某城市道路地下通道基坑分步开挖竖向位移数值模拟分析

陈 康

(湖南省交通科学研究院，湖南长沙 410015)

0 引言

基坑开挖会引起坑外土体的沉降及基坑坑底土体隆起［1～3］。坑外土体的沉降将直接影响到基坑周围的建筑物的安全，沉降量过大直接影响基坑周围建筑物的安全，尤其在城市中心建筑物较密集的区域更应该控制沉降。坑底土体隆起是一个缓慢的过程，如果基坑分步开挖过程施工进度较快，隆起部分土体随即被挖除，此时的坑底隆起对施工的影响较小;当开挖速度较慢，土体隆起的发展时间较长，隆起值将相应增大，这时的坑底隆起现象可能对基坑结构造成危害。在这种情况下，需要采取相应的治理措施，保证基坑在开挖过程中的稳定性［4～6］。本文通过某市政工程基坑开挖实例，结合有限元软件对基坑的分步开挖过程进行数值模拟，并拟定开挖支护方案，进而得到基坑分步开挖过程中基坑土体的竖向变形规律。

1 数值模型和计算参数

1.1 几何模型及边界条件

该地下通道基坑工程基坑开挖长度48.00 m，开挖宽度36.50 m，开挖深度14.00 m，坑底标高为96.40 m。拟建场地南侧有一幢16层建筑，西侧为12层建筑，东、北两侧均为市政公路，据调查，拟建场地内没有地下管线或其它市政设施，基坑工程施工过程对变形要求比较高。根据钻探可知，与工程相关地层主要有人工填土、第四系冲积层、第四系残积层、第三系泥质粉砂岩地层。依埋藏顺序从上到下依次为素填土、粉质粘土①、粉质粘土②。根据勘察报告，主要赋场内地下水类型为上层滞水及潜水，上层滞水水量有限，潜水水量较大。水质分析表明，场地地下水对混凝土结构、混凝土中的钢筋、钢结构均无腐蚀性。基坑断面图如图1所示。拟定的几何模拟尺寸宽60.00 m，高30.00 m，由于路堤两侧对称，故选取半剖面作为研究对象。土层及网格划分见图2所示。在基坑剖面内，X轴为南北方向，Y轴为铅垂方向，模型底面的左下方为坐标原点。模型周边采用侧向约束，模型底部不允许有水平和垂直方向的位移，两侧边界不允许有水平方向的位移。

图1 基坑断面图

图2 网格划分

1.2 计算参数的确定

各计算参数采用试验、换算或软件自带参数综合确定。通过土工试验得到土体的密度，通过总应力固结不排水三轴抗剪试验得到土体的粘聚力c与摩擦角φ，通过压缩试验得到压缩模量Es与压缩系数，通过固结试验可以得到静止土压力系数K0，通过压缩模量Es与压缩系数换算得到泊松比ν与弹性模量E，K和G根据指标换算进行确定。最终确定的计算分析采用的各土层参数见表1。

表1 土层的主要物理力学指标和计算参数

2 基坑开挖及支护数值模拟

2.1 模拟方案

该基坑工程的围护桩桩长18 m，桩径为0.8 m，桩间距为1.0 m。预应力锚杆竖向间距3.0 m，水平间距2.5 m，入射倾角15°，预应力为150 kN，在地面以下2.5、5.5、8.5、11.5 m 处分别设置一层锚杆。分九步对基坑开挖进行数值模拟，步骤如下:

第1步:开挖至地面以下3.5 m;

第2步:施加第1层锚杆并施加预应力;

第3步:向下开挖3.0 m;

第4步:施加第2层锚杆并施加预应力;

第5步:向下开挖3.0 m;

第6步:施加第3层锚杆并施加预应力;

第7步:向下开挖3.0 m;

第8步:施加第4层锚杆并施加预应力;

第9步:继续向下开挖1.5 m至基底;

基坑分步开挖完成后锚杆设计分布情况如图3所示。

图3 基坑支护锚杆分布情况

2.2 基坑分步开挖竖向位移分析

2.2.1 分步开挖竖向位移概述

基坑分步开挖第一、三、五、七、九步后的竖向位移云图见图4。由图可知，基坑开挖卸荷使基坑土体应力重新分布。尤其是在基坑开挖初期，由于应力的重新分布，开挖对基坑土体的影响范围较大，随后由于开挖深度的增加，开挖对土体的影响趋于稳定。在开挖过程中，坑外土体发生了不同程度的沉降现象，随着距基坑壁的距离增大，沉降量先增长后减小。坑底土体随开挖的进行也出现相应的隆起现象，隆起量向基坑坑底中心位置逐渐增大，在坑底中心达到最大值。坑底隆起值与坑外土体沉降值随开挖的持续逐渐增大，两者的最大值均出现在第9步开挖后。随着开挖深度增大，相同开挖深度的坑底隆起的增量逐渐减小。在基坑分步开挖过程中，坑外土体的竖向位移与水平位移之间呈一定的对应关系，水平位移越大，坑外土体所发生的竖向位移也随之增大。

图4 基坑分步开挖后竖向位移云图(待续)

续图4 基坑分步开挖后竖向位移云图

2.2.2 分步开挖过程中坑外土体的竖向位移分析

基坑分步开挖第1步、第3步、第5步、第7步、第9步开挖后坑外土体的竖向位移如图5所示。从图可以看出，随着基坑分步开挖的进行，坑外土体的沉降量也不断增大。坑外土体沉降与开挖面的距离呈线性分布，每一步开挖所造成的坑外土体沉降曲线走势基本一致。基坑分步开挖过程中坑外土体最大沉降量发生在距基坑壁一定距离，之后距基坑壁越远，沉降量逐渐减少。通过模拟计算，第1步、第3步、第5步、第7步、第9步开挖后坑外土体沉降量最大值分别为 4.6、13.7、23.1、32.6、41.3 mm，分别为基坑开挖深度的 0.34‰、0.99‰、1.66‰、2.34‰、2.95‰，均符合规范的建议值3‰～5‰［7］。

图5 分步开挖过程中坑外土体的竖向位移

2.2.3 分步开挖过程中坑底的竖向位移分析

基坑分步开挖第1步、第3步、第5步、第7步、第9步开挖后基底竖向位移如图6所示。由图可知，随着开挖深度的增加，坑底土体竖向位移逐渐增大，在开挖过程中每一步开挖所造成的坑底竖向位移曲线走势基本一致;基坑中心坑底隆起量最大，其中第1步、第3步、第5步、第7步、第9步坑底隆起值分别为20.0、35.6、46.6、53.0、60.1 mm，在整个开挖过程中坑底14 m处的最大隆起值分别为11.8、24.0、36.1、48.2、60.1 mm(图7);其中第9步开挖隆起最大值为基坑深度的4.32‰，符合规范所建议值(3‰～5‰)。

图6 分步开挖后基底竖向位移图(待续)

续图6 分步开挖后基底竖向位移图

图7 基坑坑底14 m处在第一、三、五、七、九开挖步中竖向位移

3 结论

本文拟定了基坑分步开挖与支护方案，对基坑开挖与支护过程中的竖向位移特征进行分析。根据模拟计算分析的结果，结论总结如下:

1)在对基坑进行分步开挖的过程中，开挖后坑外土体沉降量最大值为41.3 mm，为基坑开挖深度的2.95‰，符合规范建议值。

2)在对基坑进行分步开挖的过程中，基坑竖向位移的最大值出现在基坑坑底中心位置，其值随开挖的持续逐渐增大，最大值为60.1 mm，为基坑深度的4.32‰，符合规范所建议值(3‰～5‰)。

3)本文拟定的基坑分步开挖方案能够满足该基坑竖向位移在施工过程中的需要，其开挖过程中所发生的位移值均在规范所要求的范围内，可以为基坑的实际施工提供参考，具有十分重要现实意义。

［1］庄心善.深基坑开挖土体的卸荷试验研究及有限元分析［D］.武汉:武汉理工大学，2005.

［2］邓小鹏.深基坑开挖与支护有限元数值分析［D］.西安:长安大学，2004.

［3］丁勇春.软土地区深基坑施工引起的变形及控制研究［D］.上海:上海交通大学，2009.

［4］姜忻良，宗金辉，孙良涛.天津某深基坑工程施工监测及数值模拟分析［J］.土木工程学报，2007，20(2):79 －83.

［5］王 强.塑料板排水预压法加固软基机理及沉降计算方法研究［D］. 南京:河海大学，2004.

［6］李 亚.浅谈钢板桩在深基坑支护中的应用［J］.交通科技，2010(4):102－106.

［7］GB 50497－2009，建筑基坑工程监测技术规范［S］.