基坑寬度對基坑開挖效應的影響

楊 山 奇

(新疆鐵道勘察設計院有限公司，新疆 烏魯木齊 830011)

1 概述

窄長基坑在實際工程中以地鐵隧道等為工程背景廣泛存在，基坑開挖過程中會影響周圍的建筑物及構筑物[1-3]，本文研究基坑開挖寬度對基坑變形規律的影響。

FLAC3D三維快速拉格朗日差分程序在基坑工程數值模擬方面具有良好的適應性，劉繼國等[4]用FLAC3D模擬深基坑開挖與支護，劉勇等[5]用FLAC3D模擬深基坑圍護結構變形，均表明了FLAC3D在工程實際中有良好的實用價值。

本文采用FLAC3D對三種土體的70個基坑進行開挖模擬，據此分析了基坑側壁的水平位移和坑底隆起位移的變化規律。

2 分析模型和分析方法

2.1 分析模型

計算中采用摩爾—庫侖彈塑性模型，采用FLAC3D軟件提供的RADBRICK塊體外圍漸變放射網格。為了減少(消除)邊界效應的影響，邊界尺寸應為基坑尺寸的2倍或更多，本文在基坑的X，Y，Z方向各延長10 m。為使模型切合窄長基坑的特點，當基坑開挖寬度小于10 m時，基坑開挖長度為20 m；當基坑開挖寬度大于10 m時，基坑開挖長度選取40 m。

選取填土、粉質粘土和強風化砂巖三種土體，土體的主要參數見表1。

表1 土體的主要參數

2.2 分析方法和方案

采用FLAC3D作為數值模擬程序。首先確立模擬窄長基坑的尺寸大小，見表2。

表2 模擬基坑尺寸 m

選取基坑橫剖面，記錄基坑側壁頂點A、中點B、底點C的水平位移以及基底四分點D、基底中點E的隆起位移。由于基坑具有對稱性，布置如圖1所示。

模擬70個不同尺寸、不同土體的基坑，應用FLAC3D數值模擬出各監測點的位移值，把模擬結果整理成表格的形式，并繪制成折線圖來分析規律。

選取寬深比(b/h)作為基坑開挖寬度的量值，分別分析出開挖深度為2 m，4 m，6 m時基坑側壁水平位移和基坑底部隆起位移值隨著寬深比增加的變化規律，并比較土體參數對開挖效應的影響。

3 結果分析

用FLAC3D模擬出各個基坑的開挖效應，分析開挖效應基坑側壁水平位移和基坑底部隆起位移的變化規律，圖2為水平位移云圖，圖3為豎直位移云圖。

由圖2可以看出，基坑側壁的水平位移呈對稱分布，且位移大小從基坑側壁頂部到底部近似呈現遞減的趨勢。由圖3可以看出，基坑底部的隆起位移也具有對稱性，且隆起位移從基坑底部中點位置向基坑側壁呈現遞減趨勢。由于基坑位移的對稱性，選取基坑中部橫剖面來研究基坑側壁水平位移和基坑底部隆起位移隨著基坑開挖深度的變化規律。

記錄基坑側壁監測點A，B，C的水平位移和基坑底部監測點D，E的隆起位移，整理出數據如表3～表5所示。

3.1 基坑側壁水平位移值隨b/h變化規律

由表3～表5整理出在基坑開挖深度為h=2 m時基坑側壁水平位移值隨著寬深比(b/h)的變化規律。

表3 開挖深度h=2 m時各監測點位移值 mm

表4 開挖深度h=4 m時各監測點位移值 mm

表5 開挖深度h=6 m時各監測點位移值 mm

由圖4得隨著寬深比(b/h)的增加基坑側壁水平位移的值逐漸減小，并趨于穩定。并且可以得出當基坑寬深比(b/h)約為6時側壁水平位移最小，且隨著寬深比(b/h)的增加，基坑側壁的水平位移基本趨于穩定。

3.2 基坑底部隆起位移值隨b/h變化規律

由表3～表5可以整理出基坑底部隆起位移值隨著b/h的變化規律。以h=4 m基坑底部隆起位移值為例來討論，見圖5。

由圖5可以看出，隨著寬深比(b/h)的增加，基坑底部中點E的隆起位移逐漸增加，當b/h約為5時，基坑底部中點隆起值趨于穩定。并且基坑底部中點的隆起值為基坑隆起位移的最大值。

3.3 b/h恒定時土體材料變化對變形位移的影響

本文選取了填土、粉質粘土和強風化砂巖三種土體作為研究對象。在基坑寬深比(b/h)恒定時，選用c/(γ·h·tanφ)作為土體的特征值，分析基坑側壁頂點的水平位移值和基坑底部中點隆起位移值與土質的關系。

分析開挖深度h=4 m時，基坑側壁頂點位移值和基坑底部中點隆起位移值隨著土體材料變化的規律。

由圖6得，h與b恒定時，土體參數c/(γ·h·tanφ)對基坑側壁頂點位移值的影響較大，并且可以推斷，相同開挖條件下，土體c/(γ·tanφ)值越小，基坑側壁頂點位移值越大。

分析圖7得，相同開挖條件下，三種土體的基坑底部中點位移值基本相同，由此推斷，基坑底部中點隆起位移值與基坑開挖深度和寬度等開挖條件有關，與土體參數情況關系不大。

4 結語

1)當基坑開挖深度較淺(小于6 m)時，基坑側壁頂點水平位移值隨著基坑開挖寬度的增加而增加，在基坑寬度為12 m時頂點水平位移值趨于穩定，不再隨基坑寬度增加而增加。

2)基坑底部中點隆起位移值隨著寬深比(b/h)的增加而增加，當寬深比約為5時基坑底部中點隆起位移值趨于穩定，并且達到最大值。

3)開挖深度與寬度等開挖條件相同時，土體c/(γ·tanφ)值越小，基坑側壁頂點水平位移值越大。

4)基坑底部中點隆起位移值與開挖寬度及深度等開挖條件有關，與土體參數關系不大。