軟土地區不同支護方案基坑變形規律研究

吳開元 段 穎 楊 科

（山東匯友市政園林集團有限公司，山東 濟南 250000）

0 引言

基坑開挖過程中，由于開挖造成土體原有應力狀態發生改變，應力重分布過程中導致土體結構發生變形，主要表現為基坑周邊土體沉降、圍護結構水平位移以及坑底隆起等3種變形形式。為保證基坑施工安全，選擇合適的支護方案十分重要，因此研究基坑支護方案的支護效果是有必要的。以縱支八路橋涵基坑為工程背景，通過數值模擬的方法，對3種支護方案下基坑結構變形和土體變形進行分析，并結合現場監測結果總結基坑變形規律。

1 工程概況

縱支八路位西起空天花園橫一路，東至房晨路，道路全長4.5km，規劃為城市快速路，道路紅線寬100m，雙向十二車道，其中橋涵長1568m。場地地勘報告如下：

（1）第四系全新統人工堆積：素填土，海積淤泥質黏土，沖洪積淤泥質黏土、細砂、中砂，第四系上更新統淤泥質黏土、粉質黏土、細砂、粗砂、礫砂、圓礫，花崗巖殘積礫質黏性土；

（2）第四系全新統沖積層：粉土，粉質黏土，含有機質黏土；

（3）第四系全新統沖洪積層：粉質黏土，粉土，粉質黏土，細沙；

（4）第四系更新統沖洪積層：粉質黏土，淺棕黃色，可塑，局部硬塑，含鐵錳氧化物，少量姜石，局部黏性含量較高為黏土，該層僅在兩座橋梁附近揭示。

2 基坑監測點布置

在施工過程中地表建筑物的下沉、傾斜、開裂可以判斷建筑物的安全性，并可判斷支護措施的強度、剛度、穩定性[1]，因此對基坑和周邊建筑的變形進行監測。基坑周邊沉降利用精密水準儀監測，在基坑周邊布置測點，通過觀測測點數值來判斷周邊地表建筑物的下沉量及傾斜情況，并根據實際情況采取相應的糾偏加固措施。水平位移通過高精度激光測量儀進行觀測，根據基坑大小、深度、周圍建筑物管線分布情況及結構類型與荷載分布綜合確定測點。

建筑物的測點應先在堅實基礎上鉆眼，將沉降觀測釘置于特定位置，做好標記，之后用與原建筑材料同配比水泥漿或水泥砂漿填實，位置選取一般在通視較好的位置，便于觀測，并做好測點保護工作。基坑測點在基坑開挖前布置，位置選取在紅線范圍外、靠近基坑選取不同距離設置[2]。因支護結構方式不同，圍護結構水平位移監測點埋設方法也有所不同。放坡開挖與噴錨支護的支護結構采用土體鉆孔的方法埋設測斜管；鋼板樁支護在樁頂用沖擊鉆打孔，將水準釘埋設到指定位置處；沉降監測點可以將水準釘澆筑在指定位置。

測點的布置應滿足在能反映結構變形的基礎上，做到測點少而精，做到精簡成本、便于監測記錄，減少布點對基坑和周邊建筑物的影響。根據以上原則，基坑測點布置如圖1所示。

圖1 基坑測點布置示意

3 基坑變形數值模擬

3.1 模型建立

利用ABAQUSER 軟件建立基坑模型進行變形分析[3]，對橋涵基坑3種支護工況分別建模，分析不同圍護結構下基坑變形規律。建立模型的水平方向為X方向，豎直方向為Y方向。綜合考慮基坑變形影響范圍，X方向取150m，Y方向取原地面標高以下100m。模型的左右側邊界處施加X向位移約束，坑底邊界施加X、Y雙向約束，忽略其余因素，認為基坑為對稱結構[4]。同時考慮施工便道、坑邊堆載及動載對基坑穩定性影響，施加20kPa的坑邊超載。采用三角形十五節點單元進行模型劃分，模型及網格劃分如圖2所示，計算模型共劃分為1266個單元，9618個節點。

圖2 計算模型及網格劃分

3.2 基坑變形計算結果分析

放坡明挖無任何支護條件下，基坑周邊沉降及坑底隆起計算結果云圖如圖3所示。

圖3 無支護條件下基坑周邊沉降及坑底隆起云圖

由圖3可以看出，基坑在無任何支護措施時，無論地表沉降還是坑底隆起，變形數值都比較大，尤其是坑底隆起，最大值已經接近120mm。還可以看出，土體開挖過程中，基坑開挖土體后土體應力發生改變，由于基坑周邊土體應力得到釋放，土體向基坑開挖側方向移動，呈現基坑周邊地表沉降，越遠離基坑，地表沉降越小的規律[5]。

根據數值計算結果，不同工況下地表沉降及坑底隆起如圖4所示，各工況坑底隆起極值及位置見表1所示，各工況沉降極值及位置見表2所示。

表1 各工況坑底隆起極值及位置

表2 各工況沉降極值及位置

圖4 不同工況地表沉降及坑底隆起曲線

由圖4、表1、表2可以看出，與坑壁距離越遠，地表沉降越小，最后無限接近于0，說明基坑開挖對周圍建筑物及管線的影響是有限的。在滿足安全的條件下，基坑開挖對地表的影響范圍區間為距離坑壁[6]（0，100m）。3種工況中，鋼板樁支護條件下，地表沉降最大值約為23.941mm，距離坑壁越遠，沉降差越小[7]；放坡開挖錨噴支護條件下最大沉降差達到32.695mm；放坡開挖無支護條件下地表沉降最大，其極值達到36.043mm。坑底隆起總體趨勢呈波浪型曲線分布，這是由于本地區地下水位高，土層中含有磐石，建模時對有磐石區域單元施加約束，因此坑底隆起模擬結果呈現波浪形。鋼板樁支護條件下，坑底隆起最大值為30.84mm，最小值接近1.02mm；放坡開挖錨噴支護條件下，坑底隆起最大、最小值分別為67.54mm，2.17mm；放坡開挖無支護條件下，坑底隆起最大，極值分別為120mm，3.28mm。

4 模擬結果與監測結果對比

由于監測點較多，選取具有代表性的模擬與監測數據，不同工況下數值模擬結果與現場監測結果對比如圖5所示。

由圖5可知，模擬結果整體要比監測數據大，但差距不大，說明模擬結果有一定的安全儲備[8]，且整體趨勢和實際工程中較吻合，證明了模型的可靠性。隨著基坑的開挖，隆起量越來越大；鋼板樁支護條件下，基坑開挖時坑底隆起值最大在2.2mm左右，在1～2mm居多；錨噴支護條件下，隨著開挖的進行，隆起值逐漸增大，最大值在8mm左右，并且隨著開挖的進行，隆起起伏也增大。無支護開挖時，距坑壁10～15m的位置坑底隆起起伏最大。5結束語采用數值模擬與現場監測結合的手段，對縱支八路橋涵基坑3種支護條件下基坑開挖引起的變形規律進行分析研究，得出以下結論：

（1）根據數值模擬計算結果，無論基坑周邊沉降值還是坑底隆起值，均是無支護時最大，錨噴支護條件下次之，鋼板樁支護條件下最小。

（2）基坑周邊沉降隨著基坑開挖土體卸荷逐漸增大，最后趨于穩定[9]；隨著距離基坑坑壁越遠，基坑開挖對周邊土體的影響越小，最后趨向于0。

（3）無論哪種支護方案，橋涵基坑變形規律存在時效性：根據監測結果，各測點的沉降及隆起速率隨著開挖暴露的時間越長而逐漸增大，最后趨于穩定。距離坑壁越遠，沉降值越小[10]，基坑開挖對基坑周邊影響距離約為100m。

（4）從現場監測數據與模擬值對比可以看出，不同支護方式下基坑變形規律有所不同，在土質不好的前提下，優先選用鋼板樁支護，此時基坑變形最小，最穩定，施工最安全。

以上結論對以后軟土地區基坑施工中選擇支護方式、控制結構變形有一定指導意義，可為類似工程地質條件下的基坑支護提供技術指導。