超深基坑開挖周邊土體沉降變化規(guī)律數(shù)值分析

□文/杭天明 張宜佳 李 旭

超深基坑開挖周邊土體沉降變化規(guī)律數(shù)值分析

□文/杭天明 張宜佳 李 旭

為緩解城市人口的增加與基礎設施落后之間的矛盾，加大地下空間設施建造，首先要進行大規(guī)模土方深開挖，這就需要把基坑工程引起的周邊土體沉降和土體側(cè)移限制在一定變形值之內(nèi)。文中通過對基坑開挖過程的理論分析，采用A BA Q U S軟件對基坑開挖過程進行數(shù)值模擬，對模擬數(shù)據(jù)進行詳細的分析，得出通過工程采用從兩邊向中間開挖的方法引起的周邊土體沉降相對較小。

土方；深開挖；基坑；沉降

在土地資源有限的情況下，為緩和用地矛盾，天津市的建設在向地上發(fā)展的同時，不斷開拓地下空間。建造這些地下空間設施，首先要進行大規(guī)模的土方深開挖，基坑工程因此成為城市建設關注的焦點。

天津的地質(zhì)條件為軟土性質(zhì)，不利于地下工程的施工；而隨著天津建設現(xiàn)代化大都市進程的加快，地下工程的建設項目的數(shù)量和規(guī)模迅速增多，為保護這些已有建（構）筑物的正常使用和安全運行，常需要把基坑工程引起的周邊土體沉降和土體側(cè)移限制在一定變形值之內(nèi)，有關深基坑工程設計計算標準也由過去的穩(wěn)定性計算變成基坑變形控制計算，以達到保護周邊環(huán)境的目的。由于基坑工程大多為臨時性的，在保證安全的前提下，充分利用基坑開挖過程中出現(xiàn)的時空效應指導施工，是一種既科學又經(jīng)濟的手段。

本文摘取天津在施某基坑工程各項參數(shù)，采用ABAQUS軟件對基坑開挖過程進行數(shù)值模擬，對周邊沉降進行對比分析，探索不同開挖過程對基坑周邊土體沉降的影響。

1 數(shù)值模擬概況

天津處于沿海軟土地區(qū)，基坑地下水位較高，開挖前的工程降水會引起地下連續(xù)墻（以下簡稱“地連墻”）內(nèi)外的水位差，在動水壓力的作用下，外部土體會發(fā)生一定程度的固結，這也是造成周邊地面沉降的重要因素。但由于論文模型的因素，本文僅限考慮地連墻墻體的側(cè)移對周邊土體沉降的影響，沒有考慮降水的因素。本文建立的數(shù)值模型，對基坑長、短邊的不同位置（角、邊、中），研究在不同的土方開挖方法情況下，地連墻的位移對墻外土體沉降的影響。

該工程實際基坑形狀相對復雜并伴隨動水壓力的影響?？紤]軟件本身的限制，為便于分析，將基坑形狀簡化為矩形并忽略降水因素。整體基坑模型為大寬度長方形，基坑寬 63.5 m、長 108 m，開挖深度 24 m，逆作法施工，首層樓板下送1.8 m，-1層層高6.8 m，-2層層高6.6 m，-3層層高 8.8 m。地連墻長108 m、寬63.5 m、高50 m、厚1.2 m。土體長寬兩方向均取基坑墻外40 m，土體深度取90 m。共劃分單元總數(shù)61 267個。

地連墻與土體均采用8節(jié)點縮減積分實體單元（C3D8R）進行模擬，水平樓板采用殼單元(S4R)模擬，樁和柱選取梁單元（B31）進行模擬，見圖1。

地連墻與土體之間定義接觸，切向選取罰摩擦函數(shù)，系數(shù)為0.3；法向選取硬接觸。地連墻底部與土體之間以及樁體下部建立Tie連接。模型的底部約束三個方向的位移，側(cè)面約束單方向的位移，土體本構模型為DP模型，地連墻、支撐假定為彈性材料，具體參數(shù)見表1和表2。

表1 數(shù)值模型土體參數(shù)

表2 數(shù)值模型結構參數(shù)

基坑模型采用了分層分塊開挖的方法，每層土體分五塊開挖，沿基坑長邊方向開挖寬度分別為20、25、18、21、24 m，見圖2。分別采用從兩邊到中間和從中間到兩邊的開挖方法，以土方開挖完成的最后工況作為研究對象，對長短邊方向各選取邊角處、邊長1/4位置處和墻體中部位置處的墻外土體沉降情況進行研究。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 地連墻短邊方向周邊土體沉降模擬計算分析

2.1.1 基坑短邊邊角處地面沉降分析

在開挖深度一定的條件下，地連墻短邊邊角處墻外土體沉降的空間時效見圖3。

1）兩種不同的基坑開挖方法，短邊墻角處外側(cè)的土體沉降情況相似。在0、3、10 m三個不同的深度處，土體沉降曲線為“長勺形”，最大沉降值在距離墻3 m處，相當于開挖深度的0.125倍；隨著距墻體距離的增大，沉降值迅速減小，在30 m以外的距離沉降僅1 mm左右，基本上可以忽略不計，即影響范圍為基坑開挖深度的1.25倍。

2）在開挖面深度（24 m）處，土體沉降值基本上穩(wěn)定在3 mm以內(nèi)，說明此處的土體受擾動較小。

3）在地連墻底部深度（50 m）處，土體位移值為正，而且數(shù)值較大，隨著離墻距離的增大其值迅速減小。分析原因為由于基坑開挖，造成坑內(nèi)土體隆起，地連墻跟著上移，由于墻外附近土體與墻體的摩擦作用，帶動附近區(qū)域的土體產(chǎn)生較大豎向位移，隨著距墻距離的增大，墻體對土體的作用迅速減小，所以土體沉降值迅速減小。

2.1.2 基坑短邊中點處土體沉降分析

短邊地連墻中心位置對應的地層沉降計算結果見圖4。

1）在墻段中點處，兩種不同的開挖方法引起的地層最大位移值在23 mm左右，0、3、10 m三個不同深度處的地面沉降曲線基本重合，24 m開挖面深度處的地面沉降最大值在距基坑7 m處，即0.292倍開挖深度處，其值為12 mm。

2）在基坑開挖面深度（24 m）處，距墻7 m范圍內(nèi)隨著距離的增大而不斷增大，隨后隨著距離的增大呈線性減小趨勢，曲線形狀也為“長勺形”。

3）在距墻40 m處地表位移值仍在5 mm左右，說明此處土體受基坑開挖的擾動仍較大，按沉降梯度推算可影響范圍為64.5 m，即開挖深度的2.68倍。

2.2 地連墻長邊方向周邊土體沉降模擬計算分析

2.2.1 基坑長邊邊角處土體沉降分析

基坑長邊邊角處周邊土體沉降的數(shù)值模擬計算結果見圖5。

1）兩種不同的基坑開挖方法引起的墻角處外側(cè)的地面沉降規(guī)律相似，在0、3、10 m三個不同的深度處的沉降曲線為勺形，最大沉降值在距墻的距離為3m，即開挖深度的的0.125倍；地面沉降圖基本與短邊墻角處的變形圖相同。

2）開挖面附近深度靠近墻的位置土體沉降值為4 mm左右，距離墻3 m處位移為1 mm左右，然后隨著距墻距離的增大無明顯變化；按地面沉降量曲線推算可影響范圍52.3 m，即開挖深度的2.18倍，邊長的0.48倍。

3）50 m深度處離地連墻近的地方土體沉降較大，為23 mm，在離墻3 m的范圍內(nèi)迅速減小，在7 m處又得到增加，分析認為這塊地區(qū)的土體受地連墻上浮、土體擠向坑內(nèi)等多方面因素的影響，條件較為復雜，所以可能導致位移值得到一定程度的增加；隨著距墻距離的增大，土體沉降值迅速減小。

2.2.2 基坑長邊中點處土體沉降分析

基坑長邊中間處周邊土體沉降的數(shù)值模擬計算見圖6。

1）兩種不同的開挖方法在地連墻長邊中點處土體沉降規(guī)律相似，但從中間到兩邊開挖方法要比從兩邊到中間開挖方法的位移值要大，分析原因是先開挖中間土體，此處的無支撐暴露時間要遠遠大于先開挖兩邊后開挖中間的暴露時間。

2）長邊中點處的最大土體沉降值為28 mm，要大于相同開挖方法處短邊中點處的最大位移值23 mm，這是因為基坑短邊受到的空間作用明顯所造成的。

3）從兩邊到中間開挖方法距墻50 m距離處的土體沉降值為17 mm，仍較大，但由于模型尺寸的原因，不能較好地考慮地面沉降影響范圍。按地面沉降量曲線推算可影響范圍為118 m，即開挖深度的4.92倍，邊長的1.09倍。

3 結論

本文基于數(shù)值模擬計算的結果，對天津市某工程實例進行數(shù)值模擬，對該工程基坑開挖過程中不同開挖方法引起的周邊土體沉降變化規(guī)律進行了分析，根據(jù)以上分析得出主要結論如下。

1）墻外端角處的土體沉降最大處在距離墻體3 m左右的位置，隨著空間位置的不同，地表沉降的最大值也會發(fā)生變化，在墻段中點處，地表最大沉降值發(fā)生在距墻7 m左右的位置，這主要是由于端角處地連墻受空間作用明顯所致。

2）在10 m深度范圍內(nèi)，不同的土方開挖方法引起的墻外土體沉降值基本相同，隨著深度的增加，位移值會有所變化，在開挖面附近，墻角處的土體沉降為正值，隨著距墻角距離的增大，由于所受基坑空間作用的減弱，土體沉降會變負值并且會越來越大。沉降曲線也為長勺狀，但比10 m深度范圍內(nèi)的數(shù)值要小。

3）在地連墻底部（50 m深度處），靠近地連墻位置處的土體沉降會有一個較大數(shù)值，分析原因是由于受地連墻上浮的影響，由于土跟墻體之間的摩擦等因素，帶動此區(qū)域的土體上浮，但隨著距墻距離的增大，土體沉降值會迅速減小。

4）對比兩種不同的土方開挖方法，在墻體短邊方向，引起的地面沉降值在短邊方向基本相同，但從兩邊到中間開挖引起的50 m深度處的土體沉降減小的速率要大于從中間到兩邊開挖引起的數(shù)值變化；在墻體長邊中部位置處，由于基坑的空間增大減小了基坑的空間作用，對比兩種開挖方案引起的墻外的土體沉降值，從兩邊到中間開挖更優(yōu)。

5）在同等條件下，基坑各邊墻后土體變形規(guī)律相同，均為“長勺形”；基坑邊長越長，地面沉降量越大，影響距離越遠。

6）地面沉降最大值在距基坑0.1～0.3倍的開挖深度范圍內(nèi)；影響范圍是2～4倍的開挖深度范圍，相當于0.5～1.1倍的地連墻邊長。

通過分析表明該工程采用從兩邊向中間開挖的方法引起的周邊土體沉降相對較小，該工程基坑開挖引起周邊最大沉降出現(xiàn)在基坑周邊10 m范圍內(nèi)，影響范圍約為96 m，在此區(qū)域內(nèi)周邊建筑物應做相應的沉降觀測并對基礎較薄弱建筑應做防護處理。

[1]吳曉娜.深基坑支護結構的三維空間變形有限元分析[J].路基工程，2009，（5）：168-170.

[2]劉愛華，黎 鴻，羅榮武.時空效應理論在軟土深基坑施工中的應用[J].地下空間與工程學報，2010，（3）：137-142.

□張宜佳/天津濱海黃港實業(yè)有限公司。

□李 旭/天津城市建設學院。

TU753

C

1008-3197（2012）06-03-03

2012-06-14

杭天明/男，高級工程師，天津濱海黃港實業(yè)有限公司，從事工程技術管理工作。