基坑開挖對周圍巖土體豎向位移影響的數(shù)值模擬研究

呂晶晶，呂恒恒，侯付闖

(1.北京錦輝合眾樓宇科技有限公司 西安分公司，西安 710000； 2.陜西良泰能源科技有限公司，西安 710000； 3.陜西中凱恒瑞工程項(xiàng)目管理有限公司，西安 710000)

1 概 述

基坑工程因其能夠大量利用地下空間而被廣泛應(yīng)用，學(xué)者們對此進(jìn)行了大量的研究。閆兵兵[1]對深基坑的施工進(jìn)行了詳細(xì)的研究和討論，認(rèn)為對深基坑周圍巖土體的勘察是基坑施工的重點(diǎn)，對深基坑的勘察須加以重視。張柏滔等[2]針對青藏鐵路基坑的施工，研發(fā)了接觸網(wǎng)基坑挖掘裝備，該裝備能夠保證基坑在復(fù)雜地質(zhì)條件下正常被開挖。吳林河[3]對深基坑開挖對地鐵運(yùn)營安全進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明基坑的支護(hù)是保證基坑安全性的重要因素。韋康等[4]研究了圍護(hù)樁插入比和見巖面深度對基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，研究結(jié)果表明若見巖面深度較淺的樁撐式深基坑工程，可采取降低圍護(hù)樁插入比的方法來控制施工成本。何鳳等[5]對基坑開挖進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，研究結(jié)果表明不同開挖深度下，基坑周圍巖土體的豎向位移、水平位移及內(nèi)力變化規(guī)律一致。楊勇波[6]對深基坑支護(hù)施工方法進(jìn)行了分析和總結(jié)，可為類似的基坑工程提供參考。楊冠宇等[7]將遺傳算法與數(shù)值模擬相結(jié)合，提出了基坑二維數(shù)值計(jì)算模型，并通過對計(jì)算結(jié)果和實(shí)測值的對比說明其計(jì)算模型是可靠的。劉賽[8]將BIM技術(shù)應(yīng)用于超高層建筑深基坑施工中，通過應(yīng)用BIM技術(shù)可提升超高層建筑深基坑的施工質(zhì)量。凌壯志[9]通過在某深基坑工程布置靜力水準(zhǔn)儀監(jiān)測系統(tǒng)與視覺監(jiān)測設(shè)備，并對該基坑周圍土體進(jìn)行沉降監(jiān)測，通過實(shí)踐可知該方法可有效監(jiān)測基坑周圍巖土體的位移。林立華[10]研究了深基坑開挖對既有隧道的受力和位移的影響，結(jié)果表明基坑卸荷率與隧道隆起量之間近似呈線性關(guān)系。

以上研究均未分析每次基坑開挖對基坑周圍巖土體豎向位移的影響，而該位移的影響可間接反映基坑開挖和排水的效果。因此，本文結(jié)合實(shí)際基坑開挖工程，利用MIDAS GTS軟件還原基坑開挖的全過程，并對基坑周圍巖土體的位移進(jìn)行分析，以評估基坑開挖和排水的效果。

2 工程概況

該基坑工程位于陜西省西安市，見圖1。基坑開挖為30 m×20 m(長度×深度)，選擇的研究區(qū)域?yàn)?00 m×100 m(長度×深度)，地下水在地面以下10 m處，從地面往下依次為風(fēng)化土、風(fēng)化巖和硬巖，巖土體的物理力學(xué)參考見表1。

圖1 基坑平面圖(單位：m)

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

3 數(shù)值模擬

3.1 模型的建立

選擇的研究區(qū)域長度是基坑長度約7倍，深度為基坑深度的5倍，該邊界條件通過試算可行。基坑共開挖5次，每次開挖的深度為4 m，每次開挖完成后立即對基坑進(jìn)行支護(hù)。選擇MIDAS GTS對基坑進(jìn)行數(shù)值模擬分析，數(shù)值模擬共計(jì)6 192個(gè)單元、5 940個(gè)節(jié)點(diǎn)，數(shù)值模擬計(jì)算至基坑平衡時(shí)結(jié)束。

3.2 豎向位移

為控制基坑開挖對周圍巖土體位移的影響，選擇分5次進(jìn)行開挖，每次開挖后的位移云圖見圖2-圖6。

圖2 第一次開挖后的豎向位移(單位：m)

圖3 第二次開挖后的豎向位移(單位：m)

圖4 第三次開挖后的豎向位移(單位：m)

圖5 第四次開挖后的豎向位移(單位：m)

圖6 第五次開挖后的豎向位移(單位：m)

第一次開挖4 m，深度雖只有4 m，但因?yàn)橐糇銐虻拈_挖面，因此開挖寬度較剩余4次要大。第一次開挖后隨即對基坑進(jìn)行支護(hù)，待支護(hù)完成后周圍巖土體沉降穩(wěn)定時(shí)，對基坑進(jìn)行沉降位移分析，見圖2。由圖2可知，基坑最大豎向位移為1 mm，這個(gè)區(qū)域僅占研究區(qū)巖土體的0.1%，因此幾乎可以忽略此位移的影響；基坑的豎向位移主要集中于基坑左右4 m處，沉降約為0.3 mm，此區(qū)域不超過8%，84.1%的巖土體幾乎不發(fā)生豎向位移變化，說明基坑的第一次開挖是成功的，此次開挖不會(huì)對周圍巖土體的位移造成不良影響。

第二次開挖4 m，深度為4 m，因?yàn)榈谝淮伍_挖已留足施工空間，因此第二次開挖范圍明顯較第一次小。第二次開挖后隨即對基坑進(jìn)行了支護(hù)，待支護(hù)完成后周圍巖土體沉降穩(wěn)定時(shí)，對基坑進(jìn)行沉降位移分析，見圖3。由圖3可知，基坑最大豎向位移為1.8 mm，這個(gè)區(qū)域僅占研究區(qū)巖土體的0.2%，同樣可認(rèn)為不必考慮此位移的影響；基坑的豎向位移主要集中于基坑左右4 m處，沉降約為1.3 mm，此區(qū)域不超過2%，因?yàn)闆]有超過2 mm，可認(rèn)為此沉降不會(huì)對周圍巖土體的位移造成不良影響；不超過1 mm的巖土體約占6%，此影響也可忽略，77.9%的巖土體幾乎不發(fā)生豎向位移變化，說明基坑的第二次開挖是成功的，此次開挖不會(huì)對周圍巖土體的位移造成不良影響。

第三次開挖4 m，深度嚴(yán)格控制在4 m。第三次開挖后隨即對基坑進(jìn)行支護(hù)，待支護(hù)完成后周圍巖土體沉降穩(wěn)定時(shí)，對基坑進(jìn)行沉降位移分析，見圖4。由圖4可知，基坑最大豎向位移為1.9 mm，這個(gè)區(qū)域僅占研究區(qū)巖土體的0.2%，幾乎可以忽略此位移的影響；基坑的豎向位移主要集中于基坑左右4 m處，沉降約為1.6 mm，此區(qū)域不超過4%，不超過1.2 mm的巖土體約占5%，此影響也可忽略，71.5%的巖土體幾乎不發(fā)生豎向位移變化，說明基坑的第三次開挖是成功的，此次開挖不會(huì)對周圍巖土體的位移造成不良影響。

第四次開挖4 m，深度嚴(yán)格控制在4 m。第四次開挖后發(fā)現(xiàn)了地下水，此地下水所處位置與勘察結(jié)果一致，結(jié)合設(shè)計(jì)方案隨即對基坑進(jìn)行支護(hù)，待支護(hù)完成后周圍巖土體沉降穩(wěn)定時(shí)，對基坑進(jìn)行豎向位移分析，見圖5。由圖5可知，基坑最大豎向位移為8.8 mm，這個(gè)區(qū)域僅占研究區(qū)巖土體的0.7%，幾乎可以忽略此位移的影響；基坑的豎向位移主要集中于基坑左右4 m處，沉降約為6.0 mm，此區(qū)域約為31%，說明地下水確實(shí)對周圍巖土體的沉降造成了一定的影響，因?yàn)槌两挡怀^1 cm，可認(rèn)為此沉降依然不會(huì)對工程造成不良影響。不超過4 mm的巖土體約占17%，此影響也可忽略，65.1%的巖土體幾乎不發(fā)生豎向位移變化，說明基坑的第四次開挖是成功的，此次開挖不會(huì)對周圍巖土體的位移造成不良影響。

第五次開挖4 m，深度依然嚴(yán)格控制在4 m。第五次開挖后隨即對基坑進(jìn)行支護(hù)，待支護(hù)完成后周圍巖土體沉降穩(wěn)定時(shí)，對基坑進(jìn)行沉降位移分析，見圖6。由圖6可知，基坑最大豎向位移為2.8 mm，這個(gè)區(qū)域僅占研究區(qū)巖土體的0.2%，幾乎可以忽略此位移的影響；基坑的豎向位移主要集中于基坑左右4 m處，沉降約為1.7 mm，此區(qū)域不超過12%，88.9%的巖土體幾乎不發(fā)生豎向位移變化，說明基坑的第五次開挖是成功的，此次開挖不會(huì)對周圍巖土體的位移造成不良影響。

4 結(jié) 論

該基坑共進(jìn)行了5次開挖，為保證基坑開挖不對臨近結(jié)構(gòu)物的位移造成不良影響，對此進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，研究結(jié)果表明：

1) 豎向位移主要表現(xiàn)為沉降位移，并沒有出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象，一定程度上說明巖土體性質(zhì)較穩(wěn)定，另一方面說明設(shè)計(jì)和施工措施是合理的。

2) 前三次開挖后，基坑的沉降均不超過工程允許的范圍，說明前三次開挖基坑的施工是成功的。

3) 第四次開挖后，基坑周圍巖土體的沉降明顯增加，因?yàn)榇颂幱械叵滤ㄟ^井點(diǎn)排水法進(jìn)行排水，因此導(dǎo)致此次開挖基坑周圍巖土體的沉降增加，但該沉降依然控制在工程允許的范圍內(nèi)，不會(huì)對工程造成不良的影響。

4) 最后一次開挖基坑的沉降較第四次小，說明基坑的排水是成功的，基坑周圍的沉降控制在合理范圍內(nèi)，基坑的開挖均不會(huì)對基坑周圍巖土體的豎向位移造成不良影響。