深基坑开挖周边土体沉降数值模拟研究

黄留新 ，陈学根 ，周爱兆 ，黄献文

（1.江苏省地质矿产局第三地质大队，江苏 镇江212001；2.江苏科技大学 土木建筑学院，江苏 镇江 212005）

基坑开挖是工程施工中一项极其重要的内容。土木工程在进行基坑开挖时，着重关注基坑开挖施工的安全性，确保建筑基坑的稳定性，同时还要保证基坑周围的土体不会出现影响基坑工程质量的位移，以形成完整量化的基坑开挖施工技术方案［1-3］。

在软土等不良地基土的地区，一旦基坑稳定性遭到破坏，周围土体就会产生滑坡和崩塌［4］。本文利用有限元模拟软件建立模型，模拟在加固支护下，基坑在开挖中地表土的沉降规律，并根据地表土沉降规律总结出基坑开挖引起的地表土沉降的影响范围。

1 工程概况

本工程场地东侧紧邻连通港河流，场地地貌单元属长江一级阶地，场地原为农田区，场地地势多种多样，地面标高21.7～22.7m，相对高差约1.0m。地下1层占地面积1.6万m2，地上2，29，30，32层总面积13.84万m2。

根据各土层的物理力学性质，结合地层的沉积时代、成因特征，将场地土划分7层组17个亚层。其中第①层为素填土； 第②层组为第四系全新统冲积的粉质黏土、冲湖积的淤泥质黏土夹粉土、冲积的粉质黏土、粉土、粉砂互层；第③层组为第四系全新统冲积成因的粉质黏土层； 第④层组为第四系上更新统冲、洪积成因的粉质黏土、碎石土；第⑤层组为上第三系粉砂质泥岩； 第⑥层组为白垩—第三系泥质粉砂岩；第⑦层组为三叠系灰岩，下伏基岩为上第三系粉砂质泥岩、白垩—第三系泥质粉砂岩和三叠系灰岩，具体分布如表1。

表1 各岩土层的分布 单位：m

工程场地的上层水位埋深0.46～1.67m，标高22.22～24.46m，上层滞水无统一的自由水面，其水位随季节性降水变化、幅度不一，在雨季时对基础施工有较大影响； 承压水埋深5.72～8.40m，标高16.48～18.74m，水流量主要由扬子江侧向径流补给，与长江的水力密切相连。根据武汉地区的区域水文和地质资料，其年变化幅度为3.0～4.0m。地基基础位于稳定的地下水位以下，地下水产生的浮力较大，施工期间降水方式可采用井点降水法或明沟排水法。

2 基坑开挖技术

2.1 施工工艺

基坑测量放线→开挖导沟排水沟→机械开挖至槽底设计标高500mm以下→开挖土方→修整边坡→底板垫层施工→基础梁混凝土浇筑→土方回填→基槽夯实。

2.2 施工方法

先由机械开挖至槽底设计标高500mm以上，后采用人工（或机械加人工）清土至要求的基底标高。由于工程现场土质情况较差，对于基坑的基础梁、承台、独立基础等部位的开挖，要求按照1∶0.5的坡度放坡开挖，基坑两边均留出400mm施工工作面。对于电梯井和筏板等基坑开挖较深的部位，根据现场实际情况，适当调整放坡系数不小于1∶1和工作面的大小。

2.3 基坑清槽

（1）机械开挖土方后，根据工地现场的施工情况选择独轮车或小型挖掘机运送挖出的土方。运送过程中，随时跟踪测量基槽的标高参数，检查基槽坑壁和边坡的稳定性状况，防止超挖发生坍塌事故。

（2）对基坑内开挖不到的边角部位，由人工修整开挖，并把土方堆至机械开挖半径以内，保证基坑施工进度一致。

（3）修整槽边，清除槽底土方。

2.4 施工要点

2.4.1 施工前准备

另外，对有些中小型项目，往往要求投资相对较大的细部结构工程单独列项计算，如铜片止水或者照明设施等。由于未提供细部结构指标组成，造成其他细部结构要么不再计列造成漏算，要么都算造成重算。当然，也有的专家要求所有细部结构都不单独列项，仍按综合指标计算，造成少算。

基坑开挖前，先修筑坡道作为工作面，为开挖土方和进出的装土车提供便利。运输土方的车辆主要有自卸车和人工手推车。

2.4.2 基坑开挖

土方开挖时，基坑土体厚度保留在150～300mm。验收后进行人工修整。开挖过程中，对可能发生过度开挖的土方，基坑回填部分填料至设计高度。土方回填时，根据基础土壤的类型选择回填土方材料，如果基坑施工要求较高，也可用碎石进行填充。严格按照设计要求进行分层压实。雨季施工时，注意基坑开挖要分层分段进行，开挖与垫层施工相结合，并布设排水沟。排水沟用混凝土施工将其硬化处理。同时做边坡的防护措施和坑底的排水施工。

3 数值模拟分析

3.1 模型基本假设

利用有限元软件建立基坑的二维模型［6］，模拟基坑开挖的施工过程。假设开挖基坑周围土体为理想的弹塑性土体，且土层分布均匀；假设基坑周围的桩基础和锚杆维护结构共同作用，且均匀分布［6］；为使计算结果更加简化，本文不考虑地下水的影响，也不考虑基坑周围的施工环境条件及工人施工工艺的影响。

3.2 有限元模型的建立

3.2.1 模型尺寸

土方开挖的基坑宽5m，基坑深4.5m，支护桩长6m，模型长度取50m，模型高度取30m，网格划分如图1。

图1 基坑网格划分

3.2.2 初始应力状态及边界条件的设置

选取的模型底边施加固定约束，顶面设置为自由边界，侧面设置为法向约束，支护桩设置为扭转约束。按重力状态考虑土体的初始应力状态，为方便计算不考虑地下水及周边环境的影响。

3.2.3 本构模型的选择

土体采用2D平面应变单元摩尔-库伦准则，增加土体及支护结构选用的本构模型。

3.2.4 基坑土方开挖设置

模型中的基坑开挖顺序按照分层开挖、分段开挖、先撑后挖、随挖随撑的支护方式进行加固，先把初始应力场及位移恢复初始值零状态，再施工支护桩，最后分层、分段开挖、支护至坑底设计标高。分3层开挖，开挖深度分别为 1.5，3，4.5m。

3.3 计算结果

图2为开挖至-1.5m时模型位移云图，通过模型分析提取沉降位移云图，分析基坑在开挖阶段的位移沉降规律。基坑周围土体出现下沉趋势，坑底土体出现隆起现象。

图2 开挖至-1.5m时坑外地表沉降

图3为开挖至-3.0m时模型位移云图，图4为开挖至地下-4.5m时基坑变形云图，该工况为基坑支护的最后阶段。可以看出，随着基坑开挖深度的增加，基坑周边土体的变形值也在逐渐增大，但在内支撑等支护结构的支持下，基坑处于稳定状态，满足稳定性要求。距基坑边缘6m距离处沉降最大，随之逐渐减小。

图3 开挖至-3m时坑外地表沉降

图4 基坑开挖至-4.5m时地表沉降

由图2～图4可知，两个开挖阶段的地表土沉降曲线的变化趋势基本一致，呈现“下凹型”，且随基坑开挖深度的逐渐增加，坑外地表沉降的大小先逐渐增加而后逐渐减小，而最大沉降值出现的位置并不是靠近基坑的边缘处，而是距离基坑边缘有一定的距离处，且随着开挖进度逐渐增加其位置距基坑边缘越远。

（1）基坑开挖至地下-1.5m 时，检测地表沉降值最大为-1.03mm，距离基坑边缘5m 处的位置。

（2）基坑开挖至-3m 时，监测坑外地表沉降的最大值为-1.07mm，距离基坑边缘9m 处。

（3）当基坑开挖至基坑底部时，坑外地表沉降最大值为-1.66mm，距离基坑边缘10m 处。通过模拟模型中的计算结果，绘制地表土沉降曲线图，本文重点分析基坑在开挖阶段坑外地表土体的沉降规律，如图5。

图5 坑外地表沉降曲线

由图5可知，该工程施工基坑的沉降影响区主要在距离基坑外边缘的0～20m处，在距离基坑外边缘20～40m的位置处于次要影响区。

4 结语

（1）基坑施工时，需从基础土方的开挖与基坑坑壁和坑底的支护两个方面进行施工管理。

（2）土方开挖施工时，严格按照设计要求施工工艺和施工流程进行。

（3）开挖施工要注意基坑开挖的安全性，保证基坑的稳定性，及周围土壤不能发生任何影响基坑质量的位移。

（4）利用有限元软件对基坑开挖过程中地表土沉降规律进行总结，基坑沉降影响区主要在距离基坑外边缘的0～20m处，在距离基坑外边缘20～40m的位置处于次要影响区。