圓形基坑平面尺寸效應(yīng)對軟土開挖變形的影響

芮海升

（同濟大學(xué) 上海 200092）

引言

圓形基坑具有充分利用土拱效應(yīng)、易于控制基坑變形而無需架設(shè)臨時支撐、整體穩(wěn)定性好等特點，使得其在軟土地區(qū)的基坑工程實踐中得到越來越廣泛的應(yīng)用。

基于上海軟土地區(qū)實踐，Tan和Wang（2013）發(fā)現(xiàn)，對于無支撐圓形基坑，其開挖變形主要受基坑直徑影響?，F(xiàn)階段針對圓形基坑的研究多關(guān)注于基坑開挖深度的影響而往往忽略了基坑平面尺寸效應(yīng)。

本文以上海軟土地區(qū)的圓形基坑為研究對象，采用三維數(shù)值模擬變參數(shù)分析方法研究了在不同基坑尺寸情況下圓形圍護結(jié)構(gòu)變形及周圍土體沉降性狀。

1 數(shù)值模型及參數(shù)驗證

1.1 數(shù)值模型及參數(shù)

本文采用FLAC3D軟件，確定變參數(shù)分析中采用的模型參數(shù)，然后進行基坑平面幾何尺寸、開挖深度的變參數(shù)三維數(shù)值模擬。

上海地區(qū)是典型的軟土地區(qū)，本文研究的土層參數(shù)取自上海某地鐵車站工程的巖土勘察報告，如表1所示。土體的本構(gòu)模型選用了FLAC3D軟件中內(nèi)置的修正劍橋模型，所需的主要參數(shù)根據(jù)表1及經(jīng)驗公式計算得出，泊松比v取0.33。圓形基坑圍護結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻，彈性模量E=2.8×104MPa，泊松比 μ=0.2，厚度取 0.8m，插入比取 0.6。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

1.2 模型參數(shù)驗證

考慮到基坑形狀以及荷載的對稱性，本文的所有模型均是采用如圖1所示的全尺寸模型的1/4模型。

本文選取的驗證模型平面直徑D=100m，開挖深度He=30m。模型側(cè)向邊界距離基坑邊的長度為6倍的開挖深度，底部邊界距離基坑開挖面的高度為3倍的開挖深度。模型的四個側(cè)面為位移邊界，限制水平位移但允許豎直位移；底部為固定邊界，限制水平與豎直位移；頂面為地表，取為自由邊界。土體采用實體單元模擬，地墻采用線性單元模擬，同時在地墻與土層間建立接觸面來模擬兩者間的相互作用。

圖2對比了數(shù)值模擬地墻側(cè)移與兩組實測數(shù)據(jù)，兩者變形規(guī)律基本一致，其最大位移值也基本相同。在此對比驗證的基礎(chǔ)上，下面將變參數(shù)分析研究圓形基坑開挖尺寸效應(yīng)。

2 圓形基坑的平面尺寸效應(yīng)

對于本節(jié)中的圓形基坑，以其直徑D及開挖深度He作為可變參數(shù)進行分析，其中D與He的變化范圍分別為10～180m與10～30m。

圖2 數(shù)值模擬地墻側(cè)向位移與實測值對比圖

2.1 圍護結(jié)構(gòu)側(cè)移性狀

本節(jié)利用數(shù)值模擬得到了在某一開挖深度下不同直徑的圓形基坑的地墻側(cè)移隨深度的變化情況。可以發(fā)現(xiàn)，在不同的開挖深度條件下地墻側(cè)移隨直徑變化規(guī)律基本一致，以He=20m下不同直徑圓形基坑圍護結(jié)構(gòu)側(cè)移變化情況為例，如圖3所示。

圖3 He=20m時各直徑圓形基坑圍護結(jié)構(gòu)側(cè)移

（1）圍護結(jié)構(gòu)最大變形位置

由圖3可以看出，在同一開挖深度的前提下，圓形基坑圍護結(jié)構(gòu)最大側(cè)移位置隨著直徑的增加而上移，且均在開挖面之上。圖4為各開挖深度下圍護結(jié)構(gòu)最大側(cè)移深度位置與基坑直徑的關(guān)系?？梢钥闯?，圖4驗證了上一條結(jié)論，但是開挖深度越小，最大側(cè)移位置的上移幅度隨直徑的增加越不明顯。同時，在同一直徑的前提下，圓形基坑圍護結(jié)構(gòu)最大側(cè)移深度位置隨著開挖深度的增加而增加。

圖4 各開挖深度下，圍護結(jié)構(gòu)最大側(cè)移深度位置與基坑直徑的關(guān)系

（2）圍護結(jié)構(gòu)最大側(cè)移值

圖5表示的是圓形基坑圍護結(jié)構(gòu)最大側(cè)移值與開挖深度之間的關(guān)系，在本文研究范圍內(nèi)，圓形基坑圍護結(jié)構(gòu)的最大側(cè)移值小于0.15%He。包絡(luò)線（1）和（2）分別是 Hashash等人（2008）及 Tan和 Wang（2013）總結(jié)出的圓形基坑最大側(cè)移率范圍。對于線（1），當(dāng)圓形基坑開挖直徑大于100m時，兩者的范圍較為符合。從圖5還可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)圓形基坑平面開挖直徑較小時，基坑的開挖深度的變化對其圍護結(jié)構(gòu)最大側(cè)移值幾乎沒有影響，而當(dāng)開挖直徑較大時，隨著開挖深度的加大，圍護結(jié)構(gòu)最大側(cè)移值逐漸增加并且開挖直徑越大、增加幅度越明顯；對于在同一開挖深度的條件下，隨著開挖直徑增大，圍護結(jié)構(gòu)最大側(cè)移值逐漸增大，即使在較小的開挖深度下，這種增大幅度也較為明顯。以上結(jié)論說明，圓形基坑圍護結(jié)構(gòu)最大側(cè)移值的主要影響因素是開挖直徑，其次為開挖深度。

圖5 圓形基坑圍護結(jié)構(gòu)最大側(cè)移與開挖深度的關(guān)系

2.2 周圍土體沉降性狀

同2.1節(jié)的變參數(shù)分析相同，得到了某一開挖深度下不同直徑圓形基坑墻后土體沉降隨離開基坑距離的變化情況，以開挖深度He=20m的情況為例，如圖6所示。可以看出，隨著基坑直徑的增加，墻后地面沉降逐漸增大且沉降呈現(xiàn)凹槽形態(tài)。進一步研究發(fā)現(xiàn)，墻外土體的沉降量并不是隨直徑的增加而線性增加，而是增加率越來越大，這反映了隨著基坑直徑的增加，圓形基坑抵抗變形的能力在逐漸喪失的。

圖6開挖深度He=20m時各直徑圓形基坑墻后土體位移

圖7 為圓形基坑墻后地表沉降形態(tài)圖，圖中橫軸為離開基坑邊的距離d與基坑開挖深度He之比，縱軸為墻外土體沉降值δv與墻外最大土體沉降值δvm之比。從圖中可以看出，圓形基坑墻后地表沉降形態(tài)在不同開挖深度與直徑情況下，變化幅度并不明顯，最大沉降一般出現(xiàn)在墻后1/3He～2/3He位置處，基坑開挖的主要影響范圍集中在墻后2He范圍之內(nèi)。

本文所研究的圓形基坑墻后沉降曲線與Clough和O'Rourke（1990）針對軟至中硬粘土以及Tan和Wang（2013）針對上海軟土得到的影響范圍統(tǒng)計結(jié)果比較接近，但是遠小于Hashash等人（2008）提出的開挖影響范圍。

圖7 圓形基坑墻后地表沉降形態(tài)

3 結(jié)論

在同一開挖深度的前提下，圓形基坑圍護結(jié)構(gòu)最大側(cè)移位置隨著直徑的增加而上移，且均在開挖面之上，但是開挖深度越小，最大側(cè)移位置的上移幅度隨直徑的增加越不明顯；在同一直徑的前提下，圓形基坑圍護結(jié)構(gòu)最大側(cè)移深度位置隨著開挖深度的增加而增加。在本文研究范圍內(nèi)，圓形基坑圍護結(jié)構(gòu)的最大側(cè)移值小于0.15%He（He為基坑開挖深度）。

圓形基坑墻后地表沉降形態(tài)在不同深度與直徑的情況下，變化并不明顯，最大沉降出現(xiàn)在墻后1/3He～2/3He距離處，基坑開挖影響范圍主要集中在墻后2He范圍之內(nèi)。在本研究中，圓形基坑的最大坑外土體沉降值小于0.12%He。