欧阳雪梅

(江西省安澜工程咨询有限公司，江西 南昌 330001)

1 引言

随着国内地铁交通网的不断建设，产生了大量的地铁深基坑工程[1]。在软弱土层中进行基坑工程的开挖，会导致基坑周围的地面产生不均匀地沉降，从而导致周围的建筑物发生失稳现象[2]，严重地威胁了施工建设安全以及人民的生命财产安全[3]。为此国内外众多学者对基坑开挖过程中土层的力学变化规律开展了相应地研究。刘兴旺等[4]分析了杭州市内多个基坑工程，研究了基坑土层的变形规律与开挖深度的关系，并得出了地面的沉降量随着开挖深度的增加而增大。刘继国等[5]使用三维有限元软件，并基于摩尔库伦模型，对位于长江过江隧道某基坑开挖与支护进行了模拟分析。研究结果表明FLAC 3D 软件中的摩尔库伦能较为准确地放映土体的变形特征。俞建霖等[6]利用有限单元法分析了在软土地基中基坑开挖过程中，周围土体的变形规律以及影响周围土体变形的影响因素。其研究结果表明:在基坑工程的施工过程中，影响周围地面的沉降量的主要因素有开挖宽度、开挖深度、支护结构的强度和刚度以及地基土的性质。由上述分析可知研究基坑开挖过程中的变形规律对保障施工安全以及施工进度具有重要的工程意义[7]。

基于此，本文采用有限单元软件模拟不同开挖程度下(开挖时、开挖过程中应力调整时以及应力调整后)地层的竖向变形规律。

2 工程概况与模型的建立

2.1 工程概况

本文所依托的基坑工程的坡面图与土层的地质情况见图1，基坑的开挖深度为3 m。基坑开挖分别穿越了软黏土层、砂土层以及饱和软黏土层。其中上层粘性较小的软黏土层的厚度为1.5 m，中部砂土层的厚度为1 m，其下部饱和软黏土层开挖了0.5 m。各土层的物理力学性质见表1。

图1 基坑地层示意图

表1 土层数值计算力学参数表

2.2 基坑开挖模型的建立

本文采用三维有限元计算软件对基坑开挖过程中地层的沉降进行模拟计算，在数值模拟计算过程中，软黏土以及砂土材料可以采用摩尔库伦模型。所建立的计算模型见图2，其中土层为长×宽×高为6 m×8 m×10 m 的长方体，而基坑的尺寸为2 m×4 m，其深度为5 m。土层的计算参数按照表1进行设置。

图2 Flac 3D 计算模型图

3 数值模拟结果分析

3.1 基坑开挖过程中地层竖向位移分析

基坑工程的开挖会使得周围的土体发生不均匀的沉降，从而会对周围的建筑的稳定性以及交通运行的安全性产生较大的不良影响。而开挖作用下，应力调整时间对地面产生的沉降起着决定性的作用，因为本文研究基坑开挖时、应力调整过程中以及应力完全调整时的地层竖向位移云图。其中图3(a)与图3(b)分别为基坑开挖时(计算300 步)地层的位移云图与切片云图。

图3 基坑开挖时地层竖向位移云图(单位:m)

图3(a)为基坑开挖后地层的竖向位移云图，由图3(a)可以看出，当基坑开挖后，软件计算了500 步之后，基坑周围土体的竖向位移较小，最大竖向位移分布在9 mm～13 mm 区间内。随着距离基坑越远，土体的沉降量越小，在距离基坑边缘0.5 m 处，地面的沉降量可以忽略不计。图3(b)为基坑开挖后地层切片的竖向位移云图，由图3(b)可以看出，当计算500 步时，在这此截面最大的竖向位移为12 mm，在同一水平面上，距离基坑越近，土体的竖向变形越大。

图4(a)为基坑开挖一段时间后，未支护时土层的竖向位移云图。由图4(a)可以看出，土层的竖向位移显著增大，其竖向位移最大值为80 mm～90 mm，在距离基坑边缘1 m 出地面的沉降量达到了40 mm。图4(a)为竖向位移切片图，由图4(b)可知，在基坑顶部的竖向位移最大，其最大值为75 mm，随着深度的增加，基坑土体的竖向变形不断减小，在距离基坑底面大概 1 m 处，基坑周围土体的竖向变形仅为25 mm。由上述分析可知，当基坑开挖未支护时，若不采取相应地支护措施，基坑周围土体会产生较大的不均匀沉降，最终使得土体失稳。

图4 基坑未支护时土层竖向位移云图(单位:m)

3.2 基坑支护后地层竖向位移分析

由上述分析可知，在基坑过程开挖后若不进行及时支护，基坑周围的地面会产生较大的不均匀沉降，因此在基坑工程开挖过程中需要及时进行支护。图5 为基坑工程开挖后，及时进行钢拱架支护后土体的竖向位移云图。

图5 基坑支护后土层竖向位移云图(单位:m)

图5(a)为基坑开挖后及时进行支护后土体的竖向位移云图，由图5(a)可以看出支护后土体最大沉降量最大值为4.30 mm～7.52mm。在基坑未进行支护时，基坑最大沉降量为110.10 mm，最大沉降量发生在基坑长边的中点。在进行支护之后在基坑中点处沉降量为2.71 mm，而在距离钢拱架0.2 m处，周围地面的沉降量最大，最大值为7.52 mm。图5(b)为竖向位移切片云图，由图5(b)可知，在进行支护后，在基坑顶部的竖向位移最大，其最大竖向位移量为6.29 mm。在基坑底部的隆起值为7.02 mm。由上述分析可知，在基坑工程开挖后及时进行支护时，周围地面土体的沉降量显著减小，其沉降量对基坑土体的稳定性、周围建构筑物安全性的影响可以忽略。

4 结论

本文以某基坑项目为工程背景，利用三维有限元数值模拟软件计算了不同计算步下土体的竖向位移云图，得到了如下结论。

(1)当基坑开挖后，基坑周围土体的竖向位移较小，最大竖向位移分布在9 mm～13 mm 区间内。距离基坑越远，土体的沉降量越小，在距离基坑边缘1 m 处，地面的沉降量为0.3 mm。

(2)在基坑开挖一段时间后，土层的竖向位移显著增大，其竖向位移最大值为80 mm～90 mm;随着深度的增加，基坑土体的竖向变形不断减小，在距离基坑底面大概 1m 处，基坑周围土体的竖向变形仅为25 mm。

(3)当基坑开挖并及时支护后，土体最大沉降量最大值为4.30 mm～7.52 mm;，在基坑顶部的竖向位移最大，其最大竖向位移量为6.29 mm，在基坑底部的隆起值仅为7.02 mm。