涉水基坑開挖過程中地表沉降分析

張 茜

(蚌埠市水利勘測設計院有限公司，安徽 蚌埠 233000)

0 引 言

基坑開挖過程中會產生土體變形，其中地表沉降變形直接影響基坑周邊建構筑物的使用功能，選擇合適地基坑開挖方式和開挖速率，對減少開挖時過大變形和基坑垮塌有重要意義。李淑等分析了 北京地區(qū)深基坑墻體變形特性[1]。成峰等采用Gompertz模型預測深基坑周邊地表沉降規(guī)律[2]。陳萬鵬提出了一種基坑開挖引起地表沉降的預測方法[3]。張尚根等研究了軟土深基坑開挖地表沉降變化規(guī)律[4]。張建全等總結了北京不同區(qū)域明挖基坑地表沉降變形特征[5]。秦會來等系統(tǒng)分析了深厚淤泥地層深基坑變形影響因素[6]。王龍等模擬分析了上覆新填土軟土深基坑開挖變形控制方法[7]。張福海等分析了斜樁支護的框架結構基坑變形特性[8]。慕煥東等開展了洛陽地鐵車站基坑支護變形特性模型試驗研究[9]。張楠研究了土巖組合地層深基坑變形規(guī)律[10]。施有志等研究了地鐵深基坑開挖對臨近建構筑物的影響[11]。林之航分析了上軟下硬土層的深基坑開挖過程中的變形規(guī)律[12]。蒙國往等開展了地鐵車站深基坑開挖過程中的變形分析[13]。魯泰山等研究了軟土地層基坑開挖擾動及土體再壓縮變形[14]?；娱_挖過程中，過快開挖會導致地面土體沉降影響范圍過大及沉降量過大，從而引發(fā)地面建構筑物的不均勻沉降，進而導致地面建構筑物的開裂、傾斜甚至是垮塌等工程事故，以及基坑底部土體的超挖導致的基底一定范圍土體應力釋放，引起坑底土體回彈，從而引發(fā)坑底土體松動，使得基坑內部擬建建構筑物地基土體擾動過大，不利于穩(wěn)定?；谏鲜稣J識，文章結合實際基坑開挖過程，通過數(shù)值模擬探索涉水基坑開挖過程中地表沉降和基坑底部土體豎向變形規(guī)律，以期通過合理的單次開挖深度和開挖速度來控制開挖過程中的不利變形(地表沉降、坑底隆起等)，防止過大變形帶來基坑垮塌、建構筑物不均勻沉降、傾斜及開裂等不利影響，從而對基坑施工提供一些指導和參考。

1 工程簡介

某基坑開挖深度16m，寬度12m。擬采用控制開挖厚度和開挖速率的方式分層逐步開挖，因而未采取任何支護措施，地質資料顯示，場地土層主要為粉土和黏土。其中粉土厚度為7.6-8.5m，余下為黏土。當?shù)貧庀筚Y料顯示，基坑開挖區(qū)域地下水穩(wěn)定水位為4m。采取地下水樣，進行室內水質檢測結果表明地下水對混凝土、鋼筋等建筑材料不具有腐蝕性。鑒于施工過程中未采取支護措施，為確保施工過程中土體變形過大導致開挖時基坑垮塌，需超前獲知開挖過程中土體變形尤其是地表沉降情況，故而需要對基坑開挖過程進行模擬分析。

2 數(shù)值模型

為了準確把握地面沉降特性，采用15節(jié)點精確分析并加密基坑周邊土體網格，取全斷面予以分析，同時視為平面應變問題。基坑模型開挖深度為16m，寬度12m。為消除邊界影響，經試算，取模型邊界尺寸為深度32m，寬度60m。土層材料計算參數(shù)見表1。其中粉土平均厚度為8.0m，余下為黏土。地下穩(wěn)定水位取為4.0m。數(shù)值模型邊界變形條件為：模型左、右兩側水平方向位移為零，允許發(fā)生豎向變形，底部為固定邊界(不允許發(fā)生變形)。數(shù)值模擬模型示意圖見圖1。

圖1 數(shù)值模擬模型示意圖

表1 土層材料參數(shù)

3 數(shù)值模擬分析

3.1 基坑開挖地表沉降變形分析

由圖2可知，基坑開挖過程中，基坑兩側位移呈現(xiàn)對稱形式，坑壁變形量分別為3mm、3.4mm、-3.8mm、-8mm，其中正值表現(xiàn)為隆起，負值表現(xiàn)為沉降，即基坑開挖過程中坑壁沉降量逐漸增大，且表現(xiàn)為先隆起后沉降的趨勢。前期較小的隆起量可能是基坑土體對周圍土體具有約束作用的緣故。由圖2還可知，基坑開挖過程中，基坑底部沉降量分別為3mm、8mm、12mm、16mm，均表現(xiàn)為隆起，即基坑開挖過程中坑底存在持續(xù)隆起的現(xiàn)象。

(a)基坑開挖4m

3.2 地表監(jiān)測點沉降變形分析

3.2.1 監(jiān)測點的選取

基坑開挖過快會導致地面土體沉降影響范圍過大及沉降量過大，從而引發(fā)地面建構筑物的不均勻沉降，進而導致地面建構筑物的開裂、傾斜甚至是垮塌等工程事故，以及基坑底部土體的超挖導致的基底一定范圍土體應力釋放，引起坑底土體回彈，從而引發(fā)坑底土體松動等不利于坑底土體的穩(wěn)定。基于以上考慮，由于開挖基坑的幾何對稱性，在地表處，選取距離基坑左側邊緣1m，2m，3m，4m的四個點位，分別記作點A、B、C、D作為地表監(jiān)測點，探索基坑開挖時地表沉降變形規(guī)律。監(jiān)測點布置詳見圖3。

圖3 監(jiān)測點布置圖

3.2.2 監(jiān)測點沉降變形分析

由圖4可知，基坑開挖過程中，距離基坑左側邊緣1m，2m，3m，4m處地表監(jiān)測點沉降變形逐步增大，最終變形量分別為5mm、7mm、11mm、16mm，且距離基坑邊緣越近最終沉降量和前期沉降速率均越大，即受基坑開挖影響越大。因此，基坑開挖過程中，因加強地面及地面重要建構筑物的沉降監(jiān)測，合理控制和開挖深度和開挖速率，必要時采取適時的支護措施，以控制地面的沉降和開挖面的垮塌，從而確?；娱_挖時施工安全。

圖4 監(jiān)測點沉降變形

4 結 論

1)基坑開挖過程中，基坑兩側位移呈現(xiàn)對稱形式，坑壁變形量分別為3mm、3.4mm、-3.8mm、-8mm，其中正值表現(xiàn)為隆起，負值表現(xiàn)為沉降，即基坑開挖過程中坑壁沉降量逐漸增大，且表現(xiàn)為先隆起后沉降的趨勢。前期較小的隆起量是基坑土體對周圍土體具有約束作用的緣故。

2)基坑開挖過程中，基坑底部沉降量分別為3mm、8mm、12mm、16mm，均表現(xiàn)為隆起，即基坑開挖過程中坑底存在持續(xù)隆起的現(xiàn)象。因此，基坑開挖時，應加強坑底土體的變形監(jiān)測，防止過快開挖及基坑底部土體的超挖導致的基底一定范圍土體應力釋放，引起坑底土體回彈，從而引發(fā)坑底土體松動等不利于坑底土體的穩(wěn)定。

3)基坑開挖過程中，距離基坑左側邊緣1m，2m，3m，4m處地表監(jiān)測點沉降變形逐步增大，最終變形量分別為5mm、7mm、11mm、16mm，且距離基坑邊緣越近最終沉降量和前期沉降速率均越大，即受基坑開挖影響越大。因此，基坑開挖過程中，因加強地面及地面重要建構筑物的沉降監(jiān)測，合理控制和開挖深度和開挖速率，必要時采取適時的支護措施，以控制地面的沉降和開挖面的垮塌，從而確保基坑開挖時施工安全。