钮佳伟，郭 锐，谭文韬，陆 超，唐智敏，周震海，程 炯

(1. 苏州电力设计研究院有限公司， 江苏 苏州 215000；2.东南大学 土木工程学院， 江苏 南京 210096)

随着我国经济的发展和城镇化水平的提高，对电力的需求大大增加，城市电网的建设得以快速发展，电缆沟通道工程越来越多。在软土地区，由于土性差，电缆沟通道开挖后回弹隆起变形量大，可达几十厘米[1-2]，进而造成工后沉降过大，不满足工程要求。因此，研究软土地基上电缆沟通道工程的回弹变形特性很有必要。

开挖后电缆沟通道是一个基坑，目前关于软土地区基坑开挖的回弹变形问题已有一些研究成果[3-17]。贺希英[3]，董桂红等[4]以实际工程为背景，提出了研究基坑回弹的重要性。郑刚等[5-7]根据大量的理论研究和实践工程经验，总结了基坑开挖过程中土体回弹的变形机理，认为坑底土体在卸荷作用、围护结构的挤压作用、工程桩的抗隆起作用、地下水的渗流作用等影响下，会产生较大的土体回弹隆起变形。滕延京等[8]和李建民等[9]结合工程实例，在固结压缩试验数据处理方法的基础上进行合理改进，将载荷试验成果应用于基坑开挖回弹变形与再压缩沉降的计算，并验证了该种方法的有效性。Lambe等[10-11]提出应力路径法适用于室内土工试验和现场勘测试验，之后国内外许多学者利用此方法定性研究坑底土体在卸荷后的应力状态，通过大量三轴试验等方式研究各种土体的回弹变形规律。师晓权等[12]重点研究了回弹模量、基坑开挖空间和时间效应对坑底回弹变形的影响，发现相同的开挖时间深度等条件下，坑底回弹变形量随开挖宽度的增加而增长，但当基坑开挖达到一定宽度后，回弹变形量不再增长，提出施工过程中应该尽量减少基坑开挖时间和开挖完成后基坑暴露时间。吴昌将等[13]以上海软土地区两个典型类似的深大基坑为工程背景，通过现场实测数据的分析，研究基坑采用顺作法两墙合一地下连续墙基坑的变形性状以及对坑外建筑的影响。刘国彬等[14]指出基坑开挖时坑底回弹变形的两个主要原因，并结合上海地区工程实例，采用数值模拟与现场监测相结合的方式，研究了基坑开挖时间与空间效应对坑底回弹变形的影响。陆培毅等[15]提出采用有限元模型分析的方法，模拟了基坑不同开挖和支护方式开挖引起的坑底回弹过程。

现有关于电缆沟通道基坑开挖施工的研究较少，大多集中于对综合管廊施工方法的研究，而电缆沟通道的开挖深度和宽度较小，而长度较长，属狭长型的基坑，这与一般的基坑工程有所区别[18-20]。本文将利用有限元软件ABAQUS对电缆沟通道开挖的整个过程进行模拟，重点分析地基土性质、支护结构嵌固深度和基坑开挖两侧超载对坑底土回弹变形的影响。

1 模型建立与工况设定

电缆沟通道往往以千米计，因此可将其视为平面应变问题，采用二维模型进行模拟。土体采用Mohr-Coulomb屈服准则的理想弹塑性模型，基坑两边的支护结构采用线弹性本构模型。土层参数参考江苏苏州《华为110 kV变电站进线工程地质钻探报告》中地基土(软土)的属性，弹性模量为2.42 MPa，摩擦角为8°，黏聚力为5 kPa。支护结构与横向支撑结构均简化为弹性体，取弹性模量为25 GPa，泊松比为0.2。在之后的建模分析中，土层相关参数的选取是基于原有软土的参数基础上调整。参照《华为110 kV变电站进线工程结构设计图》，取基坑开挖深度为4.3 m，在开挖0.5 m深度处设置一道支撑，开挖宽度4.4 m，超载作用在距开挖面左右5 m范围内，计算模型如图1所示。应用ABAQUS软件建模时，在Part模块中建立二维平面可变性的壳体单元作为土体结构，土体边界范围取45 m×50 m；原支护结构采用的是直径1 m的钻孔灌注桩，间距为1.2 m，根据刚度等效原则，模型中采用宽度为0.78 m的地下连续墙结构，水平为0.5 m×0.5 m的混凝土支撑。在Property模块中，定义土层和支护结构的参数属性。在Assemble中，将建立好的部件装配在一起，同时在Interaction模块中，定义接触属性，法向接触采用“硬”接触形式，切向接触面之间的摩擦效应采用“罚”函数进行模拟。在Step模块中设置模型计算分析步，第一分析步为地应力分析步，用来平衡土体地应力；第二分析步为静力、通用分析步，实现支撑结构上部土体的开挖模拟；第三分析步为静力、通用分析步，实现支撑结构的施工安装模拟；第四分析步为静力、通用分析步，实现支撑结构下部土体的开挖模拟。在Load模块中施加超载，超载拟定取值参见表1。在Mesh模块对模型划分网格，划分技术为四面体结构，采用平面应变类型，网格单元选取CPE4单元。完成建模，在Job模块中建立工作并提交计算。

图1 土体模型

为了探究电缆沟通道开挖坑底土体回弹变形的特性及其相关影响因素，本次采用控制变量的方法，着重研究土体的黏聚力、内摩擦和弹性模量，以及支护结构嵌固深度和基坑开挖两侧超载对开挖后土体回弹变形的影响。具体工况设定如表1所示。

表1 计算工况

2 结果分析

电缆沟通道基底下若存在较深厚的软弱土层，其在开挖完成后往往会产生较大的土体回弹，根据苏州"华为110 kV变电站进线工程"的现场开挖结果来看，由于基底下存在14.70 m厚的淤泥质粉质黏土，在开挖完成后产生的土体回弹量约为170 mm，依据工程实际工况建模分析得到的回弹量为196.3 mm，两者比较接近，所以认为采用数值模拟的方法探究开挖后电缆沟通道的回弹特性是可靠的。

根据上述工况中各种参数数值的设定，分别进行建模分析，然后对数值模拟计算结果进行统计分析，以此找出这些因素对基坑回弹变形的影响研究。

2.1 土体黏聚力对基坑回弹变形的影响

在探讨土体黏聚力对基坑回弹变形的影响时，取定支护结构嵌固深度为1倍开挖深度，并在土体材料赋予模块，取定土体内摩擦角为φ=5°，不断改变黏聚力c的取值，在施加超载与不施加超载的情况下，分别建立模型计算电缆沟通道坑底土体回弹变形量，具体如表1中的工况1所示。图2是有无超载情况下基坑回弹量随土体黏聚力的变化曲线。从图2中可以看出，电缆沟通道开挖后坑底土体的回弹变形量随着土体黏聚力增大而逐渐减小，并且当土体黏聚力较低(<10 kPa)时，基坑开挖后坑底土体的回弹变形会超过20 cm，且随着黏聚力的减小，回弹量会大幅增大。当土体黏聚力大于10 kPa时，坑底土体的回弹量随黏聚力的变化趋势趋于平缓。同时，比较图2(a)和图2(b)可以发现，当土体黏聚力较小时，坑底土体回弹量对有无超载十分敏感，可达米级的回弹量，但这仅仅是理论上的，实际上此时支护结构已破坏；而当土体黏聚力较大时，电缆沟通道开挖后坑底土体的回弹量会在超载的作用下略有增加。

图2 基坑回弹量随黏聚力变化曲线

图3是黏聚力c=5 kPa，无超载工况下基坑开挖完成后的位移云图，从图中可以看出，坑中土体发生了显著的回弹(结合图2(a)可知最大回弹量约为57 cm)，并且支护结构也有明显的变形。因此，在土性很差的地区开挖电缆沟时，必须重视基坑的回弹变形问题。

2.2 土体内摩擦角对基坑回弹变形的影响

在探讨土体内摩擦角对回弹变形的影响时，取定支护结构嵌固深度为1倍开挖深度，并在土体材料赋予模块，取定土体黏聚力为10 kPa，不断改变内摩擦角φ的取值，在施加超载与不施加超载的情况下，分别建立模型计算电缆沟通道坑底土体回弹变形量，具体如表1中的工况2所示。

图3 土体竖向位移云图(c=5 kPa, p=0 kPa)

图4是基坑回弹量随土体内摩擦角的变化曲线。从图4中可以看出，基坑开挖后坑底土体的回弹量随土体内摩擦角的增大逐渐减小，当土的内摩擦角达到15°之后，基坑回弹量基本不变了。当土的内摩擦角大于10°时，超载的存在对坑底回弹量影响不明显；当土的内摩擦角小于10°时，超载对坑底回弹量的影响逐渐显现。

图4 基坑回弹量随土体内摩擦角的变化曲线

2.3 土体弹性模量对基坑回弹变形的影响

在探讨土体弹性模量对回弹变形的影响时，取定支护结构嵌固深度为1倍开挖深度，并在土体材料赋予模块，取定土体内摩擦角为φ=5°，黏聚力c=8 kPa，不断改变弹性模量E的取值，在施加超载与不施加超载的情况下，分别建立模型计算基坑回弹变形量，具体如表1中的工况3所示。

图5是基坑回弹量随土体弹性模量的变化曲线。从图5中可以发现，土体的弹性模量对基坑开挖后坑底土体的回弹量影响较大，特别是土体弹性模量较小的情况下(小于3 MPa)，坑底土体回弹量达到65 cm；随着弹模的增大，坑底的回弹量逐渐减小，但趋势逐渐变缓，即使当土体弹性模量达到8 MPa，电缆沟通道基坑底部土体回弹量依然有8.26 cm，这同时也说明在软土地区进行基坑开挖时，应当格外注意基坑回弹问题。

图5 基坑回弹量随土体弹性模量的变化曲线

2.4 支护结构嵌固深度对基坑回弹变形的影响

在探讨土体弹性模量对回弹变形的影响时，取定土体内摩擦角为φ=5°，黏聚力c=10 kPa以及弹性模量E=4 MPa，并建立支护结构嵌固深度分别为0.3H、0.6H、1.0H和1.5H的模型(H为基坑开挖深度)，并在施加超载与不施加超载的情况下，分别建立模型计算基坑回弹变形量，具体如表1中的工况4所示。图6是支护结构嵌固深度对基坑回弹变形量的影响曲线，图7是当嵌固深度为0.6H时的模型竖向位移云图。

图6 支护结构嵌固深度对基坑回弹量的影响曲线

从图6中可以看出，开挖后电缆沟通道坑底土体回弹量随着支护结构嵌固深度的增加而逐渐减小。当支护结构嵌固深度小于1倍开挖深度时，支护结构嵌固深度的变化对开挖后坑底土体回弹量的影响较大，而当支护结构嵌固深度超过1倍开挖深度时，随着支护结构嵌固深度的增大，回弹量会有所减小，但幅度不大。此外，当支护结构嵌固深度小于1倍开挖深度时，有无超载作用对回弹量的影响较大；当支护结构嵌固深度大于1倍开挖深度时，有无超载对回弹量的影响不大。

图7 支护结构嵌固深度0.6H时的竖向位移云图

2.5 超载对基坑回弹变形的影响

在探讨超载对回弹变形的影响时，分为两种工况进行讨论。一是取软弱土层，即取土体内摩擦角为φ=5°，黏聚力c=8 kPa以及弹性模量E=5 MPa；二是取土性较好的土层，即土体内摩擦角为φ=10°，黏聚力c=10 kPa以及弹性模量E=7 MPa。并在支护结构嵌固深度为1倍开挖深度的模型下分别建立模型计算基坑回弹变形量，具体如表1中的工况5所示。图8描述的是超载对基坑回弹量的影响。根据图8可以发现，随着超载大小的不断增大，不论土性好坏，开挖后的坑底回弹量都会随着超载的增大而增大。在土性较差的情况下，回弹量的大小对超载十分敏感，尤其是当电缆沟通道两侧超载较大时，坑底土体回弹量增加极其明显，而土性较好时，回弹量受超载的影响不大，大致呈现出线性缓慢增加趋势。

图8 不同土性条件下基坑回弹量随超载的变化曲线

3 结 论

通过对电缆沟通道工程的开挖模拟，分析了地基土性质、支护结构嵌固深度和超载对基坑回弹量的影响规律，得到如下结论：

(1) 坑底土的性质对基坑回弹变形的影响很大，土的内摩擦角、黏聚力和弹性模量越小，回弹变形量越大。因此，在软土地区进行电缆沟通道开挖时，应当采取一定的地基处理措施。

(2) 当坑底土体性质较差时，基坑回弹量随着基坑周边超载的增大而显著增大。

(3) 当支护结构嵌固深度小于1倍基坑开挖深度时，增大支护结构的嵌固深度可明显减小基坑的回弹变形量，当支护结构嵌固深度超过1倍开挖深度后，支护结构嵌固深度的对基坑回弹变形量的影响逐渐减小。