基坑宽度对基坑开挖效应的影响

杨 山 奇

(新疆铁道勘察设计院有限公司，新疆 乌鲁木齐 830011)

1 概述

窄长基坑在实际工程中以地铁隧道等为工程背景广泛存在，基坑开挖过程中会影响周围的建筑物及构筑物[1-3]，本文研究基坑开挖宽度对基坑变形规律的影响。

FLAC3D三维快速拉格朗日差分程序在基坑工程数值模拟方面具有良好的适应性，刘继国等[4]用FLAC3D模拟深基坑开挖与支护，刘勇等[5]用FLAC3D模拟深基坑围护结构变形，均表明了FLAC3D在工程实际中有良好的实用价值。

本文采用FLAC3D对三种土体的70个基坑进行开挖模拟，据此分析了基坑侧壁的水平位移和坑底隆起位移的变化规律。

2 分析模型和分析方法

2.1 分析模型

计算中采用摩尔—库仑弹塑性模型，采用FLAC3D软件提供的RADBRICK块体外围渐变放射网格。为了减少(消除)边界效应的影响，边界尺寸应为基坑尺寸的2倍或更多，本文在基坑的X，Y，Z方向各延长10 m。为使模型切合窄长基坑的特点，当基坑开挖宽度小于10 m时，基坑开挖长度为20 m；当基坑开挖宽度大于10 m时，基坑开挖长度选取40 m。

选取填土、粉质粘土和强风化砂岩三种土体，土体的主要参数见表1。

表1 土体的主要参数

2.2 分析方法和方案

采用FLAC3D作为数值模拟程序。首先确立模拟窄长基坑的尺寸大小，见表2。

表2 模拟基坑尺寸 m

选取基坑横剖面，记录基坑侧壁顶点A、中点B、底点C的水平位移以及基底四分点D、基底中点E的隆起位移。由于基坑具有对称性，布置如图1所示。

模拟70个不同尺寸、不同土体的基坑，应用FLAC3D数值模拟出各监测点的位移值，把模拟结果整理成表格的形式，并绘制成折线图来分析规律。

选取宽深比(b/h)作为基坑开挖宽度的量值，分别分析出开挖深度为2 m，4 m，6 m时基坑侧壁水平位移和基坑底部隆起位移值随着宽深比增加的变化规律，并比较土体参数对开挖效应的影响。

3 结果分析

用FLAC3D模拟出各个基坑的开挖效应，分析开挖效应基坑侧壁水平位移和基坑底部隆起位移的变化规律，图2为水平位移云图，图3为竖直位移云图。

由图2可以看出，基坑侧壁的水平位移呈对称分布，且位移大小从基坑侧壁顶部到底部近似呈现递减的趋势。由图3可以看出，基坑底部的隆起位移也具有对称性，且隆起位移从基坑底部中点位置向基坑侧壁呈现递减趋势。由于基坑位移的对称性，选取基坑中部横剖面来研究基坑侧壁水平位移和基坑底部隆起位移随着基坑开挖深度的变化规律。

记录基坑侧壁监测点A，B，C的水平位移和基坑底部监测点D，E的隆起位移，整理出数据如表3～表5所示。

3.1 基坑侧壁水平位移值随b/h变化规律

由表3～表5整理出在基坑开挖深度为h=2 m时基坑侧壁水平位移值随着宽深比(b/h)的变化规律。

表3 开挖深度h=2 m时各监测点位移值 mm

表4 开挖深度h=4 m时各监测点位移值 mm

表5 开挖深度h=6 m时各监测点位移值 mm

由图4得随着宽深比(b/h)的增加基坑侧壁水平位移的值逐渐减小，并趋于稳定。并且可以得出当基坑宽深比(b/h)约为6时侧壁水平位移最小，且随着宽深比(b/h)的增加，基坑侧壁的水平位移基本趋于稳定。

3.2 基坑底部隆起位移值随b/h变化规律

由表3～表5可以整理出基坑底部隆起位移值随着b/h的变化规律。以h=4 m基坑底部隆起位移值为例来讨论，见图5。

由图5可以看出，随着宽深比(b/h)的增加，基坑底部中点E的隆起位移逐渐增加，当b/h约为5时，基坑底部中点隆起值趋于稳定。并且基坑底部中点的隆起值为基坑隆起位移的最大值。

3.3 b/h恒定时土体材料变化对变形位移的影响

本文选取了填土、粉质粘土和强风化砂岩三种土体作为研究对象。在基坑宽深比(b/h)恒定时，选用c/(γ·h·tanφ)作为土体的特征值，分析基坑侧壁顶点的水平位移值和基坑底部中点隆起位移值与土质的关系。

分析开挖深度h=4 m时，基坑侧壁顶点位移值和基坑底部中点隆起位移值随着土体材料变化的规律。

由图6得，h与b恒定时，土体参数c/(γ·h·tanφ)对基坑侧壁顶点位移值的影响较大，并且可以推断，相同开挖条件下，土体c/(γ·tanφ)值越小，基坑侧壁顶点位移值越大。

分析图7得，相同开挖条件下，三种土体的基坑底部中点位移值基本相同，由此推断，基坑底部中点隆起位移值与基坑开挖深度和宽度等开挖条件有关，与土体参数情况关系不大。

4 结语

1)当基坑开挖深度较浅(小于6 m)时，基坑侧壁顶点水平位移值随着基坑开挖宽度的增加而增加，在基坑宽度为12 m时顶点水平位移值趋于稳定，不再随基坑宽度增加而增加。

2)基坑底部中点隆起位移值随着宽深比(b/h)的增加而增加，当宽深比约为5时基坑底部中点隆起位移值趋于稳定，并且达到最大值。

3)开挖深度与宽度等开挖条件相同时，土体c/(γ·tanφ)值越小，基坑侧壁顶点水平位移值越大。

4)基坑底部中点隆起位移值与开挖宽度及深度等开挖条件有关，与土体参数关系不大。