某泵站基坑分層開挖全過程土體變形分析

丁立訓

（東營市水利灌溉服務中心，山東 東營 257091）

1 引言

隨著城市的快速發展，土地資源越來越昂貴，如何在提高土地資源利用率的同時兼顧工程成本是亟須解決的問題。鑒于此，設計師和工程建設者們將眼光轉向地下空間，由此，便引出了基坑工程問題。王龍等通過分析得出，增加圍護樁插入比對減小基坑坑底隆起作用不大。張敬弦等提出了一種基坑豎向彈性地基梁計算模型。李哲等依托實際工程，分析了地下連續墻支護基坑施工全過程變形特性。路林海等提出了一種減少基坑開挖變形的施工方案。索文斌等提出了一種基坑數值模擬方法。樓春暉等提出基坑邊角可限制支護結構變形。施有志等得出靠基坑越近建筑物受開挖影響越大。基坑模擬中，現有模擬方法僅考慮了土體強度折減，這與現場實際不符，基于此，程雪松等提出了土體和圍護結構強度同時折減的計算方法，研究結果顯示，考慮圍護結構強度折減是必要的，如若不考慮，則會高估基底抗隆起穩定安全水平。肖敬宇等基于實際基坑沉降觀測數據，運用基于對數變換的優化灰色模型分析了基坑的沉降變化規律。分析結果表明，改進后的分析方法精度高，具有較高應用價值。鑒于基坑工程中變形觀測和預測的重要性，文章嘗試通過數值模擬對采用限制開挖深度分層開挖的未支護基坑施工過程中的變形提供一些借鑒和參考。

2 工程簡介

山東某泵站基坑開挖，開挖深度4 m，寬度10 m，由于基坑開挖工期不影響工程工期，基坑施工過程中未采取任何支護措施。為較少工程成本、防止開挖過快導致變形過大而引起基坑坍塌和地表過大沉降，擬采用限制開挖深度的方法逐層開挖。分層開挖方案為：1 m，1 m，1 m，1 m。現場長期觀測和室內檢測數據結果顯示，基坑穩定水位埋深為1.30～2.70 m，場地地下水不具有腐蝕性。

3 數值模型

為了更準確地分析開挖過程中地面沉降的變化規律，取全斷面予以分析，同時視為平面應變問題。基坑模型開挖深度為4 m，寬度10 m。為消除邊界影響，模型邊界寬度取20 m，深度8 m。土層計算參數見表1。當繼續增加邊界寬度，經試算基坑的位移和受力沒有發生變化，可認為基坑的邊界選擇是滿足工程要求的。

表1 土層參數表

施工荷載作用在距基坑2 m 以外，左右兩側均按2 kN/m2計。地下水位取為2 m。數值模型邊界變形條件為：模型左、右兩側水平方向位移為零，允許發生豎向變形，底部為固定邊界（不允許發生變形）。分層開挖方案為：1 m，1 m，1 m，1 m。有限元模型如圖1 所示。選擇分層開挖的目的是研究不進行支護條件下，基坑的位移變化情況。因基坑僅開挖4 m，且分四層進行開挖，從工程經驗分析，基坑不會發生坍塌的風險。

圖1 有限元模型示意圖

4 數值模擬分析

4.1 基坑分層開挖土體總體變形分析

隨著基坑的分層開挖，緊靠基坑兩側總體位移分別為1.80、5.90、11、20 mm；基坑坑底（4 m處）總體位移分別為0.80、1.50、4、6 mm。隨著開挖深度增加，緊靠基坑兩側和坑底總體位移不斷增大，且緊靠基坑兩側總體位移影響范圍不斷增大。因此，基坑開挖過程中要加強基坑周圍環境的監測。然而以上的位移均遠小于20 mm，可認為基坑的總體變形是控制在工程允許的范圍內，不會對工程造成安全隱患。

4.2 基坑分層開挖土體豎向變形分析

隨著基坑的分層開挖，緊靠基坑兩側豎向位移分別為1.60、1、-3、-6 mm；基坑坑底豎向位移分別為1.0、2、2.50、3 mm。隨著開挖深度增加，緊靠基坑兩側豎向位移由正值（隆起）轉變為負值（沉降），且前后數值變化較大，表明隨著基坑開挖深度的增加，基坑土體對周圍土體的約束作用不斷釋放，基坑周圍土體不斷恢復到最初的固結狀態；在基坑土體開挖過程中，坑壁周圍土體的沉降變形主要集中在坑壁附近較小區域，且以基坑為中心呈對稱分布。地面上距離坑壁越遠，土體變形（隆起或沉降）數值越小，即基坑開挖過程中，距離基坑越遠的部位受基坑開挖影響越小。隨著基坑的不斷開挖，基坑坑底豎向位移一直保持為正值（表現為隆起）且不斷增大，說明基坑開挖過程中，基坑坑底存在持續隆起的趨勢，這是基坑土體開挖導致坑底土體附加應力減小，從而土體出現回彈的緣故。鑒于基坑開挖過程中，坑底存在持續隆起的趨勢，實際基坑開挖施工過程中，應控制開挖速率和單次開挖厚度，避免過快開挖對坑底土體產生不利影響。

4.3 基坑分層開挖土體水平向變形分析

基坑分層開挖過程中，基坑兩側附近水平向位移依次為0.70、4、12、16 mm；坑底水平向位移依次為0.10、0.60、2、4 mm。基坑兩側附近和坑底水平向位移隨著開挖深度增加不斷增大且坑壁周圍土體存在水平應力集中現象，且呈對稱分布，同時遠離開挖區域的土體受擾動較小。

同一部位的變形（豎向和水平）分析可知，基坑開挖過程中，監測重點應為坑壁水平位移和坑底隆起。同樣，以上的水平位移均遠小于20 mm，可認為基坑的水平變形是控制在工程允許的范圍內，不會對工程造成安全隱患。

5 結論

基坑兩側附近及坑底總體位移隨著開挖深度增加不斷增大。靠近基坑兩側豎向位移由正值（隆起）轉變為負值（沉降），且前后數值變化較大。基坑兩側附近和坑底水平向位移隨著開挖深度增加不斷增大。緊靠基坑兩側豎向位移（表現為沉降）及基坑坑底豎向位移（表現為隆起）均隨著開挖深度增加不斷增大。因此，對于未加支護的基坑，開挖過程中要重視對分層開挖厚度及開挖速率的控制，同時應加強對基坑周圍環境的監測，其重點應為坑壁水平位移和坑底隆起。