軟土深基坑降水開挖變形分析

趙逸博 鄭曉東 李斌 付建寶 阮浩東 沈一鳴

摘 要：【目的】研究軟土深基坑降水與開挖對支護結構及周邊環(huán)境的影響。【方法】以深圳某地鐵深基坑工程為例，運用ABAQUS有限元軟件建立三維基坑模型，分析深基坑降水與開挖對支護結構、臨近地表與建筑物沉降變形的影響，同時將監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬結果進行對比分析?！窘Y果】結果表明：地下連續(xù)墻水平變形呈拋物線形，基坑中部水平位移變形較大，底部位移變形小；臨近地表沉降位移呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，地表與建筑物沉降變形均在控制范圍內(nèi)；基坑開挖后中部支撐軸力最大，基坑開挖變形結果與實際監(jiān)測值一致?！窘Y論】通過分析基坑變形規(guī)律，為今后軟土深基坑降水及開挖研究提供參考。

關鍵詞：深基坑工程；流固耦合；支護結構變形；地表沉降

中圖分類號：TU94+1? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1003-5168（2024）05-0047-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.05.010

Deformation Analysis of Dewatering Excavation of Deep Foundation Pit in Soft Soil

ZHAO Yibo1，2 ZHENG Xiaodong1 LI Bin2，3，4，5 FU Jianbao2，3，4，5 RUAN Haodong1，2 SHEN Yiming1

（1.School of Water Resources and Hydropower of Hebei University of Engineering， Handan 056001，China; 2.CCCC Tianjin Harbor Engineering Research Institute Co.， Ltd.， Tianjin 300222， China; 3.CCCC First Navigation Engineering Bureau Co.， Ltd.， Tianjin 300461，China; 4.Key Laboratory of Port Geotechnical Engineering Technology and Transportation Industry， Tianjin 300222， China; 5.Key Laboratory of Port Geotechnical Engineering Technology in Tianjin， Tianjin 300073，China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to study the impact of dewatering and excavation on the support structure and surrounding environment of soft soil deep foundation pits.[Methods] Based on a subway deep foundation pit project in Shenzhen， a three-dimensional foundation pit model was established using ABAQUS finite element software to analyze the impact of dewatering and excavation on the settlement and deformation of the support structure， adjacent surface and buildings. At the same time， monitoring data and simulation results were compared and analyzed.[Findings] The results show that the horizontal deformation of the slurry wall is parabolic， the horizontal displacement in the middle of the foundation pit is large， and the bottom displacement is small; the settlement displacement near the surface shows a trend of first increasing and then decreasing， and the settlement deformation of both the surface and buildings is within the control range; After the excavation of the foundation pit， the axial force of the middle support is the highest， and the deformation results of the excavation are consistent with the actual monitoring values.[Conclusions] By analyzing the deformation law of foundation pits， reference is provided for future research on dewatering and excavation of soft soil deep foundation pits.

Keywords： deep foundation pit engineering; fluid-structure interaction; deformation of support structure; surface subsidence

0 引言

隨著城市建設的發(fā)展，地鐵車站等大型基坑工程不斷涌現(xiàn)，由于部分基坑橫向長度較長，基坑的橫縱比大于5。在施工期間當水平方向長度遠大于豎直方向高度時，基坑長邊更容易發(fā)生水平位移變形和水平應力增大，容易引發(fā)基坑滑動或坍塌的情況，且深圳地區(qū)土壤含水分較多，因此在深基坑開挖時需要重點關注長邊變形影響，并制定相應的支護結構方案，以確?；邮┕さ陌踩樌M行。在深基坑施工過程中，由于對深基坑變形控制程度的研究不足，易對支護結構造成不利影響［1-3］?；娱_挖會造成支護結構的內(nèi)外出現(xiàn)應力不均的情況，這使得支護結構容易發(fā)生水平方向的變形［4-5］，同時基坑支護結構與底部土體變形也會導致周邊土體產(chǎn)生位移，從而對基坑產(chǎn)生影響。隨著基坑開挖深度的增加，地下水對基坑開挖與支護結構影響加大，在施工過程中降水引發(fā)地下水位變化導致基坑產(chǎn)生滲流附加應力，進一步導致土體應力重分布［6］，這將使基坑的支護結構難以控制，因此研究開挖與降水對軟土深基坑的影響具有重要價值。

近些年來眾多學者對深基坑開挖變形進行了較多的研究，王有旗等［7］采用Midas GTS NX軟件對基坑開挖、降水等引起基坑圍護結構變形的規(guī)律進行深入研究和分析。周守強等［8］利用FLAC3D軟件模擬深基坑三維流固耦合降水開挖，分析潛水區(qū)深基坑降水與開挖引起的下臥隧道內(nèi)力和變形變化機理。邱居濤等［9］采用新簡化分析方法，研究相鄰基坑開挖卸荷引起的既有地鐵隧道縱向變形，分析層狀土和均質(zhì)土開挖卸載對隧道附加應力的影響。陳志偉等［10］采用Midas-GTS軟件，分析開挖和降水對鄰近既有地下隧道的影響，研究表明基坑降水會造成周圍土層地下水向坑內(nèi)滲流，且具有明顯的空間差異性。

綜上所述，由于對軟土地區(qū)深基坑的研究并不完善，因此有必要對基坑降水與開挖變形影響規(guī)律進行進一步分析。本研究以深圳市某地鐵深基坑工程為例，并借助有限元模擬軟件ABAQUS建立考慮地下水影響的流固耦合三維基坑模型，對比分析不同開挖深度支護結構的變形影響，以期為類似工程的設計與施工提供借鑒。

1 工程概況

1.1 基坑概況

該基坑位于深圳市某地鐵站，采取明挖法進行施工，基坑總體呈狹長H型，東西長241 m，中部標準段寬為23.5 m，兩端擴大段寬為36.4 m，標準開挖深度為29 m。支護結構采用地下連續(xù)墻+支撐形式，地下連續(xù)墻厚度為1 000 mm，采用C30鋼筋混凝土結構。支撐結構共設置四排，第一、三、四排采用C30鋼筋混凝土支撐，第二排支撐采用C235鋼支撐，支撐截面為800 mm×800 mm。深基坑支護結構剖面如圖1所示。

1.2 工程地質(zhì)概況

基坑周圍地貌主要為臺地、沖洪積平原地貌，地形整體較為平坦，地面高程為27.0 m。結合地層鉆探情況顯示，該區(qū)間主要揭露地層為第四系沉積物，主要為人工填土、淤泥質(zhì)軟土、砂質(zhì)黏性土，基坑地層參數(shù)見表1。其中淤泥質(zhì)軟土具有壓縮性高、強度低、自穩(wěn)能力差的特性，對深基坑工程施工造成一定影響。勘察期間場地內(nèi)未發(fā)現(xiàn)滑坡、危巖和崩塌、泥石流、采空區(qū)、活動斷裂等不良地質(zhì)作用和地質(zhì)災害。地表水主要來源為水庫、水塘及河流。水庫與本線路距離400 m左右。

1.3 基坑監(jiān)測方案

信息化監(jiān)測能夠及時反映施工過程中各個參數(shù)的變化，例如支護結構變形、地表沉降等問題，并能夠提前預判風險，便于修正補救，保證基坑施工過程中基坑自身及周邊環(huán)境的安全，基坑工程監(jiān)測點布置如圖2所示?；颖O(jiān)測內(nèi)容主要有：①墻頂水平位移和豎向位移；②墻體水平位移；③支撐軸力；④周邊地表豎向位移、水平位移。采用現(xiàn)場巡視檢查和儀器測試相結合的方法進行監(jiān)測。監(jiān)測控制值見表2。

2 基坑模型建立

為了減少對基坑周圍環(huán)境的影響，需要采用分級降水開挖施工。數(shù)值模型采用“生死單元”和流固耦合模塊，模擬基坑分級開挖與降水過程。在開挖前應先設置地下連續(xù)墻，每級開挖要分別關閉各級需開挖的土體單元，并激活相應的支撐單元。地下連續(xù)墻與土體接觸采用綁定接觸，切向為罰函數(shù)，法向為硬接觸，地面和基坑開挖面為自由邊界，不受任何約束，模型四周邊界受X、Y向位移約束，底部受到X、Y、Z向的三向約束。本研究中建模時所做的假定如下：①基坑各層土體為均質(zhì)、各向同性的理想彈塑體；②不考慮基坑臨近區(qū)域施工荷載的影響；③為使計算簡便，基坑底部為平整面，不考慮基坑斜坡。為方便分析深基坑開挖變形過程，將施工過程分為10個工況進行分析，施工工況見表3。

由于模型較大且呈對稱形狀，為簡化計算選取模型的一半進行模擬，模型尺寸選取200 m×160 m×50 m。土體及支護結構的材料模型均選用各向同性材料，其中土體本構模型采用摩爾-庫倫模型，支護結構材料本構模型選用線彈性模型，土體屬性采用三維孔隙流體單元，并采用考慮土體孔隙壓力的八結點六面體單元C3D8RP進行模擬；地下連續(xù)墻、混凝土支撐以及鋼支撐采用三維應變單元；地下連續(xù)墻使用C3D8R單元；混凝土支撐及鋼支撐則選擇B31單元進行模擬?；油馏w與支護結構如圖3所示。

3 基坑開挖模擬分析

3.1 地下連續(xù)墻變形影響

通過對基坑開挖進行模擬計算，得到基坑地下連續(xù)墻位移云圖如圖4所示。隨著深基坑開挖的進行，兩側鄰近土體發(fā)生向基坑內(nèi)部的位移，基坑地下連續(xù)墻水平位移呈拋物線形。隨著開挖深度的不斷增加，地下連續(xù)墻水平位移快速增大，最大水平位移點逐步向下移動，最大水平位移變形出現(xiàn)在基坑中部位置。開挖完成后，標準段地下連續(xù)墻水平位移呈現(xiàn)先增后減的趨勢，擴大段由于長度較短，水平位移較標準段位移值小，基坑內(nèi)部發(fā)生水平位移變形。

地下連續(xù)墻水平位移監(jiān)測變形如圖5所示。在基坑降水施工過程中，由于土壤含水量下降，土體應力增加幅度較小，對水平位移變形產(chǎn)生了一定影響，其中第一次降水影響最大，水平位移為-1.53 mm。隨著基坑支撐的影響，水平位移變形受降水影響逐漸減小，其余三次降水工況地下連續(xù)墻水平位移分別降低-0.57 mm、-0.62 mm、-0.29 mm。隨著深度的不斷增加，地下連續(xù)墻相同埋深處水平位移逐漸增大，最大位移為-17.92 mm，最小位移位于基坑底部位置，最小位移為-5.22 mm，樁頂?shù)乃轿灰茷?15.62 mm。地下連續(xù)墻與支撐構成的支護結構對基坑水平變形起到重要的作用，使基坑整體水平位移均在控制值內(nèi)。

3.2 鄰近地表沉降變形影響

隨著基坑開挖深度的增加，鄰近地表出現(xiàn)不同程度且不均勻沉降位移，土體呈現(xiàn)先隆起后沉降的趨勢，基坑地表沉降位移云圖如圖6所示，沉降對比如圖7所示。隨著基坑內(nèi)部的土體被移除，周邊土體向基坑內(nèi)部位移，隨之基坑鄰近區(qū)域出現(xiàn)地表沉降現(xiàn)象，標準段主要影響區(qū)為距基坑0～12 m的區(qū)域，擴大段由于寬度較大，主要影響區(qū)為距基坑0～20 m的區(qū)域?？觾?nèi)土體卸荷后，深基坑鄰近土體發(fā)生應力重分布，其中最大沉降位于距地下連續(xù)墻4 m的位置，最大沉降值為11.77 mm，土體呈現(xiàn)向上隆起的狀態(tài)。隨著與地下連續(xù)墻距離的增加，土體沉降變形值逐漸趨于穩(wěn)定，距地下連續(xù)墻16 m及更遠的土體變化值較小，且土體處于下沉狀態(tài)，距地下連續(xù)墻16 m處下沉值最大，下沉值為-2.54 mm。基坑開挖施工期間鄰近土體沉降較小，周邊建筑物沉降變形幅度較小，從而減少了基坑對建筑沉降的影響。

在基坑第一層土體開挖時，鄰近土體與建筑物開始發(fā)生沉降，由于開挖深度較淺，基坑鄰近建筑物沉降值較小。隨著基坑開挖深度的增加，鄰近地表建筑物沉降值隨之增大，開挖完成后最大沉降值為23.2 mm。通過分析可知，模擬結果與監(jiān)測結果一致，且處于控制值范圍內(nèi)。

3.3 支撐軸力分析

隨著基坑開挖深度的增加，兩側鄰近土體不斷向內(nèi)部位移，地下連續(xù)墻對支撐的應力不斷增加，支撐軸力也隨之不斷增加?；又屋S力云圖如圖8所示，基坑支撐軸力對比如圖9所示。由圖8、圖9可知，完全開挖后基坑第二排混凝土支撐軸力最大，最大軸力為8 655.43 kN。

3.4 基坑施工問題及措施

基于深基坑在施工過程中存在基坑變形較大的問題，本研究提出以下建議：①為解決深基坑開挖過程中地下連續(xù)墻位移較大的問題，可將基坑劃分為若干區(qū)域，采用先開挖后加固的方法逐步進行開挖，并使基坑周邊土體得到有效支撐，從而保證每一塊區(qū)域基坑的穩(wěn)定。②隨著開挖時間的延長，開挖變形位移與支撐軸力亦會隨之增加，可采用增加地下連續(xù)墻強度或改變支撐結構的方法，以達到減小變形位移與支撐軸力的目的。

4 結論

①在深基坑開挖過程中，土體開挖對地下連續(xù)墻水平變形的影響較大?；娱_挖變形呈拋物線性型，其中地下連續(xù)墻中部位移變形較大，底部水平位移變形最小，地下連續(xù)墻水平位移向基坑內(nèi)部發(fā)展。

②隨著開挖深度的增加，鄰近地表沉降也更明顯，呈現(xiàn)先增后減的趨勢，基坑開挖后支撐軸力、鄰近建筑物沉降與監(jiān)測值相近，由于基坑土體向內(nèi)位移的影響，第二、三排支撐軸力比上部略大，基坑中下部位移較大。

參考文獻：

［1］董利虎，宋丹青，唐高杰，等.超大深基坑開挖對周圍環(huán)境變形影響及對策分析［J］.水資源與水工程學報，2022，33（1）：199-205，224.

［2］董必昌，張鵬飛，張明軒，等.基于流固耦合效應的深基坑降水開挖變形規(guī)律研究［J］.公路，2021，66（4）：349-356.

［3］楊善統(tǒng).建筑密集區(qū)超大深基坑開挖變形模型試驗研究［J］.地下空間與工程學報，2022，18（S1）：147-155.

［4］劉暢，郭悅，鄭剛，等.深基坑開挖對坑底樁受力變形特性的影響研究［J］.建筑結構學報，2021，42（5）：177-186.

［5］朱大鵬，謝昌建，楊陽.深基坑開挖及降水誘發(fā)鄰近建筑物變形破壞機理及影響因素［J］.科學技術與工程，2022，22（3）：1166-1172.

［6］李又云，楊立新，劉偉，等.懸掛式止水帷幕深基坑分級降水開挖變形特性［J］.科學技術與工程，2021，21（5）：1995-2001.

［7］王有旗，謝彬，蔣梁棟，等.深基坑降水開挖對圍護結構彎矩與位移影響分析［J］.廣西大學學報（自然科學版），2022，47（5）：1160-1173.

［8］周守強，汪鵬程，王景.潛水地區(qū)深基坑降水開挖對下臥隧道影響分析［J］.合肥工業(yè)大學學報（自然科學版），2022，45（3）：356-361.

［9］邱居濤，江杰，周曉軍，等.鄰近基坑開挖引起既有隧道的縱向變形響應（英文）［J］.Journal of Central South University，2021，28（6）：1888-1900.

［10］陳志偉，繆海波.深基坑開挖和降水對緊鄰既有地鐵隧道的影響［J］.科學技術與工程，2019，19（30）：297-302.