考慮降水作用下濱海地層深基坑變形特性研究

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.32.027

摘" 要：以廈門地鐵共建段基坑工程為背景，采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場實(shí)測方法對比研究濱海吹填砂和淤泥特殊土地層降水前后基坑擋墻側(cè)移、地表沉降、坑底回彈及支撐軸力的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明，考慮降水作用下基坑變形是土體固結(jié)和坑內(nèi)卸載作用共同導(dǎo)致的。雖然基坑設(shè)計深度是影響變形的主要因素，但是降水作用對濱海地層造成的影響仍不能忽略；同時對于鋼支撐的軸力損失采取相應(yīng)的施工處置措施。研究成果可為濱海地層深基坑施工控制提供參考。

關(guān)鍵詞：深基坑；濱海地層；圍護(hù)結(jié)構(gòu)；降水；變形特性；數(shù)值模擬

中圖分類號：TU753" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）32-0108-04

Abstract： Taking the foundation pit project of Xiamen Metro joint section as the background， the numerical simulation and field measurement methods are used to compare the change rules of the foundation pit retaining wall side displacement， surface settlement， pit bottom rebound and supporting axial force in the coastal sand blowing and silt special land layer. The results show that the deformation is the result of soil consolidation and unloading in the pit. Although the design depth is the main factor affecting the deformation， the influence of precipitation on the coastal strata cannot be ignored. Meanwhile， corresponding construction measures are taken for the axial force loss of steel support. The research results can provide a reference for the construction control of deep foundation pit in coastal strata.

Keywords： deep foundation pit; coastal stratum; retaining structure; precipitation; deformation characteristics; numerical simulation

本文以廈門地鐵3、4號線共建段，雙滬站—空港經(jīng)濟(jì)區(qū)站區(qū)間明挖暗埋區(qū)間深基坑工程為研究背景，建立考慮降水滲流作用的深基坑土-結(jié)構(gòu)相互作用數(shù)值計算模型，通過設(shè)置不同的最不利工況來對比分析濱海復(fù)雜地層深基坑施工引起的地連墻側(cè)向位移和墻后地表沉降演變特征，并研究濱海吹填砂和淤泥復(fù)合地層對基坑變形特征的影響，最后給出了相應(yīng)的施工建議。

1" 工程背景

廈門市軌道交通3號線工程為廈門軌道交通線網(wǎng)當(dāng)中的西南—東北向骨干線。3號線工程起自廈門火車站，終至翔安機(jī)場站，線路全長38.47 km。設(shè)站27座（含預(yù)留車站1座），換乘站12座。線路起于廈門火車站，出站后沿湖濱東路向北敷設(shè)；下線路沿翔安東路西側(cè)綠化帶并行大嶝大橋跨過大嶝海域后，進(jìn)入大嶝島區(qū)域內(nèi)，沿迎賓大道西側(cè)綠化帶向南敷設(shè)；過雙滬村后，線路逐漸由高架轉(zhuǎn)為地下敷設(shè)，直至終點(diǎn)翔安機(jī)場站。雙滬站—空港經(jīng)濟(jì)區(qū)站為3、4號線共建段區(qū)間明挖暗埋段深基坑工程，基坑總長294.135 m，寬度約24.06～48.16 m，開挖深度由11.5 m過渡到14 m，覆土厚度約0.5～5.8 m，施工場地主要為吹填造地區(qū)域。

由于本工程的基坑深度和寬度是漸變的，如果直接對整個基坑直接進(jìn)行計算必將耗時耗力，而且產(chǎn)生的結(jié)果也存在較大誤差，因此基于本工程的特性，分別選取了2處最不利工況的斷面進(jìn)行分析。第一個最不利工況是基坑斷面位于厚度較大的吹填砂和淤泥土中，其中吹填砂和淤泥厚度為11.5 m，基坑深度為13 m；第二個最不利工況是基坑的深度最大，其斷面處開挖深度為14 m。

2" 有限元模型的建立

2.1" 基坑開挖模擬

為了模擬基坑開挖的施工過程，只對在關(guān)鍵工藝條件下的土壤或圍護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行計算，使用 ABAQUS中的單元生死函數(shù)，去除相應(yīng)的土壤單元，并對其進(jìn)行增加或去除。在進(jìn)行單元生作業(yè)前，需要進(jìn)行一次地應(yīng)力平衡分析，對基坑周圍的地應(yīng)力場進(jìn)行初始化。在此過程中，土壤會受到一種初始地應(yīng)力場的作用，這種作用是通過土壤自身的荷載來實(shí)現(xiàn)的，

在實(shí)際工程中，由自重作用下固結(jié)和沉降引起的內(nèi)部應(yīng)力場。在實(shí)際施工過程中，基坑的開挖一般是先施做圍護(hù)結(jié)構(gòu)再進(jìn)行開挖，于是在模型地應(yīng)力平衡后，通過單元生死操作移除圍護(hù)結(jié)構(gòu)處的土，再添加圍護(hù)結(jié)構(gòu)。基坑開挖過程分析如圖1所示。

由于工程背景的特殊性，濱海地區(qū)地下水較為活躍，對于考慮降水影響的基坑施工模擬，需要分析考慮降水作用下對基坑施工的影響。初始地下水位位于地下4 m處，因此在模型開挖完成1.5 m并進(jìn)行圍護(hù)后對基坑進(jìn)行降水，將坑內(nèi)水位降至地表以下14.5 m處，此時基坑開挖的過程可設(shè)置為7個工況。

2.2" 降水過程模擬

根據(jù)本工程場地內(nèi)的實(shí)際情況，初始水位在地表下4 m處，通過降水將坑內(nèi)水降到地表以下14.5 m的位置，使坑內(nèi)土體表面的孔壓保持為0。首先選取坑內(nèi)降水點(diǎn)的位置，即在基坑內(nèi)開挖面以下1.5 m處的位置；在降水分析步驟中將坑內(nèi)開挖面下1.5 m位置的孔壓都設(shè)定為 0。由于基坑底部孔壓變?yōu)?，和周圍有水的地層產(chǎn)生了水頭差，水流從坑內(nèi)排出，坑內(nèi)水位降低。

3" 計算結(jié)果對比分析

3.1" 墻體側(cè)向位移分析

通過對基坑開挖的數(shù)值模擬計算，考慮地下水下降的滲流作用的影響，對基坑開挖不同施工過程的墻體水平位移進(jìn)行對比分析，研究墻體側(cè)向位移的變化規(guī)律。在2種不同的最不利工況下（I、II）開挖至坑底時，墻后土體水平位移云圖如圖2所示，墻體側(cè)向位移變化曲線如圖3所示，取向坑內(nèi)移動的位移為正。

由圖2可知，隨著基坑開挖深度增加，墻后土體擾動影響范圍逐漸擴(kuò)大，且墻體側(cè)向位移量顯著增加。墻體側(cè)向位移曲線隨開挖深度的增加由“斜線”形向“鼓肚”形分布演變，側(cè)向位移量增大，且位移最大值位置逐漸下移，2種最不利工況（I、II）對應(yīng)的最大側(cè)向位移Ux，max分別為39.71、43.68 mm，其對應(yīng)深度Hx，max位置為（0.8～0.9）He（He為開挖深度）?；娱_挖誘發(fā)的墻后土體側(cè)移影響寬度區(qū)域約（3.0～4.0）He，深度影響區(qū)域約1.4 He，10～15 m深度范圍內(nèi)土體側(cè)向位移最為明顯，且當(dāng)降水（JS）完成后，墻體水平位移明顯增大，這是由于墻后土體向坑內(nèi)流動的過程中，降水引起的土體自身固結(jié)加快了土體的流動速度，再加上坑內(nèi)卸載的作用，在降水固結(jié)和坑內(nèi)卸載的共同作用下導(dǎo)致墻體水平位移增大。結(jié)合開挖力學(xué)機(jī)理來看，一方面，降水過程由于坑內(nèi)水位降低，坑外水位基本沒有變化，坑內(nèi)對墻體水壓力減??；另一方面，土體開挖時，坑內(nèi)被動土壓力減小，坑外土壓力基本沒有變化。在二者共同的影響下，由于坑內(nèi)作用于墻體的水壓和土壓減小使得墻體產(chǎn)生向坑內(nèi)變形的趨勢。

由圖3可知，基坑設(shè)計深度越深對墻體側(cè)向位移影響越大。2種最不利工況（I、II）下墻體的最大側(cè)向位移變化基本一致，而且在這2種情況（I、II）下R1、A1與R2、A2兩條曲線基本重合，說明坑內(nèi)2道支撐很好地限制了墻體的側(cè)向位移。

3.2" 地表沉降及坑底回彈分析

通過對基坑開挖的數(shù)值模擬計算，考慮地下水下降的滲流作用的影響，對6種不同工況下的土體豎向位移進(jìn)行對比分析，研究基坑土體豎向位移的變化規(guī)律。在2種不同的最不利工況下（I、II），當(dāng)開挖至坑底時，基坑土體豎向位移云圖如圖4所示，墻后地表沉降變化曲線如圖5所示，坑底回彈變化曲線如圖6所示，以地表沉降位移為負(fù)，地表隆起位移為正。

由圖4和5可知隨著基坑開挖深度的增加，墻后土體的垂直位移增加，影響范圍擴(kuò)大；地表沉降曲線沿水平距離呈“槽”形分布。隨著基坑開挖深度的增加，沉降槽變深變寬。墻后的最大計算表面沉降值Uz和Umax分別為44.54、45.71 mm。墻后地表沉降的根本原因是降水改變了周圍土壤的應(yīng)力狀態(tài)和地下水位。水位的下降降低了地下水對土壤中土壤顆粒的浮力，導(dǎo)致薄弱地區(qū)的土層壓縮和沉降。

由圖6可知，在最終狀態(tài)下工況II墻底土體的塑性變形比工況I的要大，而且墻后土體與坑內(nèi)土體在降水固結(jié)和坑內(nèi)卸載的雙重作用下，已經(jīng)開始產(chǎn)生了塑性變形，隨著墻地塑性區(qū)的不斷發(fā)展，墻后與坑底土體最終將形成貫通的塑性區(qū)，這對于基坑穩(wěn)定性及安全性是不利的，說明基坑的設(shè)計深度還是影響基坑整體穩(wěn)定性及安全性的主要原因。

3.3" 支撐軸力分析

基于考慮降水的基坑開挖有限元模擬，對坑內(nèi)2道支撐的軸力變化情況進(jìn)行計算，坑內(nèi)支撐體系的軸力變化如圖7所示，其中第一道代表混凝土支撐，第二道代表鋼支撐，施工周期分別代表不同的工況。

由圖7可知，隨著基坑的開挖進(jìn)行，混凝土支撐的軸力先上升后減小，而鋼支撐軸力則是先上升后趨于穩(wěn)定，且鋼支撐的軸力大于混凝土支撐。這是因?yàn)?，在施工過程中，混凝土支護(hù)在施工過程中，承受了基坑兩邊的土壓力，使其軸力快速增加，同時，下一個支護(hù)或相鄰支護(hù)將共同分擔(dān)前一個支護(hù)所受的力；這樣上一層混凝土支承的軸力就會降低?；炷林卧谧畈焕r（I、II）下的最大軸力分別為1 352、1 487 kN，鋼支撐在最不利工況（I、II）下的最大軸力分別為2 119、2 142 kN。

綜上所述，通過數(shù)值計算的對比分析，2種最不利工況（I、II）下基坑的設(shè)計深度仍然是影響基坑整體變形的主要因素，然而除了墻體最大側(cè)移值之外，其他各項(xiàng)計算結(jié)果都非常接近，這是由于水位的運(yùn)動方向和墻體側(cè)移方向不一致導(dǎo)致的，說明考慮降水作用下的基坑開挖，坑內(nèi)土體卸載仍是影響基坑變形的主要因素；而降水導(dǎo)致土體的固結(jié)，使吹填砂和淤泥覆蓋較厚的地層產(chǎn)生更大的墻后沉降。Blackburn認(rèn)為：對于連續(xù)的支護(hù)結(jié)構(gòu)體系，根據(jù)變形協(xié)調(diào)原理，相鄰支撐軸力的變化會通過擋土墻的變形而相互傳遞（即軸力相干性），導(dǎo)致支撐軸力產(chǎn)生損失。在基坑開挖過程中，墻體的水平變形必然伴隨著支撐軸力的變化，但是最不利工況（I、II）下鋼支撐的最大軸力相差不大，而II的最大墻體側(cè)移卻大于I。說明鋼支撐產(chǎn)生了軸力損失，顯然最不利工況II的軸力損失較大。

4" 結(jié)論

本次計算基于有限元分析法，通過ABAQUS有限元軟件，針對雙滬站—空港經(jīng)濟(jì)區(qū)站區(qū)間地鐵車站基坑進(jìn)行了分析，結(jié)合工程實(shí)際在考慮降水滲流作用的影響下，對基坑2種最不利工況I（填砂和淤泥厚度為11.5 m）和II（開挖深度為14 m）進(jìn)行開挖模擬，得出了以下結(jié)論。①墻體側(cè)向位移曲線隨開挖深度的增加由“斜線”形向“鼓肚”形分布演變，墻后土體側(cè)移影響寬度區(qū)域約（3.0～4.0）He，深度影響區(qū)域約1.4 He。墻后地表沉降曲線分布沿橫向水平距離呈“凹槽”形分布，且沉降槽顯著影響范圍約（1.0～1.5）He；②基坑開挖的最大塑性變形均出現(xiàn)在地連墻的墻底處，而且在考慮降水時塑性區(qū)已經(jīng)發(fā)展至地表及坑底，呈現(xiàn)一種塑性區(qū)的極限狀態(tài)，說明基坑變形主要是由于坑內(nèi)土體卸載引起的坑外土體向坑內(nèi)流動造成的，而且工況II比工況I的墻底土體的塑性變形要大；③考慮降水作用基坑變形的主要原因是降水固結(jié)和坑內(nèi)卸載的共同作用導(dǎo)致的。對比2種最不利工況I和II，工況II的基坑變形的絕對值更大，說明基坑的設(shè)計深度還是影響其變形的主要因素。由于降水水位的運(yùn)動方向和墻體側(cè)移方向不一致導(dǎo)致II的墻體側(cè)移偏大，然而其他工況（I、II）計算結(jié)果卻基本一致，說明降水導(dǎo)致土體的固結(jié)對濱海地區(qū)吹填砂和淤泥土層產(chǎn)生的影響不可忽略；④在基坑施工的過程中，鋼支撐會產(chǎn)生軸力損失，同時墻后地表沉降以及支撐軸力計算值也非常接近監(jiān)測預(yù)警值，若在施工中未引起重視可能危害基坑工程安全，因此在施工過程中對鋼支撐施加300 kN預(yù)應(yīng)力。通過計算分析，鋼支撐預(yù)應(yīng)力的施加對基坑的變形起到了良好的限制作用，對鋼支撐施加預(yù)應(yīng)力的處治措施是合理可行的。

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作者簡介：王水育（1965-），男，工程師。研究方向?yàn)榉课蓍_裂防治。