坑周邊土體的變形值也在逐漸增大，但在內(nèi)支撐等支護(hù)結(jié)構(gòu)的支持下，基坑處于穩(wěn)定狀態(tài)，滿足穩(wěn)定性要求。距基坑邊緣6m距離處沉降最大，隨之逐漸減小。

圖3 開挖至-3m時(shí)坑外地表沉降

圖4 基坑開挖至-4.5m時(shí)地表沉降

由圖2～圖4可知，兩個(gè)開挖階段的地表土沉降曲線的變化趨勢(shì)基本一致，呈現(xiàn)“下凹型”，且隨基坑開挖深度的逐漸增加，坑外地表沉降的大小先逐漸增加而后逐漸減小，而最大沉降值出現(xiàn)的位置并不是靠近基坑的邊緣處，而是距離基坑邊緣有一定的距離處，且隨著開挖進(jìn)度逐漸增加其位置距基坑邊緣越遠(yuǎn)。

（1）基坑開挖至地下-1.5m 時(shí)，檢測(cè)地表沉降值最大為-1.03mm，距離基坑邊緣5m 處的位置。

（2）基坑開挖至-3m 時(shí)，監(jiān)測(cè)坑外地表沉降的最大值為-1.07mm，距離基坑邊緣9m 處。

（3）當(dāng)基坑開挖至基坑底部時(shí)，坑外地表沉降最大值為-1.66mm，距離基坑邊緣10m 處。通過模擬模型中的計(jì)算結(jié)果，繪制地表土沉降曲線圖，本文重點(diǎn)分析基坑在開挖階段坑外地表土體的沉降規(guī)律，如圖5。

圖5 坑外地表沉降曲線

由圖5可知，該工程施工基坑的沉降影響區(qū)主要在距離基坑外邊緣的0～20m處，在距離基坑外邊緣20～40m的位置處于次要影響區(qū)。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）基坑施工時(shí)，需從基礎(chǔ)土方的開挖與基坑坑壁和坑底的支護(hù)兩個(gè)方面進(jìn)行施工管理。

（2）土方開挖施工時(shí)，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求施工工藝和施工流程進(jìn)行。

（3）開挖施工要注意基坑開挖的安全性，保證基坑的穩(wěn)定性，及周圍土壤不能發(fā)生任何影響基坑質(zhì)量的位移。

（4）利用有限元軟件對(duì)基坑開挖過程中地表土沉降規(guī)律進(jìn)行總結(jié)，基坑沉降影響區(qū)主要在距離基坑外邊緣的0～20m處，在距離基坑外邊緣20～40m的位置處于次要影響區(qū)。