某泵站基坑分层开挖全过程土体变形分析

丁立训

（东营市水利灌溉服务中心，山东 东营 257091）

1 引言

随着城市的快速发展，土地资源越来越昂贵，如何在提高土地资源利用率的同时兼顾工程成本是亟须解决的问题。鉴于此，设计师和工程建设者们将眼光转向地下空间，由此，便引出了基坑工程问题。王龙等通过分析得出，增加围护桩插入比对减小基坑坑底隆起作用不大。张敬弦等提出了一种基坑竖向弹性地基梁计算模型。李哲等依托实际工程，分析了地下连续墙支护基坑施工全过程变形特性。路林海等提出了一种减少基坑开挖变形的施工方案。索文斌等提出了一种基坑数值模拟方法。楼春晖等提出基坑边角可限制支护结构变形。施有志等得出靠基坑越近建筑物受开挖影响越大。基坑模拟中，现有模拟方法仅考虑了土体强度折减，这与现场实际不符，基于此，程雪松等提出了土体和围护结构强度同时折减的计算方法，研究结果显示，考虑围护结构强度折减是必要的，如若不考虑，则会高估基底抗隆起稳定安全水平。肖敬宇等基于实际基坑沉降观测数据，运用基于对数变换的优化灰色模型分析了基坑的沉降变化规律。分析结果表明，改进后的分析方法精度高，具有较高应用价值。鉴于基坑工程中变形观测和预测的重要性，文章尝试通过数值模拟对采用限制开挖深度分层开挖的未支护基坑施工过程中的变形提供一些借鉴和参考。

2 工程简介

山东某泵站基坑开挖，开挖深度4 m，宽度10 m，由于基坑开挖工期不影响工程工期，基坑施工过程中未采取任何支护措施。为较少工程成本、防止开挖过快导致变形过大而引起基坑坍塌和地表过大沉降，拟采用限制开挖深度的方法逐层开挖。分层开挖方案为：1 m，1 m，1 m，1 m。现场长期观测和室内检测数据结果显示，基坑稳定水位埋深为1.30～2.70 m，场地地下水不具有腐蚀性。

3 数值模型

为了更准确地分析开挖过程中地面沉降的变化规律，取全断面予以分析，同时视为平面应变问题。基坑模型开挖深度为4 m，宽度10 m。为消除边界影响，模型边界宽度取20 m，深度8 m。土层计算参数见表1。当继续增加边界宽度，经试算基坑的位移和受力没有发生变化，可认为基坑的边界选择是满足工程要求的。

表1 土层参数表

施工荷载作用在距基坑2 m 以外，左右两侧均按2 kN/m2计。地下水位取为2 m。数值模型边界变形条件为：模型左、右两侧水平方向位移为零，允许发生竖向变形，底部为固定边界（不允许发生变形）。分层开挖方案为：1 m，1 m，1 m，1 m。有限元模型如图1 所示。选择分层开挖的目的是研究不进行支护条件下，基坑的位移变化情况。因基坑仅开挖4 m，且分四层进行开挖，从工程经验分析，基坑不会发生坍塌的风险。

图1 有限元模型示意图

4 数值模拟分析

4.1 基坑分层开挖土体总体变形分析

随着基坑的分层开挖，紧靠基坑两侧总体位移分别为1.80、5.90、11、20 mm；基坑坑底（4 m处）总体位移分别为0.80、1.50、4、6 mm。随着开挖深度增加，紧靠基坑两侧和坑底总体位移不断增大，且紧靠基坑两侧总体位移影响范围不断增大。因此，基坑开挖过程中要加强基坑周围环境的监测。然而以上的位移均远小于20 mm，可认为基坑的总体变形是控制在工程允许的范围内，不会对工程造成安全隐患。

4.2 基坑分层开挖土体竖向变形分析

随着基坑的分层开挖，紧靠基坑两侧竖向位移分别为1.60、1、-3、-6 mm；基坑坑底竖向位移分别为1.0、2、2.50、3 mm。随着开挖深度增加，紧靠基坑两侧竖向位移由正值（隆起）转变为负值（沉降），且前后数值变化较大，表明随着基坑开挖深度的增加，基坑土体对周围土体的约束作用不断释放，基坑周围土体不断恢复到最初的固结状态；在基坑土体开挖过程中，坑壁周围土体的沉降变形主要集中在坑壁附近较小区域，且以基坑为中心呈对称分布。地面上距离坑壁越远，土体变形（隆起或沉降）数值越小，即基坑开挖过程中，距离基坑越远的部位受基坑开挖影响越小。随着基坑的不断开挖，基坑坑底竖向位移一直保持为正值（表现为隆起）且不断增大，说明基坑开挖过程中，基坑坑底存在持续隆起的趋势，这是基坑土体开挖导致坑底土体附加应力减小，从而土体出现回弹的缘故。鉴于基坑开挖过程中，坑底存在持续隆起的趋势，实际基坑开挖施工过程中，应控制开挖速率和单次开挖厚度，避免过快开挖对坑底土体产生不利影响。

4.3 基坑分层开挖土体水平向变形分析

基坑分层开挖过程中，基坑两侧附近水平向位移依次为0.70、4、12、16 mm；坑底水平向位移依次为0.10、0.60、2、4 mm。基坑两侧附近和坑底水平向位移随着开挖深度增加不断增大且坑壁周围土体存在水平应力集中现象，且呈对称分布，同时远离开挖区域的土体受扰动较小。

同一部位的变形（竖向和水平）分析可知，基坑开挖过程中，监测重点应为坑壁水平位移和坑底隆起。同样，以上的水平位移均远小于20 mm，可认为基坑的水平变形是控制在工程允许的范围内，不会对工程造成安全隐患。

5 结论

基坑两侧附近及坑底总体位移随着开挖深度增加不断增大。靠近基坑两侧竖向位移由正值（隆起）转变为负值（沉降），且前后数值变化较大。基坑两侧附近和坑底水平向位移随着开挖深度增加不断增大。紧靠基坑两侧竖向位移（表现为沉降）及基坑坑底竖向位移（表现为隆起）均随着开挖深度增加不断增大。因此，对于未加支护的基坑，开挖过程中要重视对分层开挖厚度及开挖速率的控制，同时应加强对基坑周围环境的监测，其重点应为坑壁水平位移和坑底隆起。