白栋良

（河北省南运河河务中心，河北 沧州 061001）

1 引言

随着中国基础建设的快速发展，城市密度大幅提高，地上空间资源利用紧张，地下空间的高效利用可将土地资源利用率最大化。其中，城市地铁、地下车库等基础建设都离不开基坑工程。但由于设计及施工不当，基坑变形及失稳问题在建设中仍时有发生，如何科学应对基坑开挖过程中的工程问题是国内外学者研究的重点和难点。

陆仕渊基于现场监测数据和数值模拟研究了基坑开挖过程中围护结构变形问题。结果表明，地下连续墙的最大水平位移与基坑开挖深度呈正相关。同时，最大位移出现的位置在基坑长边中心点处。简焰坤基于现场监测数据研究了土岩复合地层深基坑变形规律。结果表明，基坑地表变形随基坑开挖深度增大而增大。蔡兴平和邵永健基于数值模拟分析了深基坑支护结构选型及变形预测模型。结果表明，采用层次分析法对基坑变形进行预测与实际情况吻合。杨东雷等依托某软土基坑采用数值模拟研究了基坑围护结构形式对基坑和隧道的变形影响。结果表明，钻孔灌注桩与地下连续墙结合方案相比单独施加围护结果更优。俞强基于现场实测数据研究了邻近地铁深大基坑开挖变形与控制措施。结果表明，地铁隧道的最大位移与基坑支护结构的位移发展趋势基本一致，两者均表现出显著的空间效应。

基于三维数值模拟，建立基坑开挖模型，研究了深基坑开挖对基坑及围护结构变形的影响，对于相似工程的施工及设计具有指导意义。

2 工程概况

在水利工程中为了满足支渠由主干渠引水，在不影响交通及防洪等作用发挥的情况下，通常在堤防下修建涵洞及闸涵工程，以调节控制上、下游水位和下泄流量，满足下一级渠道的引水。河道新建涵洞工程，地下水埋深为3 m，根据水文气象资料，研究区地下水年变化幅度为1～2 m。根据钻孔资料，基坑区域岩层由上到下分别为：杂填土、粉质黏土、黏土和全风化-中分化泥质砂岩。各层厚度分别为2.60、4.60、3.30、7.60 和16 m。地下水的主要存在于冲洪积粗砂层中，贮存形式主要为孔隙水和基岩裂隙水。

基坑周长约80 m，开挖深度为10 m。为保证基坑在开挖施工中安全稳定以及保证周边建筑物不出现较大的变形和开裂，基坑采用0.80 m地连墙进行支护，支护嵌固深度为5 m，基坑分三层开挖，共设置两道水平钢筋混凝土支撑。

3 数值模拟

3.1 模型建立

采用ABAQUS 软件建立典型三维数值计算模型如图1 所示。模型总长度为80 m。宽度为20 m。模型的边界条件为：固定底面三个方向的位移，模型四周为约束水平位移，顶部为开挖自由边界。岩土体采用3D单元，地下连续墙采用2D板体单元，支撑采用杆一维单元。

图1 基坑典型断面图

3.2 材料参数

计算采用的岩土体材料参数主要基于钻孔取样的室内土工试验和参考既有相关研究获得，最终使用的材料参数汇总见表1 所示。计算中假定地连墙弹性模量28 GPa，泊松比0.21，重度取26 kN/m3；支撑重度26 kN/m3，弹性模量为30 GPa，泊松比0.22。其中岩土体采用摩尔-库伦理想弹塑性本构模型，且土体连续均匀；地下连续墙和支撑假定为各向同性弹性体；不考虑地下水的影响。

表1 岩土体物理力学参数表

数值模拟中围护结构与土体的接触采用面-面接触，法向设定为硬接触，切向采用罚函数模拟，摩擦系数为0.60。墙体与内支撑采用绑定接触模拟。

3.3 计算工况及监测方案

工程进行场地整平后，施作止水帷幕，基坑降水，逐层开挖并设置支撑。对应于数值计算中主要计算步骤为：①地应力平衡及位移场清零；②施工地下连续墙；③开挖第一层土体至地面以下3 m 位置；④施加第一道支撑于地下1.50 m 处；⑤开挖第二层土体至地面以下6 m 位置；⑥施加第二道支撑于地下4.50 m处；⑦开挖第三土体至地面以下10 m位置。

4 计算结果与分析

4.1 土体应力分析

图2 汇总得到基坑地应力平衡和开挖结束后的周边土体应力云图。结果表明，地应力平衡，应力根据土体的重度和深度分层，与实际情况相符，基坑开挖结束后，在临近基坑周边出现塑性区，土体应力随基坑开挖深度的增大而增大，且距离开挖面越远，开挖扰动越小。

图2 基坑开挖周边土体应力云图

4.2 基坑隆起变形

汇总得到基坑开挖过程中基坑底部隆起变形规律。结果表明，基坑开挖过程中，基坑中点位置隆起变形量最大，随着距基坑中部距离越远，基坑开挖的影响越小，在第一层开挖、第二层开挖和第三次开挖结束后，坑底的隆起变形量分别为10、30和55 mm。

4.3 围护结构变形

汇总得到基坑开挖过程中支护结构变形趋势图。数值模拟计算结果与现场实测结果基本吻合，相对误差20%以内，证明数值模拟是可靠的。围护结构变形呈典型“弓型曲线”，在第一层开挖时未设置支撑导致基坑开挖后，结构变形方向指向基坑内部。第二层和第三层开挖后，支护结构的最大变形出现在地表5 m和8 m的位置，最大变形量为20 mm和35 mm。

4.4 地表沉降变形

汇总得到基坑开挖过程中地表沉降随基坑开挖深度的变形规律。结果表明，数值模拟和现场实测数据基本一致，地表沉降发生最大的位置在距支护结构5 m 处，最大值分别为57 mm 和61 mm，且数值模拟的值与实测值在10%以内。

当基坑开挖后，周边土体发生较大的沉降变形。在基坑开挖初期，由于未设置支撑，导致地表沉降变形呈现较明显的到三角形分布，最大沉降发生在基坑边缘处，最大值为1.50 mm。随着基坑深度的增大，地表沉降逐渐增大且方向不断向远离坑壁方向移动。最终基坑开挖完成后地表沉降的最大值为60 mm，发生的位置为距支护结构5 m处。

5 结论

①基坑开挖过程中，基坑中点位置隆起变形量最大，距基坑中部距离越远，受基坑开挖的影响越小，开挖结束受，坑底的隆起变形量为55 mm。②基坑开挖后，支护结构变形呈典型的“弓型曲线”。在第一层开挖时，围护结构向基坑内部变形。在第二层和第三层开挖后，支护结构的最大变形出现在地表5 m和8 m的位置，最大变形量为20 mm和35 mm。③基坑开挖后，周边土体发生较大的沉降变形。地表沉降的最大值为60 mm，位于1/3基坑深度处。