基坑開挖土體回彈變形研究

陳建康，矯偉剛，張琳，楊遠營，高翔

（1.北京現代金宇巖土工程有限公司，北京 101400；2.北京市勘察設計研究院有限公司，北京 100038）

1 引言

目前，越來越多的城市都是高層建筑，因此出現了大量的深基坑工程，深基坑支護問題也隨之而來[1]。地下空間和高層建筑可以通過深基坑支護來實現，建筑質量的好壞與深基坑支護方案設計的優劣有直接關系?；庸こ讨杏捎谕馏w的開挖與自重應力釋放，致使坑底向上回彈，開挖后，基底以下部分墻體向基坑方向變位時，擠推墻前的土體，造成坑底隆起變形加劇。基坑隆起量的大小是判斷基坑穩定性的重要指標。因此，較準確預測基坑的回彈變形量，可以為將來的設計和施工提供依據。

深基坑支護形式多種多樣，通?？煞譃榉墙Y構支護體系和結構支護體系兩大類[2]，本文主要采用結構支護體系。通過對某項目基坑開挖后支護和監測方案的設計，成功解決了該項目深基坑的支護安全問題。并通過數值模擬方法得出坑底回彈量隨不同位置的變化關系，結合監測數據進行驗證，希望可以為其他類似工程提供參考。

2 土體回彈機理

基坑開挖前，土體在重力作用下經歷了較長時間的壓縮固結過程，在沒有其他外力作用的情況下，短時間內很難變形?；娱_挖破壞了基坑內外土體的應力平衡狀態，基坑底部以下土體產生卸荷回彈變形。基坑底部回彈變形的影響因素與基坑內外土體的孔隙比、粘聚力等參數有關[3]。基坑開挖完成后，基坑底面的變形量由兩部分組成：一部分是基坑周圍土體在自重作用下使坑底土向上隆起；另一部分是開挖后的卸載引起的回彈量。擋墻在側水壓力作用下，墻角與內外土體發生塑性變形而上涌?；踊貜椨^測，應測定深埋基礎在基坑開挖后，由于卸除地基土自重而引起的基坑內外影響范圍內外相對于開挖前的回彈量。

由于各個基坑的大小、周圍條件及開挖支護形式各不相同，因此在研究基坑底部的回彈變形時需要考慮眾多因素[4]。然而，一般認為回彈模量和回彈應力直接影響基坑底部的回彈變形，土體的密度和粘聚力通過回彈模量和回彈應力的影響，影響基坑底部的回彈變形。

3 工程實例

3.1 項目簡介

本項目位于北京市朝陽區東壩，地塊占地面積4.22 萬m2，基坑總面積27252m2。本項目擬建建筑物主要由2座辦公樓、2 座星級酒店、購物中心及地下車庫組成，具體層數見表1。擬建物室內地坪標高(±0.00)為30.50m，如圖1所示?；釉O計深度15.8m, 基坑安全等級為一級。

圖1 擬建建筑布置圖

擬建建筑物初步設計條件一覽表 表1

3.2 地質及水文條件

3.2.1 地質條件

擬建工程場地位于永定河沖洪積扇下部，地形基本平坦，建設用地現狀為已拆除完畢的空地，且建設用地已開展過文物勘查工作，分布有文物勘查探坑，場地中間部分表層1.5m 深度范圍內的房渣土、素填土已基本被清除，形成了中間低四周高的地形。工程現場場地為空地，地勢總體較為平坦。

將擬建場地現狀地面以下50m 深度范圍內的地層，按其成因年代劃分為人工堆積層、第四紀沉積層二大類，并按地層巖性及其物理力學指標劃分為9 個大層及亞層，具體參數見表2。

土層參數 表2

3.2.2 地下水條件

本項目場地勘探鉆孔實測到4 層地下水，地下水類型包括潛水、層間水和承壓水。據勘察成果，擬建場區自1955 年以來最高地下水位接近自然地面。近3～5 年最高地下水位標高約為29.10m（場區地勢低洼處接近自然地面）。

3.3 基坑支護設計

本文主要對1-1 支護段分析，主要模擬對基底土體回彈進行分析。其支護形式采用護坡樁與錨桿支護體系。護坡樁樁徑為800mm，樁長19m；錨桿設置三道，每道長度分別為28m、29m、28m。具體開挖工序見表3。

工況信息表 表3

4 數值計算

4.1 計算模型

基坑的開挖主要通過FLAC 3D 中的“null”單元實現，灌注樁的施工和錨桿的嵌入則主要通過“pile”和“cable”語句實現，基坑開挖之前首先要使土體在重力作用下固結，然后進行后續的開挖工作。

根據建立的數值計算基坑模型，選取數值計算基坑模型為實際基坑尺寸的1/4。應用FLAC 3D 軟件建立模型，基坑平面尺寸為40m×20m，計算域為100m×50m×70m 的三維有限元計算模型，按基坑開挖深度分為5.3m、9.8m、13.3m、15.8m共4種工況開挖。整個計算模型網格劃分如圖2 所示。模型四周邊界僅約束法向位移，底部采用固定約束，地表面、建筑物上表面設定為自由邊界。

圖2 三維計算模型網格劃分圖

支護結構主要有灌注樁和錨桿，灌注樁的直徑為800mm，嵌入深度為5.2m，采用C30 混凝土，樁間距為1.6m。錨桿為預應力錨桿，水平間距為1.6m，長度為28m，傾角為15°。支護結構布置如圖3所示。

圖3 支護結構布置圖

4.2 數值模擬結果

基坑開挖至5.3m 時，坑底回彈值為6.05mm（圖4）。

圖4 開挖至5.3m基坑豎向位移圖

基坑開挖至9.8m 時，坑底回彈值為11.00mm（圖5），比基坑開挖至5.3m 的回彈值增加81.8%。

圖5 開挖至9.8m基坑豎向位移圖

基坑開挖至13.3m 時，坑底回彈值為14.97mm（圖6），比基坑開挖至9.8m的回彈值增加36.1%。

圖6 開挖至13.3m基坑豎向位移圖

基坑開挖至15.8m 時，坑底回彈值為17.72mm（圖7），比基坑開挖至13.3m 的回彈值增加18.4%。隨著基坑開挖深度的增加，回彈值增幅逐漸減小。

圖7 開挖至15.8m基坑豎向位移圖

其中錨桿支護不影響坑底回彈變形，只對基坑側壁變形產生影響，在此忽略不計。此外，開挖至坑底-15.8m 處，基坑周圍地表變形仍在安全范圍以內，說明基坑整體設計符合安全標準。

施工期間，通過第三方對基坑進行監測，將現場實測值與數值計算結果進行對比，從表4 中可以看出，數值計算結果由于未考慮排水固結的狀態，導致其結果偏大。

數據對比表 表4

4.3 結果分析

本文分別對坑底的長向和對角線方向劃分切面，對比分析了每個切面在不同坑底深度下土體的回彈變形情況。從圖8 可以看出，沿基坑走向上，中心附近位置的回彈量大于靠近支護結構附近的回彈量。這是因為當基坑開挖時，坑內土體在豎向和水平向均要發生卸荷，故在豎直方向和水平方向均要發生卸荷回彈變形?？拷ёo結構的土體由于受到摩擦作用，因此約束了土體的部分回彈變形，越靠近中心位置受到支護結構的約束越弱，豎向回彈量越大，離支護結構越近，受到的約束越強，豎向回彈量越小。

圖8 坑底沿長方向回彈曲線

從圖9 可以明顯地看出坑角效應的影響，近基坑中心的回彈量遠大于近坑角處的回彈量。

圖9 坑底沿對角線方向回彈曲線

5 結論

本文主要利用FLAC3D 有限差分軟件對基坑開挖回彈變形，進行建模并分析結果。從以上結果中可以看出：

①應用摩爾庫倫模型時，數值模型模擬結果比實際監測結果大，主要原因可能是未考慮降水作用，但整體差異值不大，說明模擬結果較為合理；

②坑底變形主要以遠離支護結構的坑中心位置回彈量較大，越往四周回彈量越小，且考慮到坑角效應的影響，四周坑角位置回彈量亦較低；

③隨著開挖深度的增加，回彈值的增幅從81.8%減小到18.4%，回彈值趨于穩定；

④由于施工現場土質以軟弱土為主，且地下水位較高，所以在實際施工中需要考慮基坑開挖導致的坑底回彈變形。因此，在現場施工時要預先降水固結，禁止超挖，及時支護。