黄土扩挖深基坑邻近结构特征响应研究

戴兵强，刘寅昌，周国梁，杨东亮

(中建一局集团建设发展有限公司，北京 100020)

随着西部发展战略的提出，我国西部地区逐渐向城市化发展，黄土地区城市空间日渐狭小。为了更高效地利用土地资源，提高土地资源的使用效率，地下空间向更大更深的趋势发展是解决此类问题的最佳选择。因此，在这种发展趋势的大环境下，黄土基坑的开挖也越来越大、越来越深。虽然黄土地区基坑工程的大规模发展一方面使得城市的建设发展更加完善，但是基坑工程在建设中也可能会给周边环境的发展带来不利的影响[1-5]。

近些年，国内外许多学者针对黄土深基坑施工对邻近结构物的影响开展了大量研究，研究方式主要集中在现场测试数据分析、有限元建模分析以及模型试验分析三方面。刘均红[6]等以黄土地区某地铁站深基坑为工程背景，基于现场测试数据分析了基坑支护结构的内力及变形规律。梅源[7]等基于现场监测数据统计了西安地区黄土深基坑开挖造成的地表沉降及支护桩的变形规律，得出了黄土深基坑开挖造成土体及支护结构的变形小于非黄土地区。王玲玲[8]等借助有限差分程序FLAC3D分析了某湿陷性黄土基坑工程在不同工况下支护结构和坑周土体的变形规律。刘安宁[9]基于现场实测数据与有限元模拟计算分析了西安高科尚都二期深基坑开挖时对围护结构及周边土体的变形及受力的影响。崔广芹[10]等基于固结回弹试验模拟了黄土基坑在不同开挖深度下土体的卸荷回弹规律，确定了黄土深基坑卸荷开挖时土体的最大影响深度及强回弹区范围，并借助现场测试数据及理论计算结果验证了模型试验结果的可行性。

近些年，随着西部地区大开发战略的实施，西安和其他西部城市的现代化建设也逐步加快，学者对黄土深基坑的研究也越来越多，而且也取得了一定的研究成果，但是目前黄土深基坑在开挖过程中尤其是扩挖过程中，支护结构、周边土层以及临近结构物的力学特性对其施工的响应规律如何变化仍然需要学者进行大量的研究。文章以西安市某黄土深基坑扩挖施工为工程依托，将现场测试数据与有限元软件数值计算结果相结合研究了既有黄土地基深基坑在扩挖时基坑支护结构的变形、周边地层位移以及邻近结构物的响应特征，为类似的实际工程提供一定的参考价值。

1 工程概况

拟建场地中间为一遗弃的深基坑(废弃10 a)，深约6.5 m，东西方向长约81.0 m。南北方向宽约37.0 m。新建酒店基坑需在原废弃基坑的基础上进行扩挖(纵向、水平向扩挖)，扩挖深度约11.20 m。扩挖基坑南侧紧邻利之星奔驰汽车4S店的展厅，西侧紧邻停车场和维修车间，场地北侧为拟建施工道路，场地东侧外为鱼化一路。深基坑的南侧和西侧坑壁均由既有地下室外墙、立柱和基础构成，南侧坑壁的柱间距(中心距)为5.9 m，西侧坑壁的柱间距(中心距)为9.2 m。东侧和北侧东段的坑壁在腰部设有一圈钢质腰梁和锚杆，坡率约为1∶0.2，表面喷射混凝土，锚杆长度为8.0～10.0 m。并在北侧坑壁西段设置有8根围护桩，直径约1.2 m，长度约12.0 m，桩间距约2.5 m。拟扩挖深基坑见图1。

图1 拟扩挖深基坑示意图

2 基坑扩挖施工方案

2.1 基坑扩挖施工方式

根据工程概况，深基坑扩挖采取顺做法施工，在老基坑扩挖位置施作灌注旋喷桩，由于原有基坑西侧和南侧紧邻既有建筑地下停车场，因此南侧新基坑围护桩离既有地下停车场地面线80 cm外的开始施作；西侧拆除原有基坑一部分地下停车场顶板后，开始施作围护桩；北侧西部存在既有围护桩基础，因此在该围护桩外侧1m处施作新围护桩基础，待老基坑挖出之后，施作地下室墙面，由于老基坑存在既有围护桩，挖出之后，新围护桩与既有围护桩之间存在空隙，对其进行回填，保证施作质量。围护桩施作质量达标之后，进行土方开挖。具体施工步骤见图2。

图2 深基坑扩挖施工步骤

2.2 基坑扩挖支护方式

基坑支护措施采用护坡桩+锚索支护，具体支护措施见图3。基坑北侧支护设计如图3(a)所示。东侧与北侧支护不同的是考虑到邻近道路车流量较大，因此采用扩大头锚索施工；基坑西侧、南侧紧邻既有建筑(西安利之星)的地下停车场，因此西侧、南侧基坑第一层先不进行支护，第二层开始支护，基坑西侧、南侧支护设计如图3(b)所示。

图3 锚桩支护示意图

3 有限元分析

为分析此次深基坑扩挖对周边邻近结构物的影响规律，文章借助有限元软件对基坑扩挖进行了三维数值模拟。

3.1 有限元模型

3.1.1 模型建立

本次模拟主要考虑的是基坑、既有建筑物以及道路的变形及应力特征，同时根据相关工程资料，最终定下该扩挖工程的施工深度为11 m，有限元模型的几何尺寸为400 m×250 m×40 m，如图4所示。

3.1.2 基本假定

由于高校图书馆主要是围绕学校教学科研服务，也就是以学科专业类书刊作为重点收藏，因而在红色文献资源建设上普遍存在数量较少，结构单一，质量不高，以及开发利用不够等问题。为了突出社会主义办学方向，加强革命传统教育，传承和弘扬红色精神，切实充实高校图书馆红色文献馆藏意义重大，责无旁贷。以湘西红色文献资源建设为例，笔者采用以下一些对策方式，同时还要注意以下一些问题。

假设模型设置范围内的土层性质均为各向同性的理想弹性材料；基坑模拟开挖分析时，模拟工况开挖为层层开挖而非放坡式开挖；支护桩、冠梁、喷混、锚杆均采用弹性材料模拟，而土体单元则假定为理想的弹塑性材料，使用修正莫尔—库伦模型进行模拟，且支护材料始终与周边土体变形相协调。

3.1.3 有限元建模参数选取

数值模型中，所有土层都应用修正摩尔—库伦本构，用三维实体表示。围护桩、冠梁用一维梁单元表示，预应力锚索、锚杆采用植入式的桁架单元进行模拟。既有建筑的条形基础和柱子采用一维梁单元进行模拟。支护结构有限元模型如图5所示。车库墙板、楼板、路面以及喷混等均采用板单元模拟，对于土层参数和材料属性，见表1～2所示。

图4 既有基坑扩挖三维模型图

图5 桩锚支护有限元模型

表1 土体参数

表2 材料属性

3.1.4 施工阶段模拟

依据现场实际开挖方案，在基坑扩挖前先进行施作围护桩及冠梁，最后再进行扩挖工作。整个基坑扩挖工作分3次进行，第1次扩挖4 m，同时施作锚杆及面层喷混；第2次扩挖3 m，同时施作锚杆及面层喷混；第3次扩挖4 m，同时施作锚杆及面层喷混。基坑累计开挖深度为11 m。

3.2 有限元结果分析

3.2.1 土体位移规律分析

基坑扩挖过程中各个施工阶段下基坑周围土体位移随施工阶段总体上呈现出坑内土体发生隆起，坑外土体发生沉降。未扩挖前，基坑土体基本没有发生隆起；第1次扩挖后基坑内土体最大隆起值为37.65 mm；第2次扩挖结束后基坑内土体最大隆起值为63.51 mm，较第一次扩挖增加25.86 mm，增幅68.6%；第3次扩挖结束后基坑内土体最大隆起值能为85.69 mm，较第2次扩挖增加21.49 mm，增幅33.8%。同上，坑外土层的竖向位移也伴随着基坑扩挖深度的增大而逐渐增大。第1次扩挖结束后，基坑外侧土体最大沉降值达-2.29 mm；第2次扩挖结束后，基坑外侧地表沉降最大值达3.72 mm，较第1次增加1.43 mm，增幅达62.44%；第3次扩挖结束后，基坑外侧地表沉降最大值达到-17.61 mm，较第2次扩挖增加13.89 mm，增幅达373.38%。这部分区域的沉降足以导致地表外侧土体造成太大的差异沉降而导致基坑外侧建筑物发生倾斜，产生裂缝等不良状况，因此基坑在第3次扩挖阶段应做到短开挖、早支护、勤量测。

3.2.2 建筑物位移规律分析

施工结束后建筑物整体位移变化规律与地上建筑物位移变化规律基本相同，沉降值最大区域都位于东南角。建筑物在施工完成后总体位移值在+3.04～-3.51 mm之间变化。施工结束后，建筑物整体处于下沉状态，只有基坑与建筑物接触西南角的小部分区域处于微弱上升状态。接触部位出现微弱向上的位移可能是由于接触部位部分建筑物基础土体不均匀沉降造成的。整个建筑物位移变化区域也具有方向性特征即建筑物整体位移变化值主要随东西方向方向性变化，而与南北方向基本无关。地上建筑物在施工完成后位移值在+0.05～-3.47 mm之间变化，整个地上建筑物位移云图显示的位移变化区域具有方向性特征即地上建筑物位移变化值主要随东西方向方向性变化，而与南北方向基本无关。

为更好地分析黄土深基坑扩挖对周边土体的影响范围，提取基坑南侧中线外围土体的沉降值与水平位移值并绘制成图6～7位移曲线。

从图6～7分析可得：基坑扩挖后，由于土体的应力释放，基坑周边土体必然发生变形。当扩挖深度较小时，基坑外侧土体地表沉降及水平位移都很小，而且扩挖影响范围也较小。随着扩挖深度的增加，土体卸荷效应越来越明显，地表沉降以及水平位移逐渐增大，而且扩挖卸荷效应影响范围也逐渐增大。基坑扩挖至设计高程时，外侧土体沉降最大值约-17 mm，发生在距基坑南侧开挖临空面10 m位置处，开挖影响范围约2.2倍扩挖深度。地表水平位移最大值约21 mm，发生在基坑开挖临空面，开挖影响范围约3倍扩挖深度。显然，地表水平位移值大于地表沉降值，表明黄土基坑扩挖引起的地表位移主要以水平位移为主。

图6 地表沉降计算值图 图7 地表水平位移计算值

3.2.4 围护桩变形规律分析

为分析基坑扩挖对支护结构的影响，以围护桩的水平位移随施工阶段的变化对此进行了研究。从围护桩、冠梁施工阶段到第3次扩挖阶段，随着扩挖深度的增大，围护桩水平位移也逐渐增大。第3次扩挖阶段位移云图表明北侧围护桩桩体最大水平位移24.70 mm，南侧围护桩最大水平位移16.58 mm，东侧围护桩最大水平位移值达16.31 mm，西侧围护桩最大水平位移值达11.51 mm。

此外，由南北两侧y方向围护桩水平位移随施工阶段的变化分析可得，从围护桩、冠梁施工阶段到第3次扩挖阶段，围护桩桩体变形区域随着扩挖深度的增加逐渐沿土体深度、宽度方向扩张，即随着基坑扩挖深度的不断加深，围护桩桩体横向的变形区域也在逐步增加，扩挖结束后围护桩桩体最大位移区域主要集中在围护桩中央位置，这表明基坑施工具有空间效应。

4 数值计算结果验证

为了验证有限元模型的计算结果，选取数值模拟计算结果与现场测试数据进行对比。

4.1 周边建筑物沉降对比分析

图8是由基坑西、南两侧建筑物选取特征点沉降量的对比分析图，图8中施工阶段1～4分别表示施作围护桩及冠梁阶段、基坑第1次扩挖阶段、基坑第2次扩挖阶段、基坑第3次扩挖阶段；两图图例中“Z”表示实测特征点，“z”表示数值计算特征点。由两图可以分析得出：①两图均表明建筑物实测沉降与计算结果随施工阶段呈增大的趋势；②两图建筑物沉降实测值均大于数值计算值，造成这种现象的原因可能是：①有限元模型中土体参数采取经验参数，从而导致数值计算结果与现场测试数据存在差异性；②现场施工中地表土层的变形是复杂的非线性过程，而有限元软件计算结果并不能考虑这些因素，但是数值计算的结论说明，其可为现场实际的施工工作提供一定的预判和参考。

图8 建筑物沉降对比

4.2 围护桩水平位移对比分析

图9是由基坑四周选取的围护桩沿深度方向水平位移实测值与计算值绘制的数据图，图9中桩体实测值只包括基坑扩挖深度范围内的数据，而数值计算值，包含桩体整个深度范围内的数据。

数据表明：图9桩身横向水平位移的现场实测值要稍大于数值计算值，4、11、12、13号围护桩水平位移实测值大于数值计算值可能是因为基坑北侧实际施工过程中坑外场地存在挖土和建材堆载，1～3号桩水平位移实测值大于数值计算值是基坑东侧外围是城市车行道，日常车流量大，超载的作用导致的结果。

图9 沿深度方向实测值与计算值对比

5 结束语

文章首先介绍了深基坑扩挖施工的方案及支护方式，然后借助有限元软件对基坑扩挖进行了三维数值分析，结果如下：

(1)基坑扩挖时，土体位移总体上为坑内土体发生隆起，坑外土体发生沉降。基坑扩挖深度越大，基坑内侧的土体隆起值最大，最大值达85.69mm。基坑外侧的土体沉降最大值约-17.61mm。

(2)基坑扩挖深度不同，对外侧土体的影响范围也不同，扩挖深度越大，对外侧土体的扰动越大，基坑扩挖对外侧土体的影响主要以水平位移为主。基坑扩挖至设计高程时，外侧土体沉降影响范围约2.2倍扩挖深度，水平位移影响范围约3倍扩挖深度。

(3)施工结束后，建筑物整体呈下沉趋势，位移值在+0.05～-3.47mm之间变化，整个建筑物位移区域具有方向性特征即建筑物位移变化值主要随东西方向变化，而与南北方向基本无关。

(4)随着施工阶段的进行，在基坑同一深度，支护桩水平位移最大值区域逐渐由基坑两侧向基坑中间区域递增。

(5)数值计算结果与现场监测结果对比可知，支护桩水平位移变化规律、周围建筑物、的计算值和实测值相差不大，总的来说，数值结果稍大于现场实际的测量值，但是其总的演化态势则具有高度的相似性。这表明文章所提出锚桩支护的加固措施安全可靠，同时，在基坑扩挖施工中，数值模拟可为结构的设计方案作出有效评价。