某高層地下室基坑開挖過程變形特性分析

摘要：基坑開挖卸載會破壞原有地應力平衡，擾動周邊土層，對基坑結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境產(chǎn)生影響。基于此，依托某高層地下室基坑開挖項目，通過有限元軟件建立基坑模型，模擬基坑開挖過程，對基坑開挖過程中基坑及地表變形進行分析。研究結(jié)果表明：三處關(guān)鍵部位的變形量均與基坑開挖深度成正比，開挖完成后的變形峰值分別達到21.86mm、24.9mm及32.10mm，符合規(guī)范控制要求?；觾蓚?cè)未開挖土體的主動土壓力，是造成地下連續(xù)墻及坑底土體變形的主要原因；坑內(nèi)外土體的應力失衡是造成坑外地表沉降的主要原因。

關(guān)鍵詞：基坑開挖；地下連續(xù)墻位移；地表沉降；坑底隆起

0" "引言

隨隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，高層建筑日趨復雜，基坑逐漸向“更深、更大”的方向發(fā)展，這也給深基坑設(shè)計和施工帶來了極大的挑戰(zhàn)[1]。同時，基坑尺寸、地質(zhì)條件、周邊環(huán)境等因素均會給基坑施工帶來顯著影響。合理的基坑設(shè)計則能很好的控制基坑自身變形，減小對周邊環(huán)境的影響。

近年來，不少學者通過數(shù)值模擬、現(xiàn)場監(jiān)測等手段對此開展了一系列的研究。董和平等[2]以某采用咬合樁支護結(jié)構(gòu)的深基坑工程為例，通過Abaqus有限元軟件建立三維基坑模型，分析了咬合樁不同支護參數(shù)對樁身變形、地表沉降、坑底隆起的影響。朱朋佳等[3]依托某深基坑工程，建立了基坑-樁基耦合模型，分析了基坑開挖對臨近高架樁的變形影響，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測試驗，評估了基坑施工的安全影響。王羽等[4]以南京軌道交通5號線九龍湖站為背景，計算了開挖過程中的圍護結(jié)構(gòu)側(cè)移量、坑底隆起值與基坑周邊地表沉降量，結(jié)果表明，坑底隆起最大值為24mm，圍護結(jié)構(gòu)最大側(cè)位移發(fā)生位置位于基坑最大開挖深度的0.7處。

本文以某高層地下室基坑為工程背景，通過有限元分析軟件plaxis2D，對基坑開挖過程中的地下連續(xù)墻側(cè)向變形、坑外地表沉降及坑底隆起特性進行了分析，以期為該工程的設(shè)計及施工過程提供參考。

1" "工程概況

某地區(qū)一待建高層地下室的深基坑工程坑基坑開挖寬度約為55m，長度約為45m，最大開挖深度16m，擬采用明挖法施工，地下連續(xù)墻打設(shè)深度27m，以粉砂層作為持力層，墻端進入持力層3m。

坑內(nèi)共設(shè)3道支撐，第一道撐為混凝土支撐，第二道撐及第三道撐均為鋼支撐。分3層對基坑進行開挖，第一層開挖深度10m，第二層及第三層開挖深度均為3m。根據(jù)前期工程地質(zhì)勘察，查明該處場地的土層分布從上至下分別是填土層、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層、粉砂層。

2" "三維數(shù)值模型

2.1" "模型建立

根據(jù)基坑支護設(shè)計及現(xiàn)場勘察報告，建立基坑模型，對基坑開挖過程中地下連續(xù)墻、坑外地表及坑底土體的變形行為進行分析。其中土體以及地下連續(xù)墻采用軟件內(nèi)置的15節(jié)點平面應變單元進行建模，混凝土支撐及鋼支撐采用錨桿單元進行建模。

模型邊界條件假定如下：模型表面為完全自由邊界；模型側(cè)面為徑向自由、法向固定邊界；模型底部為完全固定邊界。對整個模型進行網(wǎng)格劃分，且地連墻與土層接觸部位網(wǎng)格局部加密，共劃分1928個單元，3658個節(jié)點，建立的有限元模型如圖1所示。

2.2" "參數(shù)取值及計算過程

土體本構(gòu)模型均選用摩爾庫倫理想彈塑性模型，結(jié)合實際勘查情況及室內(nèi)試驗結(jié)果，土體材料的本構(gòu)模型參數(shù)及取值情況如表1所示?；炷林渭颁撝尾捎缅^桿單元進行建模，結(jié)構(gòu)與土接觸面單元用Goodman單元模擬，接觸面單元切線方向服從摩爾庫倫屈服準則，結(jié)合實際設(shè)計方案，確定支撐單元的材料本構(gòu)模型參數(shù)及取值如表2所示。

模擬基坑分層開挖過程，對開挖過程中的地下連續(xù)墻變形、坑外地表沉降及坑底隆起變形進行分析，因模型兩邊呈中心對稱，因此以基坑中心線為界，通過標記節(jié)點獲取計算結(jié)果，在節(jié)點標記過程中取半幅模型作為標記對象。

3" "數(shù)值結(jié)果分析

3.1" "地下連續(xù)墻變形分析

3.1.1" "最大變形值出現(xiàn)位置

不同開挖深度下地下連續(xù)墻側(cè)向變形如圖2所示，從圖2可以看到，基坑開挖后，地下連續(xù)墻的變形方向朝向基坑內(nèi)，且呈現(xiàn)出兩端小中間大的趨勢，最大變形值出現(xiàn)在地表以下10m、13m、16m處，與每一層的開挖面對應。

分析認為，基坑內(nèi)的土體開挖后，地下連續(xù)墻外部的土體在主動土壓力的作用下產(chǎn)生向坑內(nèi)位移的趨勢，然而由于內(nèi)支撐的存在，會抵消一部分主動土壓力，因此開挖面以上的地下連續(xù)墻側(cè)向變形呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢。而開挖面以下的墻體部分由于嵌固在土體內(nèi)，坑內(nèi)未開挖土體產(chǎn)生的被動土壓力會抵消一部分開挖土體產(chǎn)生的主動土壓力，因此墻體的側(cè)向變形趨勢逐漸減小，因此最大變形出現(xiàn)在開挖面處。

3.1.2" "最大側(cè)向變形值增長趨勢

隨著開挖深度的增加，地下連續(xù)墻的側(cè)向變形逐漸增大，在第一層開挖完成后，地下連續(xù)墻的最大側(cè)向變形值為7.86mm，第二層、第三層開挖完成后，地下連續(xù)墻的最大側(cè)向變形值分別增長至12.46mm及21.86mm，與第一層開挖后相比，分別增長了約58.5%及178.0%。分析認為，開挖深度越大，墻外土體產(chǎn)生的主動土壓力越大，從而導致墻體受力增加，產(chǎn)生更多的側(cè)向變形。

3.1.3" "符合規(guī)范判定

根據(jù)GB 50497—2019[5]《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)標準》中有關(guān)規(guī)定，對于地下連續(xù)墻頂部側(cè)向變形不得超過30mm，深層側(cè)向變形不得超過50mm。本分析中墻頂最大側(cè)向變形發(fā)生在第一層開挖后，約7.86mm，深層最大側(cè)向變形發(fā)生在第三層開挖后，約21.86mm，均低于規(guī)范中所規(guī)定的控制值上限。

3.2" "坑外地表沉降分析

3.2.1" "坑外地表沉降最大值

不同開挖深度下的坑外地表沉降變形如圖3所示，從圖3可以看到，隨著與地下連續(xù)墻的距離增加，坑外地表沉降值呈現(xiàn)出先急劇增大，后逐漸減小且最終區(qū)域平緩的趨。在第一層開挖完成后，坑外地表沉降最大值為20.48mm，第二層、第三層開挖完成后，坑外地表沉降最大值分別增長至22.48mm及24.49mm，與第一層開挖后相比，分別增長了約9.8%及19.6%。

分析認為，在地下連續(xù)墻附近，開挖會引起較大的應力釋放，墻外土體的主要支撐結(jié)構(gòu)被移除，導致地下連續(xù)墻附近的土體活動更為活躍，從而產(chǎn)生較大的沉降。而隨著距離的增加，開挖對墻外土體的直接擾動減少，因此沉降效應也隨之減小，最終在一定范圍外達到一個相對平穩(wěn)的狀態(tài)。

3.2.2" "坑外地表沉降最大值位置

不同開挖深度下的坑外地表沉降最大值出現(xiàn)在距離地下連續(xù)墻約10m處。分析認為，隨著開挖深度的增加，基坑內(nèi)土體不斷被移除，開挖卸荷作用導致土體的應力狀態(tài)發(fā)生顯著變化。開挖越深，對周圍土體產(chǎn)生的擾動也越大，從而引起更大程度的地表沉降。而土體的力學性質(zhì)如內(nèi)摩擦角、黏聚力等影響沉降的分布，因此在固定的土體條件下，開挖深度的增加雖然導致沉降量增加，但由于土體的力學反應特性，沉降峰值的位置不會有顯著的水平方向偏移。

3.2.3" "符合規(guī)范判定

根據(jù)GB 50497—2019《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)標準》中有關(guān)規(guī)定，對于基坑外周邊地表豎向位移，即坑外地表沉降，不得超過35mm。文中坑外地表沉降峰值發(fā)生在第三層開挖后，約24.49mm，低于所規(guī)定控制值上限。

3.3" "坑底隆起分析

3.3.1" "隆起值與距離基坑中心位置的關(guān)系

不同開挖深度下的坑底隆起變形如圖4所示。從圖4可以看到，距離基坑中心線越近，坑底隆起值越大，基坑中心處的隆起值約為基底坑邊處的隆起值的1.7倍。分析認為，基坑開挖打破了坑底土體的力學平衡。這種力學平衡的重建往往伴隨著土體向基坑底部的側(cè)向移動，尤其是在基坑中心處，土體受力最為集中，因此隆起效應更為明顯。同時基坑中心的土體由于上方荷載的減少，會經(jīng)歷更大程度的膨脹或回彈，導致隆起更加顯著。

3.3.2" "基底隆起峰值

隨著開挖深度的增加，基底隆起峰值越大，在第一層開挖完成后，基底隆起峰值為15.94mm，第二層、第三層開挖完成后，基底隆起峰值分別增長至23.28mm及32.10mm，與第一層開挖后相比，分別增長了約46.1%及101.4%。分析認為，坑內(nèi)土體開挖后，坑外兩側(cè)的土體形成向坑內(nèi)的主動土壓力，特別是在基坑底部，這使得坑底的土體兩端受到擠壓，從而向基坑中心處產(chǎn)生鼓脹趨勢，開挖深度越大，土體受擠壓程度越明顯，因此基底中心處的隆起值越大。

3.3.3" "符合規(guī)范判定

根據(jù)GB 50497—2019《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)標準》中有關(guān)規(guī)定，對于基坑底部回彈隆起，不得超過35mm。本分析中坑底隆起峰值發(fā)生在第三層開挖后，約32.10mm，低于規(guī)范中所規(guī)定的控制值上限。

4" "結(jié)束語

本文以某高層地下室基坑為工程背景，通過有限元分析軟件對基坑開挖過程中的地下連續(xù)墻、坑外地表以及坑底的變形特性進行了分析，獲得的主要結(jié)論如下：

在基坑開挖過程中，在地下連續(xù)墻外側(cè)土體主動土壓力的作用下，墻體的側(cè)向變形方向朝向坑內(nèi)，呈現(xiàn)出兩端小、中間大的扭轉(zhuǎn)趨勢，變形量隨著開挖層數(shù)的增加而增大，開挖完成后的最大側(cè)移量達21.86mm；隨著坑內(nèi)土體的移除，坑內(nèi)外土體應力平衡被打破，坑外地表呈現(xiàn)出先快速增大、后逐漸減小，最終趨于平緩的沉降趨勢，且開挖深度越大，沉降峰值越大。

開挖完成后的最大沉降值達24.9mm，出現(xiàn)在距離基坑口約10m處；在開挖卸荷的作用下，坑底土體呈現(xiàn)出兩端小、中間大的隆起趨勢。隆起量隨著開挖層數(shù)的增加而增大，當基坑開挖完成后，基坑中心處的坑底隆起峰值達32.10mm。

參考文獻

[1]" 趙宏洋.FLAC3D軟件在基坑開挖模擬及支護改進的應用[J].建筑技術(shù)，2023，54（17）：2153-2156.

[2]" 董和平，董建華，吳曉磊.基于ABAQUS的咬合樁支護深基坑數(shù)值分析[J].蘭州理工大學學報，2024，50（4）：121-128.

[3]" 朱朋佳，陸達鵬，孟飛，等.深大基坑開挖對鄰近高架樁基影響的數(shù)值與實測分析[J].科技通報，2024，40（7）：62-69.

[4]" 王羽，胡東，劉恒.地鐵車站深基坑開挖支護變形全工況三維數(shù)值模擬研究[J].上海建設(shè)科技，2024（3）：45-50.

[5]" GB 50497—2019《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)標準》[S].