深基坑开挖引起的地表竖向变形分析

2021-04-24韩治勇

安徽科技学院学报 2021年6期

赵平, 韩治勇

(1.铜陵学院建筑工程学院，安徽铜陵 244000； 2.皖西学院建筑与土木工程学院，安徽六安 237012)

近年来，随着基坑工程向更深、更复杂地质条件、更严峻施工环境不断发展，基坑工程事故屡见不鲜。深入研究深基坑开挖变形影响对于基坑工程防灾减灾和促进新技术的应用与发展具有重要意义。进行城市建设中不可避免地要开挖深基坑，这势必会对周边建筑物和构筑物产生不利影响。基坑开挖对环境影响是岩土工程中不断发展的研究热点，当前深基坑设计理念以“变形控制”为重点，鉴于此，已有不少学者研究了深基坑开挖对周边环境及基坑本身的影响。

现有的基坑开挖引起的地表沉降变形分析研究主要采用三种方法：理论计算、现场监测和数值模拟。理论计算方面，何桥敏等推导并改进了容重变化和渗透力变化引起的地表沉降公式，并考虑了支护结构-土界面摩阻力对沉降的影响；李元勋等建立了考虑基坑周边不同超载型式作用下的地表沉降偏态分布曲线预测计算模型，并推导了计算公式。现场监测方面，张凯等对呼和浩特轨道交通2号线某车站基坑开挖沉降开展了监测分析；楼春晖等对基坑外地面道路以及建筑物的沉降和裂缝情况进行了监测分析，并总结了开挖引起基坑外地表沉降的分布特性；叶帅华等依托兰州市地铁某车站基坑工程，对基坑施工过程中的地表沉降、钢支撑轴力及地下水位进行了监测，并对监测数据进行了系统分析。数值模拟方面，史康等借助PLAXIS 3D有限元软件对基坑开挖进行数值模拟，结果表明基坑降水对坡顶的竖向位移、周边建筑物沉降影响较大。龚晓南的研究成果表明：基坑工程具有很强的区域性，基坑周围土体的变形可能对周围的市政道路、地下管线或建(构)筑物产生不良作用，严重的则会影响其正常使用。

从既有研究可以看出，目前关于深基坑开挖对周边环境及基坑本身的影响等方面的研究成果颇丰，但多数研究对象主要针对安徽合肥以外地区，以合肥地区地铁线路附近的深基坑开挖过程中周围地表竖向位移发展的研究相对较少。在保证基坑本身安全可靠的同时，深基坑开挖引起的环境效应也日益引起人们的重视，而其中尤其以基坑开挖引起的地表沉降对环境的影响最大。由于有限元数值模拟方法可以考虑基坑空间效应，动态模拟基坑开挖与支护施工过程，较好地反映土体和支护结构变形情况，因此本文在总结前人研究成果的基础上，以合肥地铁2号线附近某基坑开挖工程为依托，通过建立三维数值模型，重点分析了基坑开挖过程中周围地表竖向位移发展规律，并把数值模拟结果与现场监测数据进行比较，论证模拟施工过程的合理性和可行性，以期研究成果日后能为有关工程提供有益借鉴和参考。

1 工程概况

本研究对象为安徽合肥地铁二号线附近深基坑开挖工程，该基坑周边交通繁忙、建筑物密集、基坑周边有生活管线。该基坑平面形状为矩形，基坑长、宽分别为60、40 m，开挖深度为12 m。基坑的支护结构由地下连续墙和3道内支撑组成，内支撑直径为800 mm，位置在距离地表以下-2、-6、-9 m处，地下连续墙高度为18 m，其中入土深度为6 m，厚度为800 mm。基坑共分4次开挖，开挖深度分别为2、4、3、3 m。根据岩土工程详细勘察报告，各土层间均匀、水平层状分布，场地无起伏，最上层地下水埋深比基坑最大开挖深度大13 m，简化后的土层为4层，从上部到下部依次为：杂填土(厚度6 m)、全风化泥质砂岩(厚度6 m)、强风化泥质砂岩(厚度5 m)、中等风化泥质砂岩(厚度43 m)。根据勘察揭露、现场测试及室内试验，基坑开挖影响范围内土层分布及计算模型力学参数如表1所示。

2 建模与计算

2.1 基本假定

由于施工过程和现场工程条件比较复杂，为了便于研究，数值模型设计有必要对实际情况进行一定简化，本研究基本假设如下：(1)土体为理想的弹塑性材料，均质、各向同性，且各层土体连续且均匀分布；(2)由于最上层地下水埋深比基坑最大开挖深度大13 m，可忽视地下水作用，故可以不考虑地下水对围护结构变形的影响；(3)地下连续墙和内支撑均为弹性体。

表1 计算模型力学参数

2.2 模型建立

为消除边界效应影响，根据圣维南原理，考虑工程实际情况，本研究建立的整体三维模型长(x)、宽(y)、高(z)分别为160、140、60 m，远大于预计基坑开挖影响范围。边界约束条件：地表为自由面，模型四周边界均受到法向水平向位移约束，模型底部设置x、y、z 3个方向约束。模型支护结构的具体参数如表1所示。模型中土体为3D实体单元，地下连续墙采用2D板单元，基坑内支撑采用1D梁单元。整体三维模型网格划分情况如图1所示。数值模型共计182 665个单元，190 510个节点。该基坑周边存在交通繁忙、建筑物密集等情况，在距基坑边缘4 m范围内施加大小为22 kPa的竖向均布荷载。

图1 三维有限元模型

图2 基坑平面及地表沉降测点布置示意图

2.3 施工模拟

基坑开挖过程施工工况具体内容如表2 所示。结合该基坑开挖变形的特点，选取有代表性的断面进行研究，本次研究主要侧重研究位于基坑长边中部(CJ1 断面)、基坑短边中部(CJ2 断面)以及基坑端部坑角位置处(CJ3 断面)不同位置土体竖向变形规律，基坑围护结构及3个断面布置示意图见图2。

2.4 现场监测方案设计

为了确保基坑工程施工的安全，有必要对该工程施工过程进行监测，进而对现场施工指导，依据相关规范和要求，结合施工现场的具体情况，制定了本次研究的监测方案，具体内容为：对基坑开挖过程中周围地表竖向位移进行监测，地表沉降采用精密水准仪和铟钢尺量测。共对基坑周围3个有代表性的断面(CJ1断面、CJ2断面及CJ3断面)进行监测，其中CJ1断面位于基坑长边中部、CJ2断面位于基坑短边中部及CJ3断面位于基坑坑角处。监测点均匀分布在3个监测断面上(每隔2米布置1个)，距离地连墙距离最小值为0，最大值为26，每个断面布置14个监测点，3个断面共计42个监测点。基坑平面及地表沉降测点布置示意图如图2所示，地表沉降自完成围护结构，开始开挖基坑起监测。数值模拟与现场监测选取的研究对象保持一致。

表2 基坑开挖工况具体内容

3 结果与分析

3.1 各测点竖向位移

对于基坑各个开挖步骤，提取数值计算结果并绘制地面沉降曲线。图3为基坑长边中部CJ1断面地表沉降位移曲线图，通过对比分析图3可以发现，一方面，基坑开挖会造成附近地表产生沉降，这是因为基坑开挖会导致围护结构产生变形，围护结构的侧向变形会使得坑外土体产生变形，即产生了附加应力，使坑外土体产生塑性区，随着开挖深度的不断增大和应力释放的增加，塑性区逐渐增大，并传递到地面，形成地表沉降。CJ1 断面距离基坑边缘的不同位置，其竖向位移受基坑开挖的影响不同，另一方面，不难发现最大竖向位移值出现的位置随着开挖深度的增加基本保持不变，在离墙后距离约6 m的位置达到最大值。此外，CJ1断面测点在同一位置的竖向位移也在随着开挖深度的变化而不断变化，且呈现出相似的规律性。总体上来看，数值模拟结果表现为：随着基坑的开挖，CJ1断面的不同位置竖向位移变化呈现出“凹槽”形的规律。具体来看，基坑开挖至-2 m(开挖1)时，竖向位移值总体较小，沉降最大值约为6 mm，出现在离墙后距离约6 m的位置，且随着距离基坑边缘距离的增加，竖向位移值先增大后减小，当离墙后距离约为22 m时，趋于稳定，稳定值接近0。这是因为开挖1为基坑开挖初期，土体开挖量较小，开挖形成的基坑内外土压力差值不大，基坑四周的土体变形较小，竖向位移变化幅度较小。基坑开挖至-6 m(开挖2)时，竖向位移发展明显，且随着离墙后距离的增加呈现出先增大后减小的变形规律，最大竖向位移值约为16 mm，最大值也出现在离墙后距离约6 m的位置。同时，基坑开挖至-9 m(开挖3)时，最大竖向位移值约为22 mm，出现在离墙后距离约6 m的位置。此外，基坑开挖至-12 m(开挖4)时，最大竖向位移值约为24 mm，出现在离墙后距离约6 m的位置。通过分析不难发现，基坑开挖会造成附近地表产生沉降，邻近基坑地表土体竖向位移对基坑开挖深度较敏感，且随着基坑开挖深度的增大而不断增大，竖向位移曲线呈“凹槽”形，最大竖向位移出现在出现在离墙后距离约6 m的位置。地表沉降最大值不是出现在围护结构边缘，而是距离围护结构后一定距离，这主要是因为基坑内部的支撑体系的刚度较大，使得在基坑开挖过程中，围护结构与土体之间的摩擦力增大，约束了围护体系附近土体的竖向位移，这种约束作用随着距离地连墙的距离的增大而减弱。此结论与周沈华等在研究基坑开挖过程中的坑外地表沉降的影响因素分析中得到的结论相一致。因此，施工时应加强基坑中部围护结构附近竖直方向土体位移的监控与管线的保护。

图4为基坑短边中部附近CJ2 断面地表沉降位移曲线图，可以看出，基坑开挖在基坑短边中间部位附近引起的地表竖向位移变化规律与基坑长边中部附近CJ1 断面竖向位移基本一致，限于篇幅，不再赘述。通过对比不难发现当开挖工况相同时，同一离墙距离情况下CJ2 断面测点竖向位移比CJ1 断面测点水平位移小。如：基坑开挖至-12 m时，当测点离墙后距离约6 m的位置时，CJ2 断面测点竖向位移约为14 mm，CJ1 断面测点竖向位移约为24 mm。这是因为CJ1 断面测点所在位置临空开挖面更大，卸荷作用更加明显，且存在一定的空间效应。这与刘念武等在内支撑基坑变形空间效应特性研究中得出的结论一致。

图5为坑角附近CJ3 断面地表沉降位移曲线图，CJ3 断面竖向位移变化规律与CJ1 断面、CJ2 断面基本一致。JC3 测点竖向位移最大值仅约为8 mm，出现在开挖4，也出现在测点离墙后距离约6 m的位置，远小于CJ1 的24 mm和CJ2 的14 mm。这是由于CJ3 测点位于坑角位置，该部位两个方向围护结构会产生相互的约束作用，从而降低了围护结构向侧向产生水平变形的内应力，基坑的空间效应更为明显。

图3 CJ1断面地表沉降位移

图4 CJ2断面地表沉降位移

图5 CJ3断面地表沉降位移

3.2 基坑开挖完成时不同测点的竖向位移对比

图6为基坑开挖完成时3个断面(CJ1、CJ2与CJ3)竖向位移对比图。在基坑开挖完成时，3个断面的最大竖向位移值不同，最大竖向位移值大小为：CJ1>CJ2>CJ3，均出现在离墙后距离约6 m的位置。由此可见，在深基坑开挖情况下，基坑长边中部位置附近地表沉降受到的影响最大，基坑短边中部附近受到的影响次之，而坑角处受到的影响最小。因此在工程施工中，应该重点关注基坑开挖对长边中部附近的建筑或者管线造成的竖向变形影响，并及早采取保护措施，以避免发生工程事故。

3.3 各测点最大竖向位移随工况变化对比

图7为不同开挖步下3个断面(CJ1、CJ2与CJ3)最大竖向位移对比图。随着开挖深度的增加，不同断面的最大竖向位移也在不断增加，最大竖向位移在开挖步2与开挖步3期间增长较快，且不难发现CJ1断面与CJ2断面最大竖向位移值相对较大，CJ3 断面的最大竖向位移值最小。具体来看，从开挖步1 到开挖步4 过程中，各个断面的最大竖向位移都在增加，开挖步1 时，CJ1、CJ2与CJ3 对应的最大竖向位移值分别约为：6.0、4.0和2.0 mm。开挖步2 时，CJ1、CJ2与CJ3 对应的最大竖向位移值分别约为：16.0、8.0和4.0 mm。开挖步3 时，CJ1、CJ2与CJ3 对应的最大竖向位移值分别约为：22.0、13.0和6.5 mm。开挖步4 时，CJ1、CJ2与CJ3 对应的最大竖向位移值分别约为：24.0、14.5和8.0 mm。由此可见土体竖向沉降变形对开挖深度敏感。因此，在基坑施工过程中，应重点加强基坑长边中间部位地表沉降位移监测，这对保障基坑工程的安全性起着重要作用。

图6 开挖完成时断面竖向位移

图7 不同开挖步下最大竖向位移

3.4 数值模拟与现场实测对比

图8为基坑开挖完成时(基坑开挖至地表以下12 m)CJ1、CJ2与CJ3 3个断面不同离墙后距离竖向位移数值模拟结果与现场监测对比图。施工现场实测值与数值模拟两者数值并不完全一致，但变化趋势大致相似，反映出所建模型能够很好地反映实际变形情况，可以为深基坑工程的设计提供可靠的理论依据，表明数值模拟技术在该地区深基坑开挖工程中的应用可行。具体来看，数值模拟的最大值约为24 mm，现场监测的最大值约为25.5 mm，两者相差不大，最大竖向位移都出现在离墙后距离约6 m的位置。此外，实测数据略大于模拟计算结果，这主要是由于建模时采取了许多简化假定，如：不考虑地下水对基坑开挖的影响，而此次基坑开挖施工监测期间遇到了雨水天气，根据土力学相关知识可知雨水导致土体抗剪强度降低，土体重度增大，促使土体变形不断增大，进而会导致地表沉降增大。另外由于施工现场坑边施工材料有不合理堆载情况出现，这些都会导致数值模拟比现场监测结果要小。