不同超挖厚度对围护结构及周边环境的影响

汤　瑞,王　强,过　令,宫保聚

(安徽理工大学 土木建筑学院，安徽 淮南　232001)



不同超挖厚度对围护结构及周边环境的影响

汤瑞,王强,过令,宫保聚

(安徽理工大学 土木建筑学院，安徽 淮南232001)

摘要：为了深入研究基坑开挖过程中超挖厚度的不同对基坑围护结构的内力和位移及周边环境的影响，运用岩土有限元软件Midas GTS模拟了在不同超挖厚度下深基坑开挖过程，从而得到在不同超挖厚度下基坑围护结构内力、变形及地表沉降的分布规律。计算和分析结果表明：超挖厚度对基坑围护结构的内力和位移及地表沉降产生了较大影响，尤其是围护结构水平位移及地表沉降；在超挖的影响下桩和锚索不能同时起到维护的作用，使得超挖下桩后土体变形较大，基坑的稳定性处于不利的状态。研究结果将有助于提高深基坑设计水平，为类似工程的设计、施工和研究提供必要参考。

关键词：超挖厚度；围护结构；深基坑；内力；位移；周边环境

1研究背景

深基坑工程是一门较为古老的学科，早在20世纪30年代，Terzagi等[1]就已经对基坑工程展开了研究，但在早期的研究过程中，大多采用传统的计算分析法，主要有等值梁法、太沙基法、山肩邦男法、弹性梁法、弹塑性法等[2]，或是如Peck等[3-4]通过统计大量工程实测资料后对结果进行分析，得出地表最大沉降值与墙体最大侧向位移之间的关系。而我国基坑工程的研究始于20世纪80年代，之后随着城市建设的不断深入，出现越来越多的深基坑工程，从而进一步推动了该学科的发展，在之后30多年研究过程中，我国学者也取得了一些瞩目的成就[5-6]。在此之后随着计算机技术的发展，出现了大量的有限元软件，使得数值分析已成为敏感环境下基坑工程分析的最重要手段[7]。在此基础上学者们利用有限元软件针对具体的基坑工程开挖进行模拟，通过对模拟结果的分析和归纳，得出了对基坑产生较大影响的因素。文献[8]中徐杨青等建立了模拟深基坑开挖和支护全过程的平面有限元数值分析模型，找出了影响深基坑变形的主要因素：支护结构的刚度、支护结构入土深度、基坑开挖深度和宽度以及土层强度参数等。文献[9]中高文华等则通过Mindlin厚板理论，编制的计算程序，分别探讨了分步开挖深度、基坑开挖宽度、边界约束条件、地基流变等因素对支护结构内力和变形时空效应的影响。

在众多对基坑产生影响的因素中，对分步开挖厚度进行了研究，如尹小涛等[10]通过模拟得到分步土层开挖厚度和开挖速率的加大，影响了基坑侧壁水平变形速率和基底隆起变形速率,实际施工过程中应寻找开挖速度、挖深和基坑允许变形的平衡点。但在实际施工中往往因为工期的原因，施工单位往往会进行超挖，这样直接影响施工工序的正常进行，如李方成等[11]就利用了有限元分析软件，模拟在开挖厚度过大下桩-撑结构对基坑围护结构变形的影响。但在开挖厚度过大下桩-锚结构对基坑影响的研究较少。为此，笔者利用岩土工程有限元软件MIDAS的Mohr-Coulomb本构模型和其优越的前后处理及计算性能，对基坑施工过程中不同超挖厚度下基坑的变形情况做仿真模拟并作对比，分析其对基坑稳定性的影响。

2工程概况及其有限元模型

2.1工程概况

广州珠江新城某高层建筑，其基坑形状近似矩形，占地面积约5 374 m2，基坑底周长约297 m。基坑开挖底标高为-29.3 m，坑顶标高为-1.70 m，开挖深度为27.60 m；总土石方量约为16万m3。支护结构采用边坡锚喷+人工挖孔排桩+预应力锚索，其中具体布置为：首先放坡开挖2.5 m进行边坡锚喷，然后再进行人工挖孔桩的施工，最后分层开挖并在设计位置施加预应力锚索，共5道预应力锚索。

本基坑工程的各土层物理力学参数如表1所示。

表1　各土层物理力学参数Table 1　Physico-mechanical parameters of soils

2.2有限元模型的建立

建立了基于岩土工程有限元软件Midas GTS的二维分析模型，在有限元模拟中，将土层用平面应变单元类型，土体的本构模型采用 Mohr-Coulomb弹塑性模型；用植入式桁架单元模拟锚杆和锚索，其中在模拟预应力锚索的时候用植入式桁架单元模拟锚索的固定端，用一对相对力模拟锚索的自由端；用梁单元模拟桩。基坑剖面图如图1所示。

图1　支护结构剖面

为简化计算和建模方便，对模型作如下处理：

(1) 土体的计算深度取基坑开挖深度的2.5倍，计算宽度自开挖边界向外取开挖深度的2倍。

(2) 施加的边界条件为在模型左右两侧x方向受水平约束，模型底面受水平和垂直方向的约束。

2.3开挖工况模拟

本次研究中以超挖厚度的不同分为5种方案，其超挖厚度分别约为0.5，2.0，3.0，4.0，6.0 m，每个方案中各个工况下超挖厚度相同。同时在实际施工过程中，为了方便预应力锚索的施工，往往超挖0.5 m。

在模拟过程中，首先基坑按1∶0.6进行放坡开挖2.5 m至设计标高-4.2 m即桩顶处，同时在开挖至设计标高-2.2 m和-3.7 m处分别设置2道锚杆，并挂网喷射混凝土进行边坡的加固，最后在进行人工挖孔桩的施工。以超挖0.5 m为例，具体工况如下：

工况1，基坑全场超挖0.5 m，待超挖完成后进行预应力锚索1的施工，之后再开挖至设计标高-10.7 m；

工况2，基坑全场超挖0.5 m，待超挖完成后进行预应力锚索2的施工，之后再开挖至设计标高-17.2 m；

工况3，基坑全场超挖0.5 m，待超挖完成后进行预应力锚索3的施工，之后再开挖至设计标高-23.7 m；

工况4，基坑全场超挖0.5 m，待超挖完成后进行预应力锚索4的施工，之后再开挖土体至基底，最后进行预应力锚索5的施工。

最终通过模拟5种方案，得到不同超挖厚度对基坑围护结构及周边环境的影响。

3计算结果分析

下面将分别计算在各个工况中5种不同超挖厚度(0.5，2.0，3.0，4.0，6.0 m)下，基坑围护结构变形、内力及周边环境的变化情况，同时由于模拟是在对称的情况下进行的，故以基坑一边为例并加以总结。

3.1桩体水平位移

在各个工况下，基坑全场按一定的厚度进行超挖，超挖完毕后进行锚索施工，当锚索发挥作用后再开挖至设计标高，在此过程中相同工况下不同厚度超挖对左侧桩体水平位移的影响如图2所示。

图2　桩体的水平位移

由图2分析可知：

(1) 在工况1下，当开挖至桩顶以下6.5 m时桩体的最大位移位于桩顶处，桩体最主要的变形主要发生在桩顶以下0～10 m以内。当超挖厚度为0.5 m时，桩体最大位移S为7.894 mm，当超挖厚度达到6 m时，与之相应，S从7.894 mm增至11.23 mm，桩体的水平位移随着超挖厚度的增加而增大。

(2) 在工况2下，基坑开挖至桩体以下13 m处，桩体最主要的变形区域位于桩顶以下0～15 m的范围内。当超挖厚度为0.5 m时，桩体最大位移S为8.978 mm，当超挖厚度达到6 m时，与之相应，S从8.978 mm增至14.48 mm，变化规律与工况1类似。

表2　桩体最大水平位移及其变化率Table 2　Maximum horizontal displacements of pile and their change rates

注:S1，S2，S3，S4，S5分别表示超挖厚度为0.5，2.0，3.0，4.0，6.0 m下的最大水平位移。

(3) 在工况3下，基坑开挖至桩顶以下19.5 m处，桩体最主要的变形区域进一步扩大至桩顶以下20 m，在20 m以下桩底的位移慢慢地增大，这是由于土方开挖使桩体内侧的侧压力减少，同时，剩余土体得到部分卸荷回弹变形，在竖向得到弹性恢复，进而使得桩底产生了位移。当超挖厚度为0.5 m时，桩体最大位移S为9.873 mm，当超挖厚度达到6 m时，与之相应，S增至15.42 mm，变化规律与工况1类似。

(4) 在工况4下，基坑开挖至基底。当超挖厚度为0.5 m时，桩体最大位移S为11.99 mm，当超挖厚度达到6 m时，与之相应，S增至17.55 mm，变化规律与工况1类似。

由上面的分析可得到，在各个工况下超挖0.5 m对桩体水平位移影响最小。其他超挖厚度与其相比得到桩体水平位移的变化率见表2。

由表2可知，可以看出桩体的平均变化率在30%左右，其中当超挖厚度达到6 m时，各个工况下桩体水平位移值变化率都是最大的，同时在工况2下最大变化率高达61.28%，由此可以看出超挖严重威胁到基坑的稳定性和安全性。在每个工况中，总是先超挖然后再进行预应力锚索施工，使得在工况1下基坑开挖相当于在悬臂状态下进行，同样在工况2—4下基坑开挖过程中预应力锚索的施工处于滞后状态，总是桩体先作为围护结构来抵挡侧向土压，之后锚索才发挥作用，这样才使得桩体的水平位移值随着超挖厚度增大而增大。

3.2地表沉降

(1) 在工况1下，基坑全场先进行超挖，在超挖过程中锚索1尚未施工，此时只有桩体作为围护结构来抵挡土体的侧向土压。当超挖部分开挖完毕后，再进行锚索1施工，待锚索1发挥作用后再开挖至设计标高-10.7 m，得到地表沉降如图3(a)所示。

从图3(a)中可知，在超挖厚度为0.5,2,3 m时，地表沉降值最大都在坑边，最大值分别为1.645,1.246,0.842 3 mm。当超挖厚度为4,6 mm时，地表沉降最大值在距坑边8 m左右处，最大值分别为0.793,0.972 mm。在超挖厚度为2,3,4,6 m，地表沉降曲线有相同的变化规律，具体表现在距坑边0～4 m的范围之内地表沉降量逐渐减小，而在距坑边4～10 m的范围内沉降量逐渐增加，在距坑边10 m之后沉降量又随距坑边距离的增加而减小。

(2) 在工况2下，基坑全场先进行超挖，同样在超挖过程中锚索2尚未施工，此时只有锚索1和桩体作为围护结构来抵挡土体的侧向土压。当超挖部分开挖完毕后，再进行锚索2施工，待锚索2发挥作用后再开挖至设计标高-17.2 m。得到地表沉降如图3(b)所示。

从图3(b)中可知，在超挖厚度为0.5,2,3,4,6 m时，地表沉降在坑边最大，最大值分别为1.816,1.553,1.533,1.534,1.521 mm。同样在超挖厚度为2,3,4,6 m，曲线变化规律相似，其变化规律和工况1相似。

(3) 在工况3下，基坑全场先进行超挖，同样在超挖过程中锚索3尚未施工，此时只有桩和锚索1、2作为围护结构来抵挡土体的侧向土压。当超挖部分开挖完毕后，再进行锚索3施工，待锚索3发挥作用后再开挖至设计标高-23.7 m。得到地表沉降如图3(c)所示。

图3　各工况下地表沉降

从图3(c)中可知，在超挖厚度为0.5,2,3,4,6 m时，地表沉降最大发生在坑边，其中最大值分别为2.053,1.792 ,1.777,1.783,1.779 mm。同样在超挖厚度为2,3,4,6 m下地表沉降曲线变化规律相同，其变化规律和工况1相似。

(4) 在工况4下，基坑全场先进行超挖，同样在超挖过程中锚索4尚未施工，此时只有桩和锚索1，2，3作为围护结构来抵挡土体的侧向土压。当超挖部分开挖完毕后，再进行锚索4施工，之后再开挖至基底。最后得到地表沉降如图3(d)所示。

从图3(d)中可知，在超挖厚度为0.5,2,3,4,6 m时，地表沉降最大发生在坑边，其中最大值分别为3.433,3.103,2.953,3.099,3.104 mm。在超挖厚度为2,3,4,6 m下地表沉降曲线变化规律相同，其变化规律和工况1基本相似。

从理论上来讲，地表沉降曲线应该呈现三角形或是凹槽型[3]。但从上面的分析可以看出，在所有工况中只有超挖厚度为0.5 m时，其地表沉降曲线呈现三角形，同时地表沉降都是最大。而在工况1—4下超挖厚度为2，3，4 ，6 m时，地表沉降曲线并不是规则的三角形，而是在0～8 m的范围内出现了剧烈的波动，这是因为在超挖过程中桩体先作为围护结构来抵挡侧向土压力，这使得桩体变形较大，桩后土体松动范围较大。但是在施加预应力锚索后，使得桩对桩后松动的土体有一定的压实作用，桩后部分土体隆起来减小了地表的沉降量。而后随了工况的进行不断在重复上述过程，但是又因为随着开挖深度的增加，松动土体被压实后产生的隆起作用对地表沉降影响越来越小。使得距坑边0～8 m的地表沉降变化的剧烈程度随着工况的进行而逐渐减弱。同时可以看出，各个工况下在距坑边8 m以后的地表沉降量都是随超挖厚度的增加而增大的。

3.3桩体内力分析

(1) 在工况1中，基坑从设计标高-4.2 m处分别按5种不同的厚底进行超挖，之后施加预应力锚索1，再开挖至设计标高-10.7 m处。得到此时桩体弯矩如图4(a)所示。从图4(a)中可以看出桩体弯矩变化曲线基本一致，在桩顶以下8.5 m左右处弯矩值最大。当超挖厚度为0.5 m时，桩体最大弯矩M为789.72 kN·m，当超挖厚度达到6 m时，与之相应，M从789.72 kN·m增至1 009.99 kN·m。可以看出超挖厚度越大对桩体所造成的弯矩就越大。

(2) 在工况2中，基坑开挖至设计标高-17.2 m。得到桩体弯矩如图4(b)所示，由图4(b)可知：当超挖厚度为0.5 m时，桩体最大弯矩M为432.60 kN·m；当超挖厚度达到6 m时，与之相应，M从432.60 kN·m增至684.05 kN·m，变化规律类似于工况1。同时最大弯矩值的位置向下移动至桩顶以下8.91 m处。但是工况2中桩体弯矩相比工况1有较大的减小，这是因为在桩顶以上土体是采用放坡开挖，同时在工况1下超挖过程相当于悬臂开挖状态使得在工况1桩体弯矩最大。在随着基坑开挖深度的增加，锚索1,2发挥了作用有效的抵消了侧向土压，使得在工况2下桩体所受的弯矩得到减小。

表3　桩体最大弯矩及其变化率Table 3　Maximum moments of pile and their change rates

注:M1,M2,M3,M4,M5分别为超挖厚度0.5，2.0，3.0，4.0，6.0 m下的最大弯矩。

(3) 在工况3中，超挖过程中锚索1,2发挥作用，超挖完毕后施加预应力锚索3，在之后土体开挖至设计标高-23.7 m过程中，锚索1,2,3共同发挥作用。得到桩体弯矩如图4(c)所示。从图4(c)中可以看出，桩体最大弯矩还是保持在桩顶以下8.91 m处，当超挖厚度为0.5 m时，桩体最大弯矩M为474.15 kN·m，当超挖厚度达到6 m时，与之相应，M从474.15 kN·m增至748.99 kN·m，变化规律类似于工况1。但相比工况2,该工况中桩顶以下13～20 m处弯矩有较大的变化，是因为预应力锚索3抵消部分侧向土压从而使得不利弯矩得到减小。

(4) 在工况4中，且在锚索1,2,3共同作用下进行超挖的，超挖完毕后进行预应力锚索4的施工，之后再开挖至基底。此时得到的桩体弯矩如图4(d)所示，从图4(d)可以看出，当超挖厚度为0.5 m时，桩体最大弯矩M为474.63 kN·m，当超挖厚度达到6 m时，与之相应，M从474.63 kN·m增至763.67 kN·m，变化规律类似于工况1。但弯矩最大值位于桩顶以下9.5 m处，相比工况3有所下降。同时相比工况3该工况中桩顶下0～15 m内弯矩变化趋势基本一致，但在15～25 m处弯矩有较大的差异，这是因为预应力锚索4的作用进一步的减小了桩体的不利弯矩。

图4　各工况下桩体弯矩

从上面的分析，可以得到与实际情况相比，其他超挖厚度下桩体弯矩最大值比较见表3。

由表3可知，超挖厚度对桩体弯矩影响较大，随着超挖厚度的增加弯矩值也在增大。在各个工况下超挖厚度的增加，使得桩体所受到的弯矩值增大了近10%～60%不等。可以看出施工过程中一旦超挖厚度过大，必然使得桩体弯矩产生较大的变化，对基坑的安全构成了严重的威胁。

4结论

(1) 基坑开挖工程中，随着基坑开挖深度的增加，桩体的水平位移也随之增大。其主要的变形曲线都呈现：在桩顶处位移最大，之后随着桩深的增加而逐渐减小。同时在桩顶以下0～10m的范围内，桩体的水平位移变化较大，为桩体的监测提供了重要分析资料。

(2) 在各个工况下，桩体的水平位移随着超挖厚度的增加而增大。并且相比实际情况下，其他超挖厚度所造成的桩体平均变化率高达30%。同时在工况2下超挖对桩体的影响最大，应加强在此过程中的监测。

(3) 在基坑开挖时会对周边的环境产生影响，地表沉降则是其中一项重要的表现。可以看出，随着开挖深度的不断增加，引起的地表沉降也在不断增加。同时在超挖过大的情况下，引起的地表沉降在距坑边0～8m的范围之内出现了较大的“突变”。所以在基坑开挖时要避免过度超挖，同时应当在施工过程中密切关注该“突变”区域，加强监控。

(4) 在桩体内力分析中，可以看出在同一工况下，桩体的最大弯矩随着超挖厚度的增加而增大。说明在超挖过程中桩后侧向土压力先对桩产生了一定的变形，之后再施加预应力锚索，虽然能抵消一部分的土压力，但是还是不能达到桩和锚索共同作用所达到的效果。同时随着基坑开挖深度的增加，锚索发挥的作用也越来越大。

(5) 从上述分析中可以看出，超挖对基坑围护结构和周边环境产生较大的影响，故在实际施工中要注意及时支护，避免过度超挖。

参考文献：[1]TERZAGHI K.Theoretical Soil Mechanics[M].New York: John Wiley & Sons Inc., 1943.

[2]陈忠汉，程丽萍.深基坑工程[M].北京：机械工业出版社,2003.

[3]PECK R B.Deep Excavations and Tunneling in Soft Ground[C]∥International Society for Soil Mechanics and Geotechnical Engineering. Proceedings of 7th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Mexico City,Mexico, August 25-29,1969：275-290.

[4]MANA A I,CLOUGH G W.Prediction of Movement for Braced Cut in Clay[J].Journal of the Geotechnical Division, 1981, 107(6): 756-777.

[5]龚晓南.墙后卸载与土压力计算[J].地基处理，1995,6(2):42-43.

[6]曾国熙，潘秋元，胡一峰.软粘土地基基坑开挖现状的研究[J].岩土工程学报,1988,10(3):13-22.

[7]徐中华,王卫东.敏感环境下基坑数值分析中土体本构模型的选择[J].岩石力学,2010,31(1):258-264.

[8]徐杨青，王永宁，程杰林.模拟深基坑开挖和支护全过程的有限元数值分析[J].岩石力学,2002,23(增1):157-160.

[9]高文华,杨林德, 沈蒲生.软土深基坑支护结构内力与变形时空效应的影响因素分析[J].土木工程学报,2001,34(5):90-96.

[10]尹小涛,葛修润,李春光,等.开挖步及其厚度对基坑变形破坏的影响研究[C]∥第2届全国工程安全与防护学术会议论文集. 北京:科学出版社,2010:293-298.

[11]李方成,郭利娜,胡斌,等. 基于MIDAS软件探讨施工工序对深基坑稳定性的影响[J].长江科学院院报,2013,30(3):49-55.

(编辑：赵卫兵)

收稿日期：2014-10-14;修回日期:2014-11-11

基金项目：中国博士后科学基金项目(2014M561806); 安徽省博士后科学基金(2015B046)；中国建筑总公司项目(CSCEC-2013-Z-10)

作者简介：汤瑞(1992-),男，安徽含山人，硕士研究生，主要从事基坑工程方面的研究,(电话)15055429203(电子信箱)tangrui19920210@163.com。

通讯作者：王强(1978-)，男，河北定州人，副教授，硕士生导师，博士，从事岩土工程及环境岩土工程研究,(电话)18055430508(电子信箱)wangqiang0711@163.com。

doi:10.11988/ckyyb.20140879

中图分类号：TU43

文献标志码：A

文章编号：1001-5485(2016)04-0105-06

Influence of Over-excavation Thickness on RetainingStructure and Surrounding Environment

TANG Rui,WANG Qiang,GUO Ling, GONG Bao-ju

(School of Civil Engineering and Architecture, Anhui University of Science and Technology, Huainan232001,China)

Abstract:In order to study the influence of over-excavation thickness on internal force and displacement of retaining structure as well as surrounding environment, we simulate the excavation process of deep foundation pit by using Midas GTS software, hence obtaining the distributions of internal force of retaining structure, deformation and subsidence in the presence of different over-excavation thicknesses. The analysis results show that over-excavation thickness has big influence on internal force and displacement of retaining structure and ground subsidence, especially on horizontal displacement of retaining structure and ground settlement. Furthermore, affected by over-excavation, the maintaining effects of pile and anchor could not act in the same time, and soil deformation under the pile is big, which is unfavorable to the stability of foundation pit. Through the research, we can improve the design of deep foundation pit, and the results can be referenced for the design, construction and research of similar projects.

Key words:over-excavation thickness; retaining structure; deep foundation pit; internal force; displacement; surrounding environment

2016,33(04):105-110