深基坑開挖引起的地表沉降變形及影響因素分析

趙 平，韓治勇

(1.銅陵學院 建筑工程學院，安徽 銅陵 244000；2.皖西學院 建筑與土木工程學院，安徽 六安 237012)

近年來，隨著基坑工程向更深、更復雜地質(zhì)條件、更嚴峻施工環(huán)境不斷發(fā)展，基坑工程事故屢見不鮮。深入研究深基坑開挖變形影響因素對于基坑工程防災(zāi)減災(zāi)和促進新技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展具有重要意義[1-2]?；娱_挖的過程是應(yīng)力釋放的過程，應(yīng)力釋放導致支護結(jié)構(gòu)二側(cè)產(chǎn)生的土壓力差會引起基坑周邊地表沉降。地表沉降將威脅基坑周邊道路、地下管線及建筑物等周圍環(huán)境的安全[3]。因此研究深基坑開挖引起的地表沉降規(guī)律及影響因素，進而尋求有效的沉降控制措施，意義重大。鑒于此，已有不少學者研究了深基坑開挖引起的地表沉降變形影響因素?，F(xiàn)有的基坑開挖引起的地表沉降變形分析研究主要采用三種方法：模型試驗、現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬。模型試驗方面，苪瑞等[4]開展了鄰近地層損失對地下?lián)跬两Y(jié)構(gòu)土壓力與地表沉降影響試驗研究；唐洪亮等[5]開展了膨脹土地區(qū)深基坑開挖引起的地表沉降模型試驗與數(shù)值計算研究；李連祥等[6]基于基坑離心模型試驗開挖方法，對深基坑開挖引起的地表沉降開展了研究?，F(xiàn)場監(jiān)測方面，張凱等[7]開展了呼和浩特軌道交通2號線某車站基坑開挖沉降監(jiān)測分析；裴巧玲等[8]以某地鐵深基坑圍護結(jié)構(gòu)為背景，采用現(xiàn)場監(jiān)測的方法，對地表沉降量的變化規(guī)律進行了研究。數(shù)值模擬方面，宋辰辰[9]以杭州某地鐵車站深基坑項目為例，運用MIDAS/GTS軟件模擬在不同開挖工況下深基坑周邊地表沉降、圍護墻體的水平位移及基坑底部隆起的變形規(guī)律并與實際監(jiān)測值進行了對比分析；羅正東[10]以長沙地鐵5號線富水砂卵石地層深基坑降水開挖工程為依托，采用ABAQUS軟件對該車站深基坑降水開挖進行了全過程數(shù)值模擬，并對地表沉降的影響因素進行了研究；夏紅兵等[11]利用FLAC3D軟件進行數(shù)值模擬，研究了豎向拉力對十字形多層土錨和等截面土錨豎直方向的位移及土錨側(cè)摩阻力等方面的影響。

從既有研究可以看出，目前關(guān)于深基坑開挖對周邊環(huán)境及基坑本身的影響等方面的研究成果頗豐，但多數(shù)研究對象主要針對合肥以外地區(qū)，以合肥地區(qū)地鐵線路附近的深基坑開挖過程中周圍地表沉降的研究相對較少。龔曉南院士[12]的研究成果表明：基坑工程具有很強的區(qū)域性，基坑周圍土體的變形可能對周圍的市政道路、地下管線或建(構(gòu))筑物產(chǎn)生不良作用，嚴重的則會影響其正常使用。在保證基坑本身安全可靠的同時，深基坑開挖引起的環(huán)境效應(yīng)也日益引起人們的重視，而其中尤其以基坑開挖引起的地表沉降對環(huán)境的影響最大[13]。由于有限元數(shù)值模擬方法可以考慮基坑空間效應(yīng)，動態(tài)模擬基坑開挖與支護施工過程，較好地反映土體和支護結(jié)構(gòu)變形情況。為了實施對施工過程的動態(tài)控制，掌握地層與圍護結(jié)構(gòu)體系的狀態(tài)，及施工對既有建(構(gòu))筑物的影響，必須進行現(xiàn)場監(jiān)控量測。通過對量測數(shù)據(jù)的整理和分析，及時確定相應(yīng)的施工措施，確保施工過程和既有建筑的安全[14]。因此，本文在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，以合肥地鐵2號線附近某基坑開挖工程為依托，通過有限元軟件MIDAS-GTS建立三維數(shù)值模型，重點分析了基坑開挖過程中引起的地表沉降變形規(guī)律，并把數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行比較，論證模擬施工過程的合理性和可行性，在此基礎(chǔ)上深入分析了深基坑開挖地表沉降變形的影響因素。研究結(jié)果對類似地區(qū)深基坑開挖工程的初步設(shè)計和施工具有一定的借鑒意義。

1 工程概況

研究對象為合肥地鐵二號線附近某深基坑開挖工程，該基坑周邊交通繁忙、建筑物密集、基坑周邊有生活管線。該基坑平面形狀為矩形，基坑長、寬分別為60m、40m，開挖深度為12m?；拥闹ёo結(jié)構(gòu)由地下連續(xù)墻和3道內(nèi)支撐組成，內(nèi)支撐直徑為800mm，位置在距離地表以下2m、6m以及9m處，地下連續(xù)墻高度為18m，其中入土深度為6m，厚度為800mm。其中，地連墻彈性模量為28000MPa，泊松比為0.22，重度為26kN·m-3；內(nèi)支撐彈性模量為200000MPa，泊松比為0.31，重度為75kN·m-3。基坑共分4次開挖，開挖深度分別為2m、4m、3m、3m。根據(jù)巖土工程詳細勘察報告，簡化后的土層為4層，從上部到下部依次為：①雜填土(厚度6m)、②全風化泥質(zhì)砂巖(厚度6m)、③強風化泥質(zhì)砂巖(厚度5m)、④中等風化泥質(zhì)砂巖(厚度43m)。計算模型相關(guān)力學參數(shù)如表1所示。

表1 計算模型力學參數(shù)

2 建模與計算

2.1 基本假定

由于施工過程和現(xiàn)場工程條件比較復雜，為了便于研究，數(shù)值模型設(shè)計有必要對實際情況進行一定簡化[12]，本研究基本假設(shè)如下：①土體為理想的彈塑性材料；②各層土體連續(xù)且均勻分布；③不考慮地下水對圍護結(jié)構(gòu)變形的影響；④地下連續(xù)墻和內(nèi)支撐均為彈性體；⑤同一種材料為均質(zhì)、各向同性。

2.2 建立模型

參考劉建航院士的研究成果[15]，考慮工程實際情況，本文建立的整體三維模型長(x)、寬(y)、高(z)分別為：160m、140m、60m，遠大于預計基坑開挖影響范圍。邊界約束條件：地表為自由面，模型四周邊界均受到法向水平向位移約束，模型底部設(shè)置x、y、z三個方向約束。模型中土體為3D實體單元，地下連續(xù)墻采用2D板單元，基坑內(nèi)支撐采用1D梁單元。整體三維模型網(wǎng)格劃分情況如圖1所示。數(shù)值模型共計182665個單元，190510個節(jié)點?？紤]到該基坑周邊存在交通繁忙、建筑物密集等情況，在距基坑邊緣4m范圍內(nèi)施加大小為22kPa的豎向均布荷載。

圖1 三維有限元模型

2.3 模擬施工與現(xiàn)場監(jiān)測方案設(shè)計

基坑開挖過程施工工況具體內(nèi)容如表2所示。結(jié)合該基坑開挖變形的特點，數(shù)值模擬選取有代表性的斷面進行研究，本次研究主要側(cè)重研究位于基坑長邊中部(CJ1斷面)、基坑短邊中部(CJ2斷面)以及基坑端部坑角位置處(CJ3斷面)不同位置土體沉降變形規(guī)律，基坑平面及地表沉降測點布置示意圖見圖2。為了確?；庸こ淌┕さ陌踩?，有必要對該工程施工過程進行監(jiān)測，進而對現(xiàn)場施工指導[12]，依據(jù)相關(guān)規(guī)范和要求，結(jié)合施工現(xiàn)場的具體情況，制定了本次研究的監(jiān)測方案，具體內(nèi)容為：對基坑開挖過程中周圍地表豎向位移進行監(jiān)測，地表沉降采用精密水準儀和銦鋼尺量測?，F(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬選取的研究對象保持一致，具體為：監(jiān)測點均勻分布在三個監(jiān)測斷面上(每隔2米布置一個)，距離地連墻距離最小值為0mm，最大值為26mm，每個斷面布置14個監(jiān)測點，三個斷面共計42個監(jiān)測點。地表沉降自完成圍護結(jié)構(gòu)，開始開挖基坑起進行監(jiān)測。

表2 基坑開挖工況具體內(nèi)容

圖2 基坑平面及地表沉降測點布置示意圖

3 結(jié)果分析

3.1 數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測對比分析

圖3為基坑開挖完成時(基坑開挖至地表以下12m)CJ1、CJ2與CJ3三個斷面不同離墻后距離地表沉降數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測對比圖。通過觀察對比不難發(fā)現(xiàn)：數(shù)值模擬方面，基坑開挖完成時，基坑開挖會造成附近地表產(chǎn)生沉降，且都呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律。CJ1、CJ2與CJ3三個斷面不同離墻后距離，其豎向位移受基坑開挖的影響不同，另一方面，不難發(fā)現(xiàn)最大地表沉降出現(xiàn)的位置隨著開挖深度的增加基本保持不變，都在離墻后距離約0.5倍基坑深度的位置。CJ1、CJ2與CJ3三個斷面的地表沉降最大值分別約為：24.0mm、14.5mm以及8.0mm，最大豎向位移值大小關(guān)系為：CJ1>CJ2>CJ3。說明鄰近基坑地表土體地表沉降具有明顯的空間效應(yīng)，基坑長邊中部斷面地表沉降最大，短邊中部斷面次之，坑角斷面最小。此結(jié)論與劉念武等[16]在開展內(nèi)支撐基坑變形空間效應(yīng)特性研究時得出的結(jié)論一致。此外，觀察也可以發(fā)現(xiàn)2倍基坑深度為基坑開挖對于周圍地表影響的主要范圍。由圖3還可以發(fā)現(xiàn)：施工現(xiàn)場實測值與數(shù)值模擬兩者數(shù)值并不完全一致，但變化趨勢大致相似，說明所建模型能夠很好地反映實際變形情況，可以為深基坑工程的設(shè)計提供可靠的理論依據(jù)，表明數(shù)值模擬技術(shù)在該地區(qū)深基坑開挖工程中的應(yīng)用可行。具體來看，數(shù)值模擬的最大值約為24mm，現(xiàn)場監(jiān)測的最大值約為25.5mm，兩者相差不大，最大地表沉降都出現(xiàn)在離墻后距離約0.5倍基坑深度的位置。此外，實測數(shù)據(jù)略大于模擬計算結(jié)果，這主要是由于建模時采取了許多簡化假定，而實際基坑開挖支護是一個十分復雜的過程，不可避免地受到周邊其它因素的影響，這些都會導致數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果的差異。

圖3 開挖完時模擬與監(jiān)測對比圖

3.2 影響地表沉降變形因素分析

基坑周圍地表的最終沉降變形與基坑開挖過程中許多因素有關(guān)，學者楊倫等[17-18]的研究成果顯示，基坑開挖時影響地表沉降的因素主要有自然因素、設(shè)計因素以及施工因素?？紤]到篇幅有限，在這里僅討論自然因素中的土體抗剪強度指標以及設(shè)計因素中地下連續(xù)墻的相關(guān)參數(shù)的改變對基坑周圍地表沉降的影響。研究對象選取有代表性的基坑長邊中部CJ1斷面。

3.2.1 土體抗剪強度指標改變對地表沉降的影響

根據(jù)摩爾庫倫準則，土體的抗剪強度指標主要有粘聚力和內(nèi)摩擦角[19]。為研究土體抗剪強度指標對地表沉降的影響，分別單獨改變粘聚力和內(nèi)摩擦角取值，具體內(nèi)容見表3，除了粘聚力和內(nèi)摩擦角數(shù)值之外，不改變其他各項參數(shù)，運用改變后的參數(shù)，分別建立三維數(shù)值模型，通過數(shù)值模擬結(jié)果研究該參數(shù)改變對地表沉降的影響，具體結(jié)果見圖4和圖5。計算結(jié)果中影響因素值改變對應(yīng)周圍地表沉降最大值結(jié)果見表3。不難看出，改變抗剪強度的大小對地表沉降有一定影響，且隨著土體抗剪強度的增加，地表沉降不斷減少。此外，土體抗剪強度的改變不影響基坑開挖對地表沉降的變形的趨勢。由此可見，土體抗剪強度指標越大，對控制地表沉降的變形也越有利，這是因為隨著土體抗剪強度指標的增加，提高了土體自身的承載力和穩(wěn)定性，從而達到約束其變形的效果。但是增加到一定程度這種抑制效果將不再明顯。因此可以通過適當提高基坑周圍土體抗剪強度來減小因基坑開挖造成的地表沉降的影響。

表3 粘聚力和內(nèi)摩擦角值改變對最大地表沉降影響 (單位：mm)

圖4 粘聚力對地表沉降影響

圖5 內(nèi)摩擦角對地表沉降影響

3.2.2 地下連續(xù)墻參數(shù)改變對地表沉降的影響

為研究地下連續(xù)墻相關(guān)參數(shù)對地表沉降的影響，分別單獨改變地下連續(xù)墻厚度和嵌固深度取值，具體內(nèi)容見表4，除此之外，不改變其他各項參數(shù)，運用改變后的參數(shù)，分別建立三維數(shù)值模型，通過數(shù)值模擬結(jié)果研究該參數(shù)改變對地表沉降的影響，具體結(jié)果見圖6和圖7。計算結(jié)果中影響因素值改變對應(yīng)周圍地表沉降最大值結(jié)果見表4。不難看出，適當增加地下連續(xù)墻厚度以及嵌固深度，可以有效的抑制深基坑開挖引起的地表沉降，這是因為地下連續(xù)墻厚度及嵌固深度的增加，使得圍護結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度變大，圍護結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力增強，進而對地表土體的沉降起到限制作用。由此可見，適當增加地下連續(xù)墻的厚度和地下連續(xù)墻的嵌固深度，可以有效的抑制基坑圍護結(jié)構(gòu)水平位移。但是增加到一定程度時，這種抑制基坑變形的效果十分有限，另外，盲目加大地連續(xù)墻的厚度和地下連續(xù)墻的嵌固深度還會大大增加基坑開挖支護成本。

表4 地連墻厚度及嵌固深度值改變對最大地表沉降影響 (單位：mm)

圖6 地下連續(xù)墻厚度對地表沉降影響

圖7 地下連續(xù)墻嵌固深度對地表沉降影響

4 結(jié)論

本文通過建立三維有限元模型，重點分析了基坑開挖過程中周圍土體沉降變形發(fā)展規(guī)律，并將數(shù)值模擬結(jié)果與施工現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比，在此基礎(chǔ)上深入分析了深基坑開挖產(chǎn)生的地表沉降變形的影響因素，主要結(jié)論如下。

(1)通過數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測結(jié)果對比分析，數(shù)值模擬結(jié)果與實際監(jiān)測結(jié)果吻合較好，驗證了所建立數(shù)值模型的可行性和模型參數(shù)取值的合理性與可靠性。

(2)基坑周邊地表沉降量隨著距基坑邊緣距離的增大，呈先增大后減小的趨勢，最大沉降位置大約在基坑邊外0.5倍基坑深度處，2倍基坑深度為基坑開挖對周圍地表沉降產(chǎn)生影響的主要范圍。

(3)鄰近基坑地表沉降具有明顯的空間效應(yīng)，基坑長邊中部斷面地表沉降最大，短邊中部斷面次之，坑角斷面最小，基坑開挖施工期間應(yīng)更加注意加強基坑長邊中間部位附近地下管線及地上建筑物的保護，基坑工程施工要堅持信息化施工，邊施工、邊測試，發(fā)現(xiàn)異常情況，及時采取措施。

(4)土體抗剪強度越大，對于基坑周圍土體沉降變形約束效果越好，但是隨著抗剪強度的增加，約束效果越不明顯；增加地下連續(xù)墻的厚度和嵌固深度，可以有效的抑制基坑周圍土體沉降變形，但是增加到一定程度時，這種抑制效果變得有限，且施工成本也會增加。因此基坑設(shè)計時應(yīng)充分考慮各個方面的因素，在保證施工安全要求的前提下，降低施工成本。