基坑開挖對基坑及圍護結構穩(wěn)定性影響分析

王 建， 陳洪波， 何書通， 常學文

(1.江蘇省水利工程建設局， 江蘇 南京 210029； 2.江蘇省水文水資源勘測局常州分局， 江蘇 常州 213001；3.江蘇省水利防汛物資儲備中心， 江蘇 南京 210029； 4.江蘇省新孟河樞紐工程建管局， 江蘇 常州 213022；5.江蘇省太湖治理工程建設管理局， 江蘇 常州 213022； 6.河海大學地球科學與工程學院， 江蘇 南京 211100)

基坑開挖是在半無限空間中進行的，在開挖過程中必然導致周圍土體變形以及鄰近建筑物的破壞。土體變形主要是指卸荷回彈，建筑物破壞主要是指由于基坑開挖導致周圍土體發(fā)生沉降從而引起建筑物的下沉。隨著社會發(fā)展，工程建設隨之增多。基坑開挖是其中重要一環(huán)，同時也影響著國家民生。因此，分析基坑開挖對基坑以及圍護結構的穩(wěn)定性影響成為重要的研究方向。

不少學者已經(jīng)在對基坑數(shù)值模擬的應用上取得了較好的成果。陳立敏[1]利用MidasGTS NX對基坑開挖引起的鄰近建筑變化進行三維數(shù)值模擬，得出了基坑開挖后建筑物地下室整體表現(xiàn)未沉降變形趨勢的結論。車法等[2]對基坑使用放坡開挖基坑的方式建立模型，通過改變坡體的坡率和土體的參數(shù)進行數(shù)值模擬，結果表明：基坑底部回彈位移隨著坡率的減小而減小，當坡率降低到1∶1.5時,隨著坡率降低基坑底部回彈量趨于穩(wěn)定，剪切模量對基坑底部回彈位移和地基表面位移影響較大，體積模量和內摩擦角對位移影響相對較小。黏聚力的折減比例超過1.8時，黏聚力對基坑底部回彈位移和地基表面位移幾乎沒有影響。還有不少學者[3-5]在基坑開挖深度與空間效應、柱樁的隆起位移以及地表建筑物沉降方面進行了大量研究。劉拴龍等[6]對地連墻在基坑開挖過程中的變形做了一些研究，分析出了地連墻的位移變化趨勢，取得了很好的研究效果。

鑒于此，在綜合考慮地表沉降的影響因素[7]后，使用Plaxis2d對基坑進行數(shù)值模擬，通過數(shù)值模擬得到基坑在采用分步開挖和放坡開挖[8]方式下每一次開挖后土體的應力、位移以及圍護結構位移的變化情況，并通過以上數(shù)據(jù)的變化對基坑的穩(wěn)定性做出評價，提出改進措施，旨在為此后基坑工程的建設提供參考。

1 工程概況及模型構建

1.1 工程概況

新孟河延伸拓浚工程的目的是改善太湖和湖西地區(qū)的水環(huán)境，提高流域和區(qū)域的防洪排澇標準，增強流域和區(qū)域的水資源配置能力，兼顧地區(qū)航運。工程總體布局北起長江右岸的大夾江，在引(入)江口處興建界牌水利樞紐，沿老新孟河拓浚至京杭運河，在新孟河與京杭運河交匯處興建奔牛水利樞紐，過運河后新開河道南延至北干河，拓浚北干河連接洮湖、滆湖，拓浚太滆運河和漕橋河入太湖，工程總長116.69 km，其中拓浚老河道81.50 km，新開河道35.19 km。根據(jù)新孟河延伸拓浚工程總體規(guī)劃，奔牛水利樞紐工程為新孟河延伸拓浚工程干河樞紐工程之一,位于常州市奔牛鎮(zhèn)新孟河與京杭運河交匯處，工程的主要任務包括防洪、引排水和通航，樞紐由京杭運河立交地涵、船閘、節(jié)制閘和孟九橋組成。樞紐中京杭運河立交地涵的主要功能是溝通京杭運河南、北側新孟河河道，實現(xiàn)新孟河與京杭運河的立體交匯，保證新孟河延伸拓浚工程引水入太湖的水質和水量，兼顧京杭運河以南的太湖湖西地區(qū)通過立交地涵向北排澇入長江；船閘的工程任務是維持新孟河與京杭運河之間的航運要求；節(jié)制閘的主要功能是將京杭運河上游澇水通過新孟河北排入長江。

1.2 參數(shù)選取及模型構建

本文使用Plaxis2d軟件對選取的兩個基坑剖面進行數(shù)值模擬，兩個剖面分別記A-A剖面和B-B剖面，該基坑深度為20.2 m，寬度為309.5 m，考慮到邊界效應，設計模型深度為30 m，寬度為360 m，對剖面構建的模型如圖1、圖2所示，根據(jù)三軸試驗(UU)得到的土層參數(shù)，確定每層土的抗剪力學參數(shù)如表1所示。

圖1 A-A剖面模型網(wǎng)格剖分圖

圖2 B-B剖面模型網(wǎng)格剖分圖

表1 土層物理力學參數(shù)

2 基坑開挖對基坑穩(wěn)定性的影響

2.1 基坑總主應力分析

對選取的基坑剖面A-A和B-B進行模擬開挖，A-A剖面分4次開挖進行，第一次開挖深度約為2.5 m，第二次開挖深度約為2.44 m，第三次開挖深度2.56 m，第四次開挖深度約為3.5 m。B-B剖面由于選取的該剖面深度較大，故對其分6次模擬開挖進行，第一次開挖深度約為2.50 m，第二次開挖深度約為2.70 m，第三次開挖深度約為2.60 m，第四次開挖深度約為2.60 m，第五次開挖深度約為4.50 m，第六次開挖深度約為5.30 m。對開挖完成后的總主應力σ1進行分析，如圖3所示，可以看出在分步開挖過程中，A-A剖面開挖深度小，σ1的最大值為468.6 kN/m2，B-B剖面開挖深度大，σ1的最大值為596.2 kN/m2，方向均為豎直向下，集中分布在所建模型中涉及土層的最底部邊界處，由于底部邊界中間段上覆地層的土體被開挖，底部土體主應力呈現(xiàn)兩邊大、中間小的趨勢，從底部邊界往上的土體中，主應力大小逐步遞減，在基坑坑底面下部的地層中轉為豎直向上的主應力，在基坑坑底表面達到最大值，但豎直向上的主應力值很小，基本都在0.0069 kN/m2以下，引起該變化的原因是土體開挖后基坑表面土體發(fā)生卸荷回彈現(xiàn)象，土體略微隆起，但隆起量不大，這就說明在施工開挖過程中基坑是穩(wěn)定的。

圖3 各剖面分步開挖完成后總主應力σ1

2.2 基坑特征點變形分析

A-A剖面的監(jiān)測點示意圖如圖4所示，特征點垂直位移如圖5所示，特征點水平位移如圖6所示，圖中G為右側坡頂面上一點，C、D為基坑底部點，B、E是坡腳點，A、F為坡頂點。由圖5可知，隨著開挖施工次數(shù)的增加，各特征點水平位移逐漸增加，但位移都在2 mm以下，其中A點、B點、E點、F點相比其他特征點位移較大，原因是B點、E點位于坡腳，A點、F點位于坡頂，形成坡面后，在自重的影響下出現(xiàn)比其他特征點更明顯的位移。由圖6可知，隨著開挖次數(shù)的增加，各特征點垂直位移也逐漸增加，位移最大值為18.56 mm，在開挖過程中，由于卸荷回彈的原因，基本上各特征點垂直位移都為正值，但G特征點的垂直位移為負值，根據(jù)現(xiàn)場勘查情況，原因是G特征點位于住宅區(qū)，其上部有房屋荷載的影響。

圖4 A-A剖面監(jiān)測點示意圖

圖5 A-A剖面特征點水平位移圖

圖6 A-A剖面特征點垂直位移圖

B-B剖面的監(jiān)測點示意圖如圖7所示，圖中F、G為基坑底部點，B、D、I、K、N是坡腳點，A、C、E、H、J、L、M為坡頂點，特征點垂直位移如圖8所示，由圖8可知，隨著開挖次數(shù)的增加，各特征點垂直位移逐漸增加，位移最大值為15.08 mm，在開挖過程中，由于卸荷回彈的原因，各特征點垂直位移都為正值。其中，A點、L點、N點的位移增幅趨勢幅度不同于其他各特征點，呈緩慢遞增趨勢，原因是上述2種特征點為接近于地表的特征點，開挖后位于坡頂，卸荷回彈變化量小，其他特征點位移變化趨勢幾乎呈現(xiàn)為線性增加，F(xiàn)點、G點也不同于其他特征點變化趨勢，原因是特征點F點、G點是位于完全開挖后基坑基底面上的點，無開挖臨空面，每一次開挖都只存在減少上覆土體壓力的影響，產(chǎn)生卸荷回彈。

圖7 B-B剖面監(jiān)測點示意圖

圖8 A-A剖面特征點垂直位移圖

特征點水平位移如圖9所示，由圖可知，A點、G點、H點、I點、J點、L特征點的水平位移方向發(fā)生了變化，原因是在開挖的過程中，基坑發(fā)生卸荷回彈，導致基坑邊坡發(fā)生垂直向上位移，進而使其水平位移方向發(fā)生改變。其余特征點隨著開挖施工次數(shù)的增加，水平位移逐漸增加，其中第五次開挖完成后，各特征點位移變化量較大，這是由于此次開挖深度較深，開挖完成后土體卸荷回彈明顯，整體開挖位移值均小于3.0 mm。

圖9 A-A剖面特征點水平位移圖

3 結論與建議

基于基坑開挖設計圖，鋼板樁和現(xiàn)場基坑結構分布情況，同時結合現(xiàn)場情況，建立了工程區(qū)二維有限差分模型，對不同基坑剖面進行了開挖模擬后，得出以下結論：

(1)基坑開挖過程中，由于卸荷的影響，基坑表面的土體會有隆起現(xiàn)象，并且隆起量隨著開挖深度的增加而增加；

(2)鄰近基坑周圍的土體由于土體自重以及建筑物荷載的影響，會發(fā)生沉降，但因在施工開挖時增加了圍護結構，土體的沉降量很小，不影響建筑物的安全；

(3)在整個基坑開挖過程中，土體的水平位移一直都很小，并以基坑的中點為基點向基坑兩側移動，且呈對稱趨勢；

(4)圍護結構對土體的變形起到了良好的支撐效果，且自身的變形也較小，圍護結構在整個施工階段處于穩(wěn)定狀態(tài)。

針對模擬結果，給出以下建議：

(1)經(jīng)二維剖面開挖計算，京杭運河支流中的基坑已經(jīng)有鋼板樁支護。因水流量較小、鋼板樁支護穩(wěn)定，同時開挖深度較淺，經(jīng)計算，可不再增加新的支護；

(2)經(jīng)二維剖面開挖計算，京杭運河干流中的基坑，靜水壓力較小，開挖初期可不做支護，在第二次及第三次開挖過程中，經(jīng)過放坡后基坑位移仍然較大，同時水壓力作用效果也更加明顯，因此在第二次及后續(xù)開挖過程中，建議增加鋼板樁支護，同時考慮水頭作用，建議采用鋼板樁或混凝土抗滑樁支護或者采用隔水防水措施；

(3)考慮到該地區(qū)雨季較多，持續(xù)時間較長，年降水量較高，基坑在雨季有失穩(wěn)可能性，同樣建議對基坑進行抗滑樁處理。