不同地下水位对邻近基坑施工变形的影响

摘要：本文依托衢州市鹿鸣半岛时尚文化创业园建设项目，采用有限元软件PLAXIS2D研究了不同地下水位对邻近基坑施工变形的影响。研究结果表明，不论地下水位如何变化，施工工况推进时的基坑变形规律相近，但是地下水位变化对基坑变形的大小有一定影响。当地下水位降至约为基坑开挖深度的一半时，可以大大减少围护墙的变形及土体的竖向变形。根据沉降变形大小可将坑外土体分为3个影响区，分别为主要影响区，次要影响区及无影响区。本文研究结果可为邻近基坑施工提供参考。

关键词：基坑；地下水位；邻近基坑；施工变形；有限元

中图分类号：TU473""""""""" 文献标志码：A

随着工程建设的不断发展，城市空间资源利用愈发紧缺，工程建设不再局限于地面建设，城市地下空间开发愈发频繁，导致出现大量基坑工程。

随着基坑工程的复杂化，施工也逐渐由单一基坑向多个相邻基坑施工情况演变。已有不少学者对邻近基坑施工的相互影响进行研究。陈萍等[1]以上海外滩国际金融服务中心工程为背景，提出了相邻基坑同步开挖的设计技术措施。郭力群[2]等通过有限元建模研究了不同基坑间距对基坑及坑外土体的影响，并定义了强相互影响基坑和弱相互影响基坑。徐伟[3]等通过数值模拟研究了不同基坑间距、不同开挖深度和开挖宽度等因素对邻近基坑开挖的影响。在众多影响基坑稳定性的因素中，地下水位的变化是一个不可忽视的重要因素。地下水位的高低直接影响土体的力学性质，从而影响基坑围护结构的稳定性和周边土体的变形。

然而，上述研究并未涉及不同地下水位对邻近基坑施工变形的影响。本文将采用有限元软件PLAXIS2D，研究不同地下水位对围护墙变形和土体变形的影响，并根据沉降变形大小划分基坑施工影响区，以期为类似工程提供借鉴。

1工程概况

衢州市鹿鸣半岛时尚文化创业园建设工程是位于鹿鸣半岛地块的重要项目，涵盖了AD区、B区和C区3个基坑，九华大道隧道（二期）及紫薇路隧道工程基坑位于B区和C区两个基坑间，如图1所示。

其中，AD区包括文化创业中心和地下车库，位于九华大道南侧和衢江北侧，地下一层，基坑开挖深度约2.35～4.20m，B区和C区分别为两层地下室，位于九华大道北侧和紫薇南路东侧，周边场地高程在＋65.0m～＋66.0m。整个项目的建设用地面积约为64. 1万㎡，其中，文化创业中心建筑面积约5.6万㎡，地下车库建筑面积约6.0万㎡。为了保证工程的稳定性，项目采用了钻孔灌注桩基础作为结构基础形式，这种基础形式在地下室工程中具有较好的承载性能和抗震性能。针对不同区块的特点，B区的结构承台垫层底标高为+58.7m，基坑开挖深度为6.3m，局部挖深为7.3m，C区的结构承台垫层底标高为＋58.3m，基坑开挖深度为6.7m。这些具体数据为工程施工、监测、设计提供了重要依据，有助于保证基坑开挖和结构施工的精准进行。

2数值模拟

2.1模型概况

计算主要采用PLAXIS2D有限元软件对数值进行模拟分析[4-6]，PLAXIS2D是一款专业的土木工程有限元分析软件，它能够模拟土体和结构的相互作用，广泛应用于土木工程中的地下结构、边坡稳定性分析等领域。当建模时，为了消除模型范围对计算结果的影响，通常会设置一定尺寸的边界，经过计算，本模型将基坑4倍开挖深度以外作为计算边界。本次分析模型取350m×30m（x×y），其中x方向为50～400m，有限元网格划分图如图2所示。为便于区分各基坑，将邻近衢州市鹿鸣半岛时尚文化创业园建设工程B区及C区基坑简称为基坑B及基坑C，九华大道隧道（二期）及紫薇路隧道工程基坑简称为基坑A。

2.2材料参数

2.2.1土层参数

根据工程勘察资料，将其地层简化分层。其中，第一层素填土厚度为1.9m，第二层粉质黏土厚度为4.0m，第3层卵石厚度为9.3m，第4层泥质粉砂岩厚度为14.8m。

基坑开挖及其影响深度范围土层主要为素填土、粉质黏土、卵石、泥质粉砂岩，计算土层主要参数见表1和表2。其中，素填土、粉质黏土、卵石采用的是表1的土体HSS模型参数，泥质粉砂岩采用的是表2的土体摩尔-库伦模型参数。

2.2.2结构参数

有限元模型结构部分参数见表3，其中采用板单元的为围护结构、底板及楼板，第一道支撑、第二道支撑及第三道支撑则采用锚定杆。围护结构、底板、楼板及第一道支撑弹性模量都为30.0GPa，第二道支撑及第三道支撑的弹性模量为210.0GPa。

2.3模拟工况

根据现场施工开挖顺序，施工步骤总体可划分为两部分：邻近衢州市鹿鸣半岛时尚文化创业园建设工程B区及C区基坑开挖；九华大道隧道（二期）及紫薇路隧道工程基坑开挖。

详细工况如下。1）工况0为初始地应力场平衡。2）工况1为围护结构施工。3）工况2为B基坑第一道支撑施工，并开挖至坑底。4）工况3为C基坑开挖至第一道支撑底。

5）工况4为C基坑第一道支撑施工，并开挖至坑底。6）工况5为B、C基坑底板施工。7）工况6为B、C基坑楼板施工，并拆撑。8）工况7为A基坑开挖至第一道支撑底。9）工况8为A基坑第一道支撑施工，并开挖至第二道支撑底。10）工况9为A基坑第二道支撑施工，并开挖至第三道支撑底。11）工况10为A基坑第三道支撑施工，并开挖至坑底。12）工况11为A基坑底板施工，并拆除第三道支撑。13）工况12为A基坑楼板施工，并拆除第一道、第二道支撑。

降水开挖是基坑工程中的一种常见的施工方式，其主要目的是通过降低地下水位，以便于施工人员在干燥的环境中进行施工。然而，降水开挖会导致基坑内外产生水头差，这种水头差会对基坑的稳定性和变形情况产生显著影响。特别是当围护墙两侧的水头差较大时，基坑内外的水头差将会对基坑的稳定性和变形情况产生更大的影响。

在实际工程中，地下水位的高低对基坑工程的影响非常大。当降水开挖后，基坑内外的水头差会随着地下水位的变化而变化。这种变化不仅会影响基坑的稳定性，还会影响基坑的变形情况。因此，对不同地下水位下的基坑变形进行研究是非常重要的。为了全面了解不同地下水位对基坑变形的影响，本文将坑外水位选取为地表下0m，3m，6m，9m，12m，并对其进行分析。通过分析这些不同地下水位下基坑变形，不仅可以更深入地了解地下水位对基坑变形的影响，从而为工程设计和施工提供重要参考，还可以科学合理地制定降水方案和基坑支护措施，从而保障基坑工程的安全施工和保证稳定运行。既可以提高工程的施工效率，又可以降低工程的施工风险，保障工程人员的生命安全。

总的来说，地下水位对基坑变形的影响是一个复杂的问题，需要从多个角度进行研究分析。对不同地下水位下的基坑变形进行研究，可以更深入地了解地下水位对基坑变形的影响，从而为工程设计和施工提供重要参考。

3结果及分析

总体来说，不论地下水位如何变化，当施工工况推进时，基坑变形的规律是相似的，即基坑B的左侧围护墙及基坑C的右侧围护墙随土体开挖及施工过程推进，其指向坑内的变形也随之增加；而基坑B的右侧围护墙及基坑C的左侧围护墙则相反，变形会逐渐变小。随着开挖过程的推进，基坑A的变形越来越大。地下水位变化对基坑变形有很大影响，因此，在不同地下水位下，针对基坑变形最大值进行进一步分析，如图3、图4所示。图3为不同地下水位下围护墙最大变形发展规律，图4则是不同地下水位下土体竖向变形最大值发展规律。

由图3、图4可知，当地下水位从地表下0m降至地表下3m的位置时，基坑B及基坑C围护墙最大变形及土体竖向变形均明显变小，随后变小的幅度逐渐平稳，这说明当地下水位降至基坑开挖深度的一半时（基坑B及基坑C的开挖深度约为6m），可以减少围护墙的变形及土体的竖向变形。随着地下水位继续降至地表下6m，围护墙变形及土体竖向变形均明显变小，但幅度远不及降至地表下3m位置时。由于基坑A开挖深度较大，因此持续降低地下水位对围护墙最大变形仍有较大影响，约在地表下6m后，继续降低地下水位对围护墙变形影响开始减弱。

图5为坑外土体沉降云图，从图5可知，根据沉降变形大小可分为3个影响区，分别为主要影响区，次要影响区及无影响区，其中主要影响区距基坑边距离d1约为1.5He（基坑开挖深度），其沉降可达沉降最大值的70%，次要影响区距基坑边距离d2约为1.5He～3He，次要影响区外土体基本不受基坑开挖的影响，因此定义为无影响区。

综上所述，地下水位对基坑围护墙变形和土体竖向变形具有显著影响，当降至基坑开挖深度的一半时，可以显著减少变形。这有助于合理评估基坑开挖对周边土体的影响，为工程设计和施工提供重要参考。

4结论

本文采用有限元软件PLAXIS2D研究了不同水位对邻近基坑施工变形的影响，主要结论如下。1）随着土体开挖及施工过程的推进，基坑B的左侧围护墙及基坑C的右侧围护墙指向坑内的变形也随之增加，而基坑B的右侧围护墙及基坑C的左侧围护墙则相反，变形逐渐变小。2）当地下水位降至约为基坑开挖深度的一半时，可以减少围护墙的变形及土体的竖向变形。随着地下水位继续降至地表下6m时，围护墙变形及土体竖向变形降低的幅度远不及降低到地表下3m。因此，将地下水位降至基坑开挖深度的一半是减小基坑变形最有效的地下水位，继续降低地下水位对基坑变形的影响效果减弱。3）根据沉降变形大小可分为3个影响区，分别为主要影响区，次要影响区及无影响区，其中主要影响区距基坑边距离约为1.5He，次要影响区距基坑边距离d2约为1.5He～3He，无影响区距基坑边距离约大于3He。

参考文献

[1]陈萍，王卫东，丁建峰. 相邻超大深基坑同步开挖的设计与实践[J]. 岩土工程学报，2013，35（增刊2）：555-558.

[2]郭力群，程玉果，陈亚军. 不同间距下相邻基坑相互影响数值分析[J]. 华侨大学学报（自然科学版），2014，35（1）：92-96.

[3]徐伟，冯俊. 基坑开挖对邻近已开挖基坑的影响分析[J]. 建筑施工，2011，33（5）：353-355.

[4]卢华. 基于Plaixs2D的非对称开挖支撑刚度对基坑支护结构的变形影响[J]. 南昌工程学院学报，2022，41（3）：47-52.

[5]俞伯林. 基于PLAXIS2D管廊基坑支护结构受力分析[J]. 福建建材，2022（3）：59-62.

[6]张宽，庄顺建. 基于PLAXIS2D的枣阳某深基坑支护工程数值分析[J]. 工程建设与设计，2021（6）：30-31.