基坑開挖對地表變形影響研究

王真真

（菏澤市河湖流域工程管理服務(wù)中心，山東 菏澤 274000）

1 引言

隨著我國基礎(chǔ)工程建設(shè)的快速發(fā)展，基坑工程規(guī)模越來越大，深度越來越深。既有研究表明，基坑開挖往往會對周圍環(huán)境造成明顯的擾動，導(dǎo)致基坑變形失穩(wěn)以及周圍地表和其他建筑物開裂等工程問題。考慮到基坑工程對于基礎(chǔ)建設(shè)的重要性，因此基坑開挖的相關(guān)研究顯得尤為必要。尤其是關(guān)于基坑開挖對地表及周圍建筑變形影響的研究極為關(guān)鍵。

楊義皊[1］基于數(shù)值模擬研究了高鐵深基坑開挖對坑外變形影響規(guī)律。結(jié)果表明，支護結(jié)構(gòu)的變形隨開挖深度的增大而增大。此外，隔離樁對隔斷基坑外土體位移具有顯著的控制作用。趙平和王占棋[2］基于有限元數(shù)值模擬研究了深基坑開挖引起臨近深層土體水平變形規(guī)律。結(jié)果表明，土地變形隨基坑開挖深度增大而增大，且水平位移呈弓形分布。基坑的長邊位移最大，短邊最小。楊坡等[3］建立基坑開挖的數(shù)值模型，研究了基坑開挖對既有地鐵隧道變形的影響。結(jié)果表明，引起隧道變形的主要因素是基坑的豎向卸荷作用。范育雷[4］基于有限元研究了基坑開挖變形規(guī)律。結(jié)果表明，在6次開挖過程中最后一次開挖所產(chǎn)生的內(nèi)支撐變形最大。宋效忠[5］基于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了深基坑開挖中的圍護結(jié)構(gòu)變形規(guī)律。結(jié)果表明，圍護結(jié)構(gòu)的變形與基坑開挖深度成正比，且變形表現(xiàn)出兩端小中間大的趨勢。涂芬[6］基于三維數(shù)值模型，研究了深基坑開挖對鄰近既有建筑變形的影響。結(jié)果表明，基坑開挖過程中，淺基礎(chǔ)受影響最大，基坑開挖過程中應(yīng)重點關(guān)注周圍淺基礎(chǔ)建筑群。劉芳等[7］基于三維有限元模型，研究了軟土深基坑樁撐支護選型問題。結(jié)果表明，隨著基坑開挖深度的增大，支護樁水平位移曲線呈“鼓肚狀”型分布，周邊地表沉降曲線呈現(xiàn)“勺狀”型分布。

本文基于三維數(shù)值模擬，建立基坑開挖模型，研究了深基坑開挖對臨近地表變形影響。本文的研究對于相似工程的施工及設(shè)計具有指導(dǎo)意義。

2 工程概況

項目為大型深基坑工程。基坑長寬深分別為60 m×40 m×12 m（圖1）。支護結(jié)構(gòu)主要有0.8 m 地下連續(xù)墻和3 道混凝土內(nèi)支撐構(gòu)成。其中地連墻厚度為0.8 m，高度為18 m；內(nèi)支撐在距地表分別為2 m、6 m 和9 m 位置布設(shè)，內(nèi)支撐為直徑0.8 m 的。基坑實際開挖過程中主要分4 步。根據(jù)鉆孔資料，區(qū)域巖層由上到下分別為：雜填土、全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖和強風(fēng)化-中等分化泥質(zhì)砂巖。各層厚度分別為6 m、6 m 和47 m。計算中假定地連墻為各向同性的均勻材料，并滿足線彈性本構(gòu)模型，對應(yīng)的彈性模量28 GPa，泊松比0.21，重度取26 kN／m3。

圖1 基坑平面及測點布置圖

3 數(shù)值模擬

3.1 模型建立

采用MIDAS／GTS 建立典型三維數(shù)值計算模型。模型的邊界條件為：固定底面三個方向的位移，模型四周為固定水平位移，頂部為開挖自由邊界。巖土體采用3D 單元，地下連續(xù)墻采用2D 板體單元，支撐采用一維單元。模型網(wǎng)格數(shù)為182000，節(jié)點數(shù)為190000。數(shù)值模型及各土層厚度見圖2。

圖2 基坑典型斷面圖

3.2 材料參數(shù)

計算中采用的巖土體材料參數(shù)主要基于鉆孔取樣的室內(nèi)土工試驗和參考既有相關(guān)研究獲得，最終使用的材料參數(shù)匯總見表1。其中巖土體采用摩爾-庫倫理想彈塑性本構(gòu)模型，且土體連續(xù)均勻；地下連續(xù)墻和支撐為各向同性彈性體；不考慮地下水的影響。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

3.3 計算工況及監(jiān)測方案

為了真實再現(xiàn)基坑開挖對地表變形的影響，本文數(shù)值模擬施工工況與實際開挖情況完全相同，模擬共6 步：第一步為地應(yīng)力平衡；第二步為地下連續(xù)墻施工；第三步為基坑開挖1 m，施加第一道支撐；第四步為基坑開挖2 m，施加第二道支撐；第五步為基坑開挖3 m，施加第三道支撐；第六步為基坑開挖4 m，施加第四道支撐。

現(xiàn)場監(jiān)測主要考慮基坑長邊、短邊和坑角位置處。分別在長邊中心點（1#監(jiān)測點）、短邊中心點（1#監(jiān)測點）和坑角（3#監(jiān)測點）布置豎向沉降監(jiān)測計。監(jiān)測點每隔2 m 布置一個，共42 個監(jiān)測點。監(jiān)測自基坑開挖開始實施。

4 計算結(jié)果與分析

4.1 數(shù)值計算與監(jiān)測對比

為驗證本文數(shù)值模擬的合理性，本文首先采用數(shù)值模擬計算了當(dāng)?shù)叵逻B續(xù)墻厚度為0.8 m 工況下的地表變形規(guī)律并與現(xiàn)場三個監(jiān)測點的監(jiān)測結(jié)果進行對比分析見圖3。結(jié)果表明，數(shù)值模擬結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果基本一致。數(shù)值模擬和實測結(jié)果相對誤差在15%以內(nèi)，證明本文數(shù)值模擬具有較好的可靠性。實測結(jié)果與數(shù)值模擬都表現(xiàn)出隨基坑開挖深度的增大而先增大后減小的趨勢。此外，豎向位移最大值均出現(xiàn)在距墻后6 m 位置處，即基坑開挖的影響范圍為2 倍基坑開挖深度。3 個監(jiān)測點的豎向位移最大值為24 mm、15 mm 和8 mm。其中長邊中心沉降最大，短邊中心沉降次之，坑角位移沉降最小，這也表明，地表沉降具有較強的空間效應(yīng)。

圖3 開挖完時模擬與監(jiān)測對比圖

4.2 土體強度參數(shù)對地表沉降的影響

為了進一步研究土體抗剪強度對地表變形的影響。圖4匯總得到采用數(shù)值模擬計算得到的不同內(nèi)聚力對地表變形的影響數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，在其他條件不變的情況下，當(dāng)初始內(nèi)聚力為24 kPa 時，隨著內(nèi)聚力的增大，地表變形不斷減小。由此可見，土體強度參數(shù)對地表變形影響較大。當(dāng)土體的強度提高時，對于土體的穩(wěn)定性有很大的提高。但隨著土體強度的進一步提高，對地表變形的影響越來越小。當(dāng)內(nèi)聚力提高至15%時，對地表變形影響趨于平緩。圖5 采用數(shù)值模擬計算得到內(nèi)摩擦角對地表變形的影響。總體而言，內(nèi)摩擦角對地表變形的影響與內(nèi)聚力對地表變形的影響趨勢基本相同，本文不在贅述。

圖4 豎向位移與內(nèi)聚力的關(guān)系

圖5 豎向位移與內(nèi)摩擦角的關(guān)系

4.3 地下連續(xù)墻參數(shù)對地表沉降的影響

為進一步研究圍護結(jié)構(gòu)尺寸對地表變形的影響。采用數(shù)值模擬計算了不同地下連續(xù)墻厚度和嵌固段深度對地表變形的影響。地連墻厚0.8 m，嵌固段深度為1.2 m。圖6 和圖7 表明，適當(dāng)提高地連墻的厚度和嵌固段深度對于減小地表沉降有積極的作用。這是因為，當(dāng)圍護結(jié)構(gòu)尺寸增大時，可以增大結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度，從而有效減小地表變形。當(dāng)?shù)叵逻B續(xù)墻由初始的0.8 m 增大至1.0 m 時，地表變形由25 mm 減小至15 mm。同理，當(dāng)?shù)叵逻B續(xù)墻嵌固段深度增加也表現(xiàn)出相同的變化趨勢。但當(dāng)?shù)叵逻B續(xù)墻嵌固段深度由原始1.2 m 增大至1.44 m時，地表變形由24.6 mm 減小至19.5 mm。根據(jù)以上分析可知，實際工程中應(yīng)適當(dāng)增大二者的值，以減小對地表變形的影響。

圖6 地下連續(xù)墻厚度與地表變形的關(guān)系

圖7 地下連續(xù)墻嵌固段深度與地表變形的關(guān)系

5 結(jié)論

本文基于數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，研究了基坑開挖過程中，土體的抗剪強度參數(shù)和支護結(jié)構(gòu)尺寸對地表變形的影響，得到如下幾點結(jié)論：

（1）數(shù)值模擬與實測數(shù)據(jù)對比結(jié)果趨勢一致，證明本文模擬的可靠性。基坑周邊地表沉降隨距基坑距離增大而先增大后減小。變形最大的位置發(fā)生在0.5 倍基坑深度處，基坑開挖的影響范圍為2 倍基坑開挖深度。

（2）當(dāng)土體的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角提高時，地表沉降越來越小。但隨著土體強度的進一步提高，對地表變形的影響越來越小。當(dāng)內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角提高至15%時，對地表變形影響非常小。

（3）適當(dāng)提高地連墻的厚度和嵌固段深度對于減小地表沉降有積極的作用。當(dāng)圍護結(jié)構(gòu)尺寸增大時，可以增大結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度。從而有效減小地表變形。當(dāng)?shù)叵逻B續(xù)墻由0.8 m 增大至1 m 時，地表變形由25 mm 減小至15 mm。實際工程中應(yīng)適當(dāng)增大二者的值，以減小基坑開挖對地表變形的影響。