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中心，山東 菏澤 274000）

1 引言

隨著我國基礎工程建設的快速發(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建設的重要性，因此基坑開挖的相關研究顯得尤為必要。尤其是關于基坑開挖對地表及周圍建筑變形影響的研究極為關鍵。

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。結果表明，支護結構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。結果表明，在6次開挖過程中最后一次開挖所產生的內支撐變形最大。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構變形規(guī)律。結果表明，圍護結構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。結果表明，基坑開挖過程中，淺基礎受影響最大，基坑開挖過程中應重點關注周圍淺基礎建筑群。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計具有指導意義。

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）。支護結構主要有0.8 m 地下連續(xù)墻和3 道混凝土內支撐構成。其中地連墻厚度為0.8 m，高度為18 m；內支撐在距地表分別為2 m、6 m 和9 m 位置布設，內支撐為直徑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、全風化泥質砂巖和強風化-中等分化泥質砂巖。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，并滿足線彈性本構模型，對應的彈性模量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土工試驗和參考既有相關研究獲得，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?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)測結果進行對比分析見圖3。結果表明，數(shù)值模擬結果與監(jiān)測結果基本一致。數(shù)值模擬和實測結果相對誤差在15%以內，證明本文數(shù)值模擬具有較好的可靠性。實測結果與數(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。

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聚力對地表變形的影響數(shù)據(jù)。結果表明，在其他條件不變的情況下，當初始內聚力為24 kPa 時，隨著內聚力的增大，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。當內聚力提高至15%時，對地表變形影響趨于平緩。圖5 采用數(shù)值模擬計算得到內摩擦角對地表變形的影響。總體而言，內摩擦角對地表變形的影響與內聚力對地表變形的影響趨勢基本相同，本文不在贅述。

圖4 豎向位移與內聚力的關系

圖5 豎向位移與內摩擦角的關系

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構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，當圍護結構尺寸增大時，可以增大結構的側向剛度，從而有效減小地表變形。當?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?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?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，實際工程中應適當增大二者的值，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系

圖7 地下連續(xù)墻嵌固段深度與地表變形的關系

5 結論

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)和支護結構尺寸對地表變形的影響，得到如下幾點結論：

（1）數(shù)值模擬與實測數(shù)據(jù)對比結果趨勢一致，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）當土體的內聚力和內摩擦角提高時，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。當內聚力和內摩擦角提高至15%時，對地表變形影響非常小。

（3）適當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。當圍護結構尺寸增大時，可以增大結構的側向剛度。從而有效減小地表變形。當?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。實際工程中應適當增大二者的值，以減小基坑開挖對地表變形的影響。